FR2966888A1 - Thermocompresseur, systeme de controle associe et procede de controle du fonctionnement de ce thermocompresseur - Google Patents

Thermocompresseur, systeme de controle associe et procede de controle du fonctionnement de ce thermocompresseur Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un thermocompresseur comprenant - une tuyère d'entrée d'un fluide primaire à haute pression, - une entrée d'un fluide secondaire à basse pression, - une zone de mélange des fluides primaire et secondaire, ladite zone de mélange comprenant une partie de col cylindrique et un divergent situé en aval de la partie de col cylindrique, et un dispositif de détection agencé pour détecter le long d'une génératrice du thermocompresseur la position d'une onde de choc formée au sein du thermocompresseur par la transition entre un écoulement amont supersonique et un écoulement aval subsonique. L'invention concerne également un système de contrôle de thermocompresseur.

Description

THERMOCOMPRESSEUR, SYSTEME DE CONTRÔLE ASSOCIE ET PROCEDE DE CONTRÔLE DU FONCTIONNEMENT DE CE THERMOCOMPRESSEUR
L'invention concerne un thermocompresseur ou éjecteur à jet de vapeur, son système de contrôle ainsi qu'un procédé de contrôle du fonctionnement d'un tel thermocompresseur. L'invention concerne également une installation de dessalement équipée d'un tel thermocompresseur. Dans l'industrie et en particulier dans le dessalement thermique, beaucoup d'installations mettent en oeuvre des thermocompresseurs. Ces systèmes sont des compresseurs statiques qui fonctionnent sur le principe suivant (en référence à la figure unique) : - de la vapeur sous pression (vapeur motrice, VM) est détendue et donc accélérée au travers d'une tuyère 12 (tuyère motrice), - la vitesse de la vapeur motrice crée une baisse de pression dans la zone de mélange 16 et donc un effet d'aspiration sur de la vapeur à basse température (et basse pression), - la vapeur motrice VM et la vapeur aspirée VA se mélangent à vitesse élevée dans un cône convergent suivi d'un élément cylindrique 18 (le col du thermocompresseur), - le mélange M obtenu est recomprimé au travers d'un cône divergent 20, raccordé au col 18, jusqu'à une température et une pression plus élevées que les conditions d'aspiration.
L'écoulement du mélange M de vapeur motrice et de vapeur aspirée est de nature supersonique. En effet, sa vitesse est supérieure à la vitesse du son dans la vapeur. Or, à la sortie du thermocompresseur, il y a des tuyauteries de raccordement de plus grand diamètre, dans lesquelles l'écoulement est subsonique (vitesse d'écoulement inférieure à la vitesse du son dans la vapeur). Les tuyauteries vapeur sont en effet généralement dimensionnées de façon à ce que les vitesses internes ne créent pas de perte de charge excessive, elles sont donc toujours subsoniques.
Entre un écoulement amont supersonique et un écoulement aval subsonique, il se crée un phénomène de transition très soudain, qui forme une onde de choc. Cette onde de choc recomprime l'écoulement de façon quasi instantanée, tout en générant une hausse tout aussi rapide des températures de l'écoulement, ce saut de température étant de l'ordre de 5 à 15°C. Le rendement de compression d'une onde de choc est d'autant moins bon que la vitesse d'entrée est élevée. Cette onde de choc ne peut pas être en équilibre dans le col car la vitesse d'écoulement y est constante. Elle retrouverait alors un équilibre en remontant dans le convergent 22. Cette remontée soudaine provoque des baisses de production importantes et doit être évitée. On dit que le thermocompresseur "décroche" lorsque ce phénomène se produit.
Afin que le thermocompresseur fonctionne de manière stable, il convient donc que l'onde de choc soit positionnée en aval (par rapport au sens d'écoulement du fluide), dans le divergent. Ainsi, actuellement, les paramètres de fonctionnement des thermocompresseurs sont choisis de manière à ce que, pour une pression de consigne donnée (pression de vapeur motrice), l'onde de choc soit située dans le divergent à bonne distance du col, afin d'éviter que l'onde de choc ne puisse entrer dans la zone d'instabilité du col. Lorsque l'onde de choc est située dans le divergent, le mélange supersonique sortant du col aura été réaccéléré avant de franchir l'onde de choc. Il est rappelé en effet qu'un écoulement supersonique accélère et se détend dans un divergent et qu'il ralentit et se comprime dans un convergent, contrairement aux écoulements subsoniques qui obéissent aux règles inverses. Toutefois, l'accélération du mélange sortant du col entraîne une diminution du rendement de l'onde de choc, le rendement du thermocompresseur n'étant alors pas optimal. Dans la plupart des industries, un rendement non optimal du thermocompresseur n'est pas important, ces thermocompresseurs étant généralement de faibles dimensions, le diamètre du col étant de l'ordre de 10 à 30 cm. Ce n'est plus le cas dans l'industrie du dessalement d'eau de mer, qui utilise des thermocompresseurs de grandes dimensions et dont le diamètre du col peut atteindre par exemple 1 mètre. Un faible rendement pour de tels thermocompresseurs entraîne des surcoûts énergétiques importants, et donc également des émissions de CO2 inutiles. Il existe donc un besoin d'optimiser le fonctionnement d'un thermocompresseur, notamment des thermocompresseurs utilisés dans des installations de dessalement d'eau de mer, afin d'en améliorer le rendement et de limiter la consommation énergétique.
A cet effet, la demanderesse a mis au point un thermocompresseur pouvant être facilement contrôlé de manière optimale, et notamment de manière automatisée. Ce thermocompresseur est équipé d'un dispositif de mesure consistant en une ligne de prises de température, pouvant par exemple être réalisée par des thermocouples, qui est fixée sur une des génératrices du thermocompresseur. Cette ligne s'étend de la fin du col à la première partie du divergent suivant la direction d'écoulement du fluide. La lecture des mesures permet de mettre en évidence une variation soudaine de température et permet donc de localiser l'onde de choc. Un système de contrôle peut alors localiser l'onde de choc, et en fonction de données préenregistrées, peut déterminer si le fonctionnement du thermocompresseur est optimal ou non. A défaut il fait modifier légèrement les consignes de pression motrice ou de température d'aspiration, de façon à amener progressivement l'onde de choc en position optimale. Cette optimisation se fait de préférence en respectant le débit de production (consigne de pression de vapeur motrice) demandé par le client.
Un premier objet de l'invention concerne donc un thermocompresseur comprenant : - une tuyère d'entrée d'un fluide primaire sous pression, - une entrée d'un fluide secondaire à basse pression, - une zone de mélange des fluides primaire et secondaire, ladite zone de mélange comprenant une partie de col cylindrique et un divergent situé en aval de la partie de col cylindrique.
Le thermocompresseur selon l'invention comprend en outre un dispositif de détection agencé pour détecter le long d'une génératrice du thermocompresseur la position d'une onde de choc formée au sein du thermocompresseur par la transition entre un écoulement amont supersonique et un écoulement aval subsonique. La génératrice du thermocompresseur s'étend par exemple en partie le long de la partie de col et du divergent.
La position et la longueur de cette génératrice pourront être déterminées pour que, lors du fonctionnement du thermocompresseur, l'onde de choc soit toujours située dans la zone de détection du dispositif de détection. Par exemple, cette génératrice pourra s'étendre depuis la moitié de la partie de col jusqu'à la moitié du divergent. Une longueur plus courte ou plus longue de la génératrice pouvant bien entendu être envisagée, pourvu que le dispositif de détection puisse détecter le saut de température pour toute condition de fonctionnement du compresseur.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de détection est un dispositif de mesure de températures. La détection peut ainsi être réalisée de manière très simple, un saut de température se produisant au niveau de l'onde de choc.
Avantageusement, le dispositif de mesure sera agencé pour détecter le long de la génératrice un saut de température de 5 à 15°C.
Le dispositif de mesure peut être agencé pour assurer une prise de température, le long de la génératrice, à des intervalles espacés d'une distance de 0,05 à 0,30 fois la valeur du diamètre de la partie de col, de préférence d'une valeur de 0,10 à 0,25 fois la valeur du diamètre du col. Par exemple, ces intervalles peuvent être espacés d'une distance égale à 1/5 du diamètre de la partie de col. De tels intervalles sont généralement suffisants pour permettre de localiser la position du saut de température le long de la génératrice. Le dispositif de détection comprendra par exemple une pluralité de capteurs, tels que des thermocouples, disposés le long de la génératrice, généralement sur la paroi externe du thermocompresseur.
On peut bien entendu utiliser tout autre type de capteur apte à localiser l'onde de choc au sein du thermocompresseur.
Le dispositif de détection peut également comprendre des moyens de couplage à des moyens de lecture et/ou d'acquisition des températures mesurées. Il est ainsi possible de suivre aisément la position du saut de température, et donc de l'onde de choc au sein du thermocompresseur selon l'invention, et d'en déduire si le fonctionnement du thermocompresseur est optimal, notamment en termes de rendement par exemple par rapport à la consommation de vapeur dans le cas d'un thermocompresseur utilisé dans une installation de dessalement.
Ce fonctionnement optimal sera notamment obtenu en contrôlant le thermocompresseur de sorte que l'onde de choc soit positionnée au plus près de la sortie du col. La vitesse d'entrée de l'écoulement dans l'onde de choc étant plus faible à proximité de la sortie du col que plus loin en aval dans le divergeant, on observe une amélioration du rendement de compression de l'onde de choc lorsque cette dernière est située au plus près de la sortie du col. L'entrée de l'onde de choc dans la zone instable du col pourra être évitée par un contrôle suffisamment fréquent de la position de l'onde de choc pour pouvoir modifier les paramètres de fonctionnement du thermocompresseur en conséquence. En outre, le dispositif de détection peut être facilement et rapidement mis en place sur des thermocompresseurs existants, sans nécessiter de changement des thermocompresseurs en service.
Un autre objet de l'invention concerne un système de contrôle d'un thermocompresseur selon l'invention, comprenant - des moyens de régulation d'au moins un paramètre de fonctionnement du thermocompresseur, - des moyens d'acquisition des données mesurées par le dispositif de mesure du thermocompresseur, - des moyens de commande des moyens de régulation, - un système de traitement des données acquises par les moyens d'acquisition, relié aux moyens de commande, le système de contrôle étant configuré pour : - localiser une onde de choc au sein du thermocompresseur au moyen des données mesurées par le dispositif de détection, - comparer la position de cette onde de choc par rapport à une position optimale d'une onde de choc correspondant à un fonctionnement optimal du thermocompresseur, puis - commander les moyens de régulation afin de modifier au moins un paramètre de fonctionnement du thermocompresseur pour rapprocher la position de l'onde de choc de la position optimale. Notamment, les opérations de localisation et de comparaison pourront être mises en oeuvre par le système de traitement, par exemple un ordinateur (ou un processeur) programmé de manière appropriée, ce système étant configuré pour commander les moyens de régulation via les moyens de commande afin de déplacer l'onde de choc en direction de la position optimale. En particulier, les moyens de régulation pourront être agencés pour assurer la régulation d'au moins un paramètre choisi parmi la température d'aspiration, la pression de fluide moteur. La température d'aspiration est définie comme étant la température dans la zone d'arrivée du fluide secondaire (par exemple la vapeur aspirée) avant son entrée dans le thermocompresseur. Dans le cas d'une installation de dessalement d'eau de mer, la température de cette zone est peut être contrôlée par un condenseur, par exemple alimenté en eau de mer. La température d'aspiration est alors régulée en ajustant le débit d'eau de mer entrant dans le condenseur. La pression du fluide moteur, de la vapeur motrice dans le cas d'une installation de dessalement, pourra être contrôlée au moyen d'une vanne de contrôle classique du débit de fluide moteur.
Les moyens d'acquisition des données peuvent comprendre une mémoire, par exemple une mémoire RAM (de l'anglais « Random Access Memory »).
Les moyens d'acquisition, le système de traitement et/ou les moyens de commande peuvent être intégrés dans un processeur, par exemple un microcontrôleur. Le thermocompresseur et le système de contrôle décrits ci-dessus seront avantageusement utilisés dans une installation de35 dessalement d'eau de mer, dans laquelle les fluides primaire et secondaire sont de la vapeur d'eau. Toutefois, ils pourraient également être mis en oeuvre pour un thermocompresseur fonctionnant avec tout type de fluide.
Un autre objet de l'invention concerne une installation de dessalement d'eau de mer comprenant au moins un thermocompresseur et au moins un système de contrôle tels que définis ci-dessus, dans laquelle les fluides primaire et secondaire sont de la vapeur d'eau. Cette installation pourra être une installation de dessalement d'eau de mer par distillation à effets multiples, notamment avec recyclage de la vapeur d'eau par compression, de type classique ou du type décrit par la demanderesse dans les demandes WO2005/ 105255 ou WO2005/ 100252, incorporées par référence.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé de contrôle du fonctionnement d'un thermocompresseur tel que décrit ci-dessus au moyen d'un système de contrôle tel que décrit ci-dessus, dans lequel, en cours de fonctionnement du thermocompresseur, on effectue les opérations suivantes : - (i) localiser une onde de choc au sein du thermocompresseur au moyen des données mesurées par le dispositif de détection, - (ii) comparer la position de cette onde de choc par rapport à une position optimale d'une onde de choc correspondant à un fonctionnement optimal du thermocompresseur, puis - (iii) commander les moyens de régulation afin de modifier au moins un paramètre de fonctionnement du thermocompresseur pour rapprocher la position de l'onde de choc de la position optimale.
Avantageusement, les opérations (i), (ii), (iii) seront effectuées de manière itérative, à intervalles de temps prédéterminés. En particulier, ces intervalles de temps seront suffisamment rapprochés pour éviter que l'onde de choc n'entre dans la zone instable de la partie de col. L'opération (iii) de commande pourra être mise en oeuvre afin de maintenir la pression du fluide moteur alimentant le thermocompresseur à une valeur de consigne. Ceci permet, en particulier de garantir une production constante du thermocompresseur. Notamment, lorsque le thermocompresseur fait partie d'une installation de dessalement d'eau de mer produisant de l'eau douce, l'opération (iii) de commande est mise en oeuvre de sorte à maintenir la production d'eau douce à une valeur de consigne. Le procédé selon l'invention permet d'optimiser le fonctionnement d'un thermocompresseur, ce qui permet de réduire sa consommation énergétique ainsi que les émissions de CO2. En particulier, dans le cas de la mise en oeuvre de ce procédé de contrôle pour le contrôle d'un thermocompresseur d'une installation de dessalement, on estime un gain en termes de rendement (par rapport à la consommation de vapeur motrice) de 3 à 5 points, ce qui est considérable pour ce type d'installation.
L'invention est maintenant décrite en référence au dessin annexé, non limitatif, lequel représente un exemple de thermocompresseur selon un mode de réalisation de l'invention, partiellement en coupe au niveau de la tuyère, et son système de contrôle schématisé. Le thermocompresseur 10 représenté comprend : - une tuyère d'entrée 12 d'un fluide primaire sous pression, - une entrée 14 d'un fluide secondaire à basse pression, - une zone de mélange 16 des fluides primaire et secondaire, ladite zone de mélange 16 comprenant une partie de col cylindrique 18 et un divergent 20 situé en aval de la partie de col cylindrique 18 La zone de mélange comprend en outre, en amont de la partie de col 18, un convergent 22. Les termes amont et aval sont employés par rapport à la direction d'écoulement du fluide dans le thermocompresseur. Le thermocompresseur selon le mode de réalisation représenté comprend en outre un dispositif de mesure de températures 24 agencé pour mesurer les températures le long d'une génératrice du thermocompresseur.
Ce dispositif de mesure comprend par exemple une pluralité de thermocouples répartis régulièrement le long d'une génératrice depuis la moitié de la partie de col 18 jusqu'à la moitié du divergent 20, tel que représenté sur la figure.
Les thermocouples seront fixés par tout moyen adapté sur la surface externe du thermocompresseur afin de pouvoir mesurer la température de la paroi du compresseur et détecter le saut de température dû à l'onde de choc au sein du thermocompresseur. Le dispositif de mesure 24 du thermocompresseur est également relié à des moyens d'acquisition 32, lesquels vont enregistrer et stocker les températures mesurées par le dispositif de mesure. Les données enregistrées sont transmises à un système de traitement 34, lequel est relié à des moyens de commande 36 de moyens de régulation 38 d'un ou plusieurs paramètres de fonctionnement du thermocompresseur, par exemple une température d'aspiration et/ ou une pression de fluide moteur. Les moyens d'acquisition 32, le système de traitement 34, les moyens de commande 36 et les moyens de régulation 38 font partie d'un système de contrôle 30 du thermocompresseur. Ce système de contrôle 30 est configuré pour effectuer les opérations suivantes : - (i) localiser une onde de choc au sein du thermocompresseur au moyen des températures mesurées par le dispositif de mesure, - (ii) comparer la position de cette onde de choc par rapport à une position optimale d'une onde de choc correspondant à un fonctionnement optimal du thermocompresseur, puis - (iii) commander les moyens de régulation afin de modifier au moins un paramètre de fonctionnement du thermocompresseur pour rapprocher la position de l'onde de choc de la position optimale.
Le système de traitement 34 sera notamment configuré pour mettre en oeuvre les opérations (i) et (ii) et pour fournir les informations nécessaires aux moyens de commande 36 pour la mise en oeuvre de l'opération (iii). Ce système de contrôle 30 peut éventuellement contrôler d'autres éléments d'une installation dans laquelle est intégré le thermocompresseur contrôlé, ou être intégré dans un système de contrôle d'une telle installation.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Thermocompresseur (10) comprenant - une tuyère d'entrée (12) d'un fluide primaire sous pression, - une entrée (14) d'un fluide secondaire à basse pression, - une zone de mélange (16) des fluides primaire et secondaire, ladite zone de mélange comprenant une partie de col cylindrique (18) et un divergent (20) situé en aval de la partie de col cylindrique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de détection (24) agencé pour détecter le long d'une génératrice du thermocompresseur la position d'une onde de choc formée au sein du thermocompresseur par la transition entre un écoulement amont supersonique et un écoulement aval subsonique.
  2. 2. Thermocompresseur (10) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de détection est un dispositif de mesure de températures (24).
  3. 3. Thermocompresseur selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le dispositif de mesure est agencé pour détecter le long de la génératrice un saut de température de 5 à 15°C.
  4. 4. Thermocompresseur selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel le dispositif de mesure est agencé pour assurer une prise de température le long de la génératrice à des intervalles espacés d'une distance de 0,05 à 0,30 fois la valeur du diamètre de la partie de col, de préférence d'une valeur de 0,10 à 0,25 fois la valeur du diamètre de la partie de col.
  5. 5. Système de contrôle (30) d'un thermocompresseur selon l'une des revendications précédentes, comprenant - des moyens de régulation (38) d'au moins un paramètre de fonctionnement du thermocompresseur, - des moyens d'acquisition (32) des données mesurées par le dispositif de détection, - des moyens de commande (36) du système de régulation,- un système de traitement (34) des données acquises par les moyens d'acquisition, relié aux moyens de commande, le système de contrôle étant configuré pour : localiser une onde de choc au sein du thermocompresseur au moyen des données mesurées par le dispositif de détection, - comparer la position de cette onde de choc par rapport à une position optimale d'une onde de choc correspondant à un fonctionnement optimal du thermocompresseur, puis - commander les moyens de régulation afin de modifier au moins un paramètre de fonctionnement du thermocompresseur pour rapprocher la position de l'onde de choc de la position optimale.
  6. 6. Système de contrôle (30) selon la revendication 5, dans lequel les moyens de régulation sont agencés pour assurer la régulation d'au moins un paramètre choisi parmi la température d'aspiration, la pression de fluide moteur.
  7. 7. Installation de dessalement d'eau de mer comprenant au moins un thermocompresseur (10) selon l'une des revendications 1 à 4 et au moins un système de contrôle (30) selon l'une des revendications 5 ou 6, dans laquelle les fluides primaire et secondaire sont de la vapeur d'eau.
  8. 8. Procédé de contrôle du fonctionnement d'un thermocompresseur selon l'une des revendications 1 à 4 au moyen d'un système de contrôle selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel, en cours de fonctionnement du thermocompresseur, on effectue les opérations suivantes : - (i) localiser une onde de choc au sein du thermocompresseur au moyen des données mesurées par le dispositif de détection, - (ii) comparer la position de cette onde de choc par rapport à une position optimale d'une onde de choc correspondant à un fonctionnement optimal du thermocompresseur, puis - (iii) commander les moyens de régulation afin de modifier au moins un paramètre de fonctionnement du thermocompresseur pour rapprocher la position de l'onde de choc de la position optimale.
  9. 9. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les opérations (i), (ii), (iii) sont effectuées de manière itérative, à intervalles de temps prédéterminés.
  10. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel, lorsque le thermocompresseur fait partie d'une installation de dessalement d'eau de mer produisant de l'eau douce, l'opération (iii) de commande est mise en oeuvre de sorte à maintenir la production d'eau douce à une valeur de consigne.
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