FR2983901A1 - Installation thermique de production d' electricite - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une installation thermique (10) de production d'électricité par combustion, comprenant une chaudière (12), un circuit de vapeur d'eau (13) sur lequel sont disposés un générateur de vapeur (22), au moins deux turbines de détente de la vapeur (14a, 14b), l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un circuit de surchauffe (20) pour la circulation d'un fluide caloporteur (f) choisi parmi les huiles thermiques, les sels fondus et les métaux liquides, le circuit de surchauffe (20) étant en échange thermique avec la chaudière (12) au niveau d'un premier échangeur (21), et avec le circuit de vapeur (13) au niveau d'au moins un échangeur de surchauffe (31) disposé entre les première et deuxième turbines (14a, 14b), l'échangeur de surchauffe (31) assurant une montée en température de la vapeur d'eau à pression constante. L'invention concerne également un dispositif d'amélioration des performances d'une installation thermique et un procédé à cet effet.
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne une installation thermique améliorée de production d'électricité, en particulier à partir de biomasse ou de 5 déchets. ETAT DE L'ART Le terme de biomasse regroupe l'ensemble des matières 10 organiques pouvant devenir des sources d'énergie. Ces matières organiques qui proviennent des plantes sont une forme de stockage de l'énergie solaire, captée et utilisée par les plantes grâce à la chlorophylle. Utilisée soit directement, soit après des transformations chimiques comme une méthanisation, la biomasse libère de l'énergie thermique en brulant. 15 Dans le cas d'une centrale à biomasse (ou à tout autre combustible), cette énergie thermique est classiquement convertie en électricité via une turbine et un alternateur changeant l'état d'un fluide diphasique suivant le « cycle de Rankine » : - compression d'un fluide liquide (à une température typique de 20 40 à 100°C) - chauffage puis évaporation de ce liquide par contact avec une « source chaude », - éventuellement surchauffe de la vapeur produite, - détente de cette vapeur dans la turbine, produisant une 25 énergie mécanique, - condensation de la vapeur au niveau d'une « source froide ». Eventuellement, un échangeur supplémentaire permet de préchauffer le liquide comprimé avec la chaleur de la vapeur sortant de la turbine. 30 Thermodynamiquement parlant, l'énergie mécanique produite par l'expansion de la vapeur est de la forme I P - dV .
Il est donc clair que l'on a intérêt à travailler à la pression la plus élevée et de maximiser l'expansion de volume de la vapeur. Pour ce faire, on a intérêt à travailler - pour le même niveau de pression - à une température la plus élevée possible (car PV = nRT , donc augmenter la température augmente le volume), ce qui est cohérent avec le principe de Carnot : plus on va haut en température, plus on peut produire d'énergie mécanique Partant de ces données, le cycle de la vapeur d'eau est traditionnellement utilisé depuis le XIXe siècle et reste très majoritairement utilisé pour les centrales thermiques de grande taille, c'est-à-dire les unités de puissance électrique supérieure à 10 MWé. L'eau est en effet un fluide offrant un rendement particulièrement élevé. Cependant, la détente de la vapeur d'eau juste « saturée » (i.e. à sa 15 température d'ébullition, pour la pression donnée, sans « surchauffe ») a la particularité de générer quasi-immédiatement un début de condensation de la vapeur. Cette condensation a deux effets gênants : - l'eau à l'état liquide ne contribue plus à fournir du travail de 20 détente dans la suite de la turbine, - la présence de gouttelettes d'eau est un facteur critique d'érosion mécanique des aubes qui sont percutées, et de vibrations sur l'arbre. C'est pourquoi il est recommandé de surchauffer la vapeur d'eau de 25 façon à limiter ces phénomènes aux derniers étages de la turbine (dite alors « à condensation »), mais cela limite sans enlever totalement les contraintes de condensation de ces gouttelettes d'eau. Dans ces grandes chaudières, la vapeur est ainsi comprimée à forte pression (90 à 110 bar, voire au-delà de 220 bar demain avec des cycles 30 supercritiques) et surchauffée jusqu'à 520°C, voire 600°C en supercritique. Assurer correctement la surchauffe de la vapeur est néanmoins complexe dans les centrales à combustion. La chaleur est en effet apportée via les fumées de combustion, et au vu des faibles transferts thermiques entre deux gaz, chauffer au-delà de 300/350°C la vapeur implique de la faire passer dans les zones les plus chaudes de la chaudière. Les risques de surchauffe et corrosion locales nécessitent l'emploi d'une forte épaisseur de métaux onéreux et mauvais conducteurs de chaleur pour réaliser l'échangeur thermique, qui voit son coût démultiplié. A partir de 25 bar, on passe d'une technologie de chaudières vapeur dites « à tube de fumées » (la fumée chaude de combustion passe dans des tubes entourés par l'eau qui va bouillir) à une technologie dite à « tubes d'eau » (l'eau bout dans des échangeurs tubulaires qui sont chauffés par les fumées qui circulent autour). Un ballon d'eau situé au-dessus des tubes d'eau contient de l'eau liquide qui « tombe » naturellement par gravité dans les tubes. La vapeur formée retourne dans le haut de ce ballon. Cela permet une circulation naturelle aisée de l'eau. Cette technologie est encore plus chère que celle des tubes de fumées. Afin d'accroître le rendement électrique de ces chaudières, il est connu que l'on peut extraire la vapeur d'eau « un peu avant » qu'elle commence à se condenser et la renvoyer à la chaudière pour la remonter de manière isobare à une température plus élevée et ainsi pouvoir subir une nouvelle détente sans condenser, et avec une meilleure performance du rendement électrique. Cependant, cette manière de faire efficace (dénommée « resurchauffe ») souffre des mêmes problèmes de coût que la surchauffe. Elle n'est utilisée par conséquent utilisée qu'au-delà d'une puissance globale de 20 MWé pour lesquels le surcoût de cette option est justifié par le gain de rendement électrique qu'elle apporte. D'autre part, ces chaudières qui nécessitent de grand volumes d'eau à haute pression présentent des risques importants d'explosion du fait de leur pressions très élevées et sont soumises à des réglementations et des contraintes (épaisseurs d'acier, nombreux paramètres à surveiller, etc.) d'autant plus onéreuses que les volumes à considérer sont très importants.
Un dernier point qui peut encore augmenter le prix d'exploitation de ces chaudières est qu'elles sont généralement utilisées en « cogénération » c'est à dire que de la vapeur ou de l'eau chaude est envoyée vers un utilisateur de chaleur. Ces réseaux « secondaires » sont généralement source de pollutions (minéraux, oxygène, sels, etc.) et de fuites d'eau hors du réseau, d'autant plus inacceptables que la turbine est à pression élevée. Il faut donc prévoir un traitement de l'eau d'appoint qui est onéreux (par exemple déminéralisation, bâches de dégazage).
Du fait de toutes ces sources de coût, la vapeur d'eau n'est utilisée que pour des installations au-delà de 5 MWé de puissance, pour lesquelles une augmentation du rendement de quelques pourcents suffit à rentabiliser un investissement initial élevé (sauf bien entendu, dans les cas où - pour d'autres raisons liées aux besoins process - l'utilisateur a de toutes façons besoin de produire de la vapeur à haute pression, et la production d'électricité devenant un « plus » à coût marginal). Mais pour des puissances inférieures (installations de moyenne taille (quelques MWé) et petite taille (quelques centaines de kWé)), une autre technologie moins performante mais nettement moins chère s'est imposée, à savoir l'ORC (« Organic Rankine Cycle », en français Cycle de Rankine Organique). Le cycle de ces ORC est le même que l'eau, mais les fluides utilisés (toluène, siloxanes, etc.) ont la particularité de présenter une température d'ébullition maximale (point critique) sensiblement inférieure à celle de l'eau (377°C). Cela limite leur utilisation à des niveaux de température plus faible, et donc limite leur efficacité, mais permet une détente à partir de la saturation qui laisse la vapeur en phase gazeuse, sans condenser, évitant ainsi les problèmes de gouttes, mais nécessitant - pour un meilleur rendement - de récupérer l'énergie sensible des gaz chauds après la détente pour préchauffer le fluide liquide qui sort du condenseur et doit être réchauffé avant d'être évaporé. Ces fluides sont toujours des combustibles et leur ébullition est sous une pression supérieure à 15 bar. Il est donc hors de question de les envoyer directement être chauffés / vaporisés dans la chaudière afin d'éviter tout risque d'explosion incendiaire, et on doit passer par un échangeur intermédiaire. Cela réduit encore le rendement.
Ces procédés ORC sont donc comme expliqué majoritaires dans la gamme de puissance allant de 100 kWé à 2 MWé, car moins onéreux qu'une solution vapeur, malgré un rendement électrique moindre. Ils sont proposés sous formes de « modules » préfabriqués en usine qui se branchent rapidement et aisément sur les circuits des sources chaude et froide, ce qui est un avantage organisationnel. Ces modules se trouvent un peu partout, le plus souvent à proximité d'usines générant des déchets organiques telles des scieries. La biomasse est en effet une ressource abondante mais dispersée, c'est pourquoi elle se prête bien à une utilisation locale en petites unités. Le recours aux seules installations efficaces énergétiquement (celles de grande puissance) nécessite de transporter la biomasse sur de grandes distances en camion, ce qui engendre des contraintes logistiques et pose de gros handicaps environnementaux. Le même raisonnement est valable pour une autre source d'énergie largement utilisée, à savoir les déchets ménagers. Il est souhaitable de mettre leur destruction en oeuvre par de nombreux petits et moyens incinérateurs situés à proximité des différentes zones urbaines plutôt que de transporter ces déchets en camion sur de grandes distances. Ces incinérateurs sont très répandus et produisent souvent de l'électricité par des chaudières et turbine à vapeur d'eau, mais sont souvent limités en température de surchauffe par des contraintes de corrosion dans la chaudière (présence de chlore, soufre, et autres éléments réactifs dans les ordures ménagères entraînant la formation de fumées acides).
Il serait donc très intéressant de pouvoir améliorer le rendement électrique des installations à combustion de petite et moyenne taille, sans augmenter leur coût.
PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention vise à bénéficier des avantages thermodynamiques d'un cycle à vapeur d'eau à des niveaux de puissance trop bas pour être économiquement rentables aujourd'hui, tout en permettant une production d'électricité en modules indépendants comme les ORC, mais avec une meilleure efficacité électrique. A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect une installation thermique de production d'électricité par combustion, comprenant une chaudière, un circuit de vapeur d'eau sur lequel sont disposés un générateur de vapeur, au moins deux turbines de détente de la vapeur dont une première turbine et une deuxième turbine, au moins un compresseur de liquide et au moins un condenseur, un générateur électrique étant entraîné par les turbines, au moins une partie de la vapeur d'eau détendue dans la première turbine étant détendue une deuxième fois dans la deuxième turbine, l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un circuit de surchauffe pour la circulation d'un fluide caloporteur choisi parmi les huiles thermiques, les sels fondus et les métaux liquides, le circuit de surchauffe étant en échange thermique avec la chaudière au niveau d'un premier échangeur, et avec le circuit de vapeur au niveau d'au moins un échangeur de surchauffe disposé entre les première et deuxième turbines, l'échangeur de surchauffe assurant une montée en température de la vapeur d'eau à pression constante.
L'installation selon l'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - la pression de vapeur d'eau dans le circuit en entrée de la deuxième 30 turbine est comprise entre 1 et 13 bar absolus ; - le circuit de surchauffe est en outre en échange thermique avec le circuit de vapeur au niveau d'un deuxième échangeur disposé en entrée du générateur de vapeur de sorte à préchauffer l'eau liquide issue du compresseur, le fluide caloporteur circulant successivement dans l'échangeur de surchauffe puis dans le deuxième échangeur ; - le circuit de vapeur comprend deux branches de condensation en parallèle entre la sortie de la dernière turbine et l'entrée du générateur de vapeur, un condenseur étant disposé sur chacune des branches de condensation du circuit de vapeur et le fluide assurant le transport de l'énergie de condensation circulant successivement dans chacun des condenseurs ; - l'installation comprend en outre une bâche de réchauffage des condensats disposée sur le circuit de vapeur d'eau en sortie du condenseur, au moins une partie de la vapeur d'eau en sortie de la première turbine étant extraite avant de circuler dans le quatrième échangeur et réinjectée au niveau de la bâche de dégazage via au moins une branche intermédiaire du circuit ; - l'installation comprend deux branches intermédiaires, un troisième échangeur étant disposé sur l'une des branches intermédiaires ; - le circuit de surchauffe est en échange thermique avec un conduit d'évacuation des fumées de combustion issue de la chaudière de sorte à préchauffer au moins une partie du fluide caloporteur avant son entrée dans 20 le premier échangeur ; - l'échangeur de surchauffe disposé entre les première et deuxième turbines est un premier échangeur de surchauffe, le circuit de surchauffe étant en outre en échange thermique avec le circuit de vapeur au niveau d'un deuxième échangeur de surchauffe disposé entre le générateur de 25 vapeur et l'entrée de la première turbine ; - le générateur de vapeur est un échangeur au niveau duquel le circuit de surchauffe est en échange thermique avec le circuit de vapeur, le fluide caloporteur circulant successivement dans le deuxième échangeur de surchauffe puis dans le générateur de vapeur ; 30 - l'installation comprend en outre un troisième échangeur de surchauffe disposé sur le circuit de vapeur entre le deuxième échangeur de surchauffe et l'entrée de la première turbine, le troisième échangeur de surchauffe étant en échange thermique avec une chaudière supplémentaire adaptée pour la combustion d'un hydrocarbure fossile ; - le circuit de surchauffe comprend une branche principale de surchauffe et une branche auxiliaire de surchauffe, le deuxième échangeur de 5 surchauffe étant disposé sur la branche principale et le premier échangeur de surchauffe étant disposé sur la branche auxiliaire ; - l'installation est adaptée à une production d'électricité seule, et comprend en outre des moyens de dissipation de chaleur, les moyens de dissipation de chaleur étant en communication thermique avec le 10 condenseur, la branche auxiliaire de surchauffe prélevant une partie du fluide caloporteur se séparant de la branche principale de surchauffe entre le premier échangeur et le deuxième échangeur de surchauffe ; - l'installation est adaptée à une cogénération, et comprend en outre des moyens de valorisation de chaleur, les moyens de valorisation de chaleur 15 étant en communication thermique avec le condenseur, la branche auxiliaire de surchauffe se séparant de la branche principale de surchauffe en sortie du générateur de vapeur ; - l'installation est adaptée à une production cogénération avec extraction de chaleur intermédiaire, et comprend en outre des moyens de dissipation 20 de chaleur et des moyens de valorisation de chaleur, les moyens de dissipation de chaleur étant en communication thermique avec le condenseur, les moyens de dissipation de chaleur étant en communication thermique avec le troisième échangeur ; - l'installation est adaptée à la consommation de biomasse et/ou de 25 déchets. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un dispositif d'amélioration des performances d'une installation thermique de production d'électricité par combustion comprenant une chaudière, un circuit de vapeur 30 d'eau sur lequel sont disposés un générateur de vapeur, au moins deux turbines de détente de la vapeur dont une première turbine et une deuxième turbine, un compresseur de liquide et un condenseur, un générateur électrique étant entraîné par les turbines, au moins une partie de la vapeur d'eau détendue dans la première turbine étant détendue une deuxième fois dans la deuxième turbine, le dispositif étant caractérisée en ce qu'il comprend un circuit de surchauffe pour la circulation d'un fluide caloporteur choisi parmi les huiles thermiques, les sels fondus et les métaux liquides, le circuit de surchauffe étant en échange thermique avec la chaudière au niveau d'un premier échangeur, et avec le circuit de vapeur au niveau d'au moins un échangeur de surchauffe disposé entre les première et deuxième turbines, l'échangeur de surchauffe assurant une montée en température de la vapeur d'eau à pression constante.
Selon un troisième aspect, l'invention concerne enfin un procédé de transfert thermique suivant un cycle thermodynamique dit « Rankine » mis en oeuvre par une installation thermique de production d'électricité comprenant un circuit de vapeur d'eau sur lequel sont disposés au moins deux turbines de détente de vapeur dont une première turbine et une deuxième turbine, un condenseur, un compresseur de liquide, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de : - chauffage au niveau d'un premier échangeur thermique d'un fluide caloporteur choisi parmi les huiles thermiques, les sels fondus et les métaux 20 liquides à une température supérieure à 300°C ; - évaporation d'eau liquide en vapeur d'eau dans le circuit au niveau d'un générateur de vapeur-; - surchauffe de la vapeur-; - détente de la vapeur d'eau surchauffée dans la première turbine ; 25 - resurchauffe d'au moins une partie la vapeur sortant de la première turbine au niveau d'un échangeur de surchauffe dans lequel circule le fluide caloporteur (f) chaud. - détente de la vapeur d'eau resurchauffée dans la deuxième turbine. - condensation de la vapeur d'eau en eau liquide dans le condenseur ; 30 - compression de l'eau liquide par le compresseur. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation basique d'une 5 installation thermique selon l'invention ; - la figure 2a est un schéma d'une première configuration d'un mode de réalisation préféré d'une installation thermique selon l'invention ; - la figure 2b est un schéma d'une deuxième configuration d'un mode de réalisation préféré d'une installation thermique selon l'invention ; 10 - la figure 2c est un schéma d'une troisième configuration d'un mode de réalisation préféré d'une installation thermique selon l'invention ; - la figure 3 est un schéma d'une variante de la première configuration d'un mode de réalisation préféré d'une installation thermique selon l'invention ; - la figure 4a est un schéma d'un mode de réalisation du circuit de vapeur 15 d'une installation thermique selon l'invention ; - la figure 4b est un schéma d'un autre mode de réalisation du circuit de vapeur d'une installation thermique selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE 20 Structure générale L'invention vise à permettre à des installations de petite et moyenne taille d'accès à des technologies de vapeur d'eau surchauffée, détendue 25 puis resurchauffée, aujourd'hui à un coût prohibitif. Le marché principal est celui des petites et moyennes installations à biomasse ou incinérateurs produisant de l'électricité, soit par cogénération, soit en production électrique pure, sans valorisation de la chaleur dégagée au condenseur. Un mode de réalisation basique d'une installation thermique 10 de 30 production d'électricité par combustion selon l'invention est représenté sur la figure 1. Comme toute centrale thermique, l'installation thermique 10 comprend une chaudière 12 (par « chaudière » on comprendra la totalité du système de combustion, lequel inclut les bruleurs, un foyer où se produit la réaction d'oxydation du combustible avec de l'air, produisant des fumées à température élevées, et les moyens de récupération de chaleur de combustion qui seront décrits plus loin), un circuit de vapeur d'eau 13 sur lequel sont disposés un générateur de vapeur 22, au moins deux turbines de détente de la vapeur 14a et 14b, un compresseur de liquide 15, un condenseur 16 et un générateur électrique 140 entraîné par les turbines 14a et 14b. Avoir plus d'une turbine de détente est une technique couramment utilisée pour récupérer au mieux l'énergie mécanique de la vapeur : celle-ci est détendue autant de fois qu'il y a de turbines, celles-ci étant mécaniquement reliées, par exemple par un axe commun. Dans l'installation selon l'invention, la vapeur est détendue une première fois dans une première turbine, puis au moins une partie de la vapeur sortant de la première turbine 14a est redétendue dans une deuxième turbine 14b. L'invention n'est pas limitée à deux turbines et peut en avoir bien plus. On comprendra en outre que les deux turbines 14a, 14b peuvent être deux « étages » d'une même turbine, et pas forcément deux turbines distinctes. Il faut en effet se rappeler qu'une « turbine » est un « bloc » sous pression dans lequel la vapeur passe dans des séries d'aubes fixées à ce bloc puis d'aubes fixées au rotor de la turbine qui entrent en rotation par la détente de la vapeur. Un « étage » est un couple aube fixe / aube tournante. Une turbine est à simple étage ou multi étagée. Dans une turbine la vapeur « tournoie » autour de l'axe du rotor, puis sort de la turbine dans une canalisation de transfert. L'invention, et plus particulièrement la chaudière 12, est avantageusement adaptée pour la combustion de biomasse ou de déchets (ménagers ou industriels), puisqu'il s'agit des combustibles habituellement consommés par les installations de petite et moyenne taille. Dans la suite de la présente description, par « installation de petite taille » on entendra une installation produisant moins de 1MWe (MW d'énergie électrique), et par « installation de moyenne taille », on entendra une installation produisant entre 1MWé et 5MWé. Il s'agit des gammes de puissances principalement visées. On comprendra toutefois que l'invention n'est aucunement limitée ni en puissance ni en combustible, et qu'elle pourra tout à fait s'adapter par exemple à des centrales à charbon, fioul ou gaz, bien que ces combustibles ne sont pratiquement pas utilisés à moins de plusieurs centaines de MWé. On se souviendra toutefois que l'invention est spécialement avantageuse pour les puissances électriques inférieures à 10MWé, voire inférieures à 5MWé.
En ce qui concerne le compresseur liquide 15, les turbines de détente 14a et 14b, et le condenseur 16, il s'agit de composants classiques d'une installation thermique. L'invention n'est par conséquent limitée à aucun matériel en particulier en ce qui concerne ces éléments, l'homme du métier saura les adapter. Comme il apparait sur plusieurs figures, il peut y avoir plusieurs compresseurs 15. Il apparait néanmoins intéressant (pour les installations visées par l'invention) qu'une pression d'eau liquide supérieure à 40 bar soit atteinte en sortie du compresseur (du dernier compresseur s'il y en a plusieurs). L'installation comprend également un générateur de vapeur 22 disposé sur le circuit de vapeur 13. Ce générateur de vapeur 22 permet de vaporiser l'eau liquide sous pression issue du compresseur 15. Plusieurs modes de réalisation du générateur de vapeur seront décrits dans la suite de la présente description, mais de façon basique, le générateur de vapeur peut être un simple échangeur de chaleur en prise avec la chaudière 12, comme représenté sur la figure 1. Il peut être complété d'un surchauffeur 23, qui augmente la température de la vapeur d'eau en sortie du générateur de vapeur 22. Sur la figure 1, il est situé plus près du foyer de la chaudière 12 que le générateur de vapeur 22 de façon à permettre une montée en température supérieure de la vapeur.
L'installation 10 selon l'invention comprend en outre un circuit dit « de surchauffe » 20 pour la circulation d'un fluide caloporteur f choisi parmi les huiles thermiques, les sels fondus et les métaux liquides. Tous ces fluides ont en commun d'être toujours à l'état liquide à des températures élevées (au moins 300°C, avantageusement 500°C), tout en ayant une capacité calorifique relativement élevée. On citera par exemple le sodium liquide, déjà utilisé aujourd'hui dans des applications de four solaire dans une gamme de température de 300-600°C, ou encore l'alliage plomb-bismuth. Le circuit de surchauffe 20 est en échange thermique avec la chaudière 12 au niveau d'un premier échangeur 21. Cet échangeur permet de transférer la chaleur produite par la combustion (de la biomasse par exemple) au fluide f, qui atteint avantageusement une température d'au moins 300°C. L'échangeur 21 peut être situé à l'intérieur de la chaudière 12, à proximité du foyer, ou décalé plus en aval dans le circuit de fumées. L'échangeur 21 est ainsi chauffé par échange thermique avec les gaz de combustion et éventuellement par rayonnement. Le fluide f à haute température est envoyé via le circuit de surchauffe 15 20 (lequel est éventuellement équipé d'une pompe liquide) vers un échangeur de surchauffe 31, en prise avec le circuit de vapeur 13 entre les première et deuxième turbines 14a, 14b. Cet échangeur met en oeuvre la « resurchauffe » de la vapeur, déjà mentionnée précédemment. Cette technique, communément employée 20 dans les grandes installations mais jusque-là absente des installations de taille plus modeste pour des questions de coût, consiste à remonter la vapeur en température avant de la returbiner, afin de démultiplier le travail mécanique de détente obtenu au prix d'une faible dépense thermique. L'intérêt de la resurchauffe est multiple. Cette remontée en 25 température de la vapeur d'eau se réalise à pression constante. Or à pression égale, de la vapeur plus chaude produira un travail mécanique plus important pour la même pression de sortie de la turbine. Et surtout, la resurchauffe empêche la chute de température de la vapeur qui pourrait causer le problème de condensation précoce de la 30 vapeur d'eau dans la dernière turbine 14b évoqué précédemment, et les risques associés d'endommagement de cette turbine. Il est ainsi possible de mettre encore plus d'étages de turbines, éventuellement en envisageant une pluralité d'échangeurs de surchauffe 31 mettant une oeuvre une resurchauffe de la vapeur entre chaque paire de turbines consécutives. La pression finale du dernier étage de la turbine (deuxième turbine 14b dans les exemples représentés) est celle du condenseur 16 5 (moyennant les pertes de charge) qui est fixée par la température de sortie du fluide qui évacue la chaleur latente de la vapeur, permettant à l'eau de revenir en phase liquide pour être aisément comprimée. En d'autres termes, plus la température de ce fluide sortant du condenseur 16 derrière la dernière turbine 14b est basse, plus il sera possible de condenser la vapeur 10 d'eau à pression faible, plus on pourra produire d'électricité. Mais cette augmentation de la production d'électricité est contrariée par la condensation de la vapeur. La resurchauffe permet de compenser cela puisque en partant d'une température de vapeur plus élevée à l'entrée de la turbine 14b, on produit plus d'énergie mécanique (principe de Carnot) et on 15 limite fortement, voire on élimine la condensation. Cependant, condenser à basse température la vapeur limite les possibilités de valoriser la chaleur de condensation A titre d'exemple, si l'eau de refroidissement du condenseur arrive à 80°C et sort à 100°C - avec un pincement de 10°C - la température de 20 condensation au condenseur sera de 100 + 10°C = 110°C et la pression en sortie de la dernière turbine est 1,5 bar absolu. Une fois que sa chaleur a été transmis à la vapeur d'eau via le ou les échangeurs de resurchauffe 31, le fluide caloporteur f retourne ensuite dans le premier échangeur 21 pour y être remonté en température. Au vu du 25 choix du fluide caloporteur f parmi les huiles thermiques, les sels fondus ou les métaux liquides, le fluide caloporteur f reste en permanence à l'état liquide tout le long du cycle. Il n'y a donc pas d'échange gaz/gaz comme dans les surchauffeurs décrits précédemment, mais deux échanges gaz/liquide (respectivement au niveau du premier échangeur 21, et au 30 niveau de l'échangeur de surchauffe 31), lesquels sont sensiblement plus efficaces. C'est pourquoi il n'y a pas besoin de matériel onéreux et complexe pour réaliser ces échangeurs, et les tests mis en oeuvre par la Demanderesse montrent que des simples échangeurs industriels (par exemple à plaques) apportent satisfaction pour les installations de petite et moyenne taille. Ces échangeurs industriels sont particulièrement intéressants pour leur robustesse et leur faible coût. L'installation 10 selon l'invention permet donc l'utilisation de l'eau 5 comme fluide à changement d'état dans le cycle de Rankine à n'importe quel niveau de puissance, y compris inférieur à 5 MWé, et ce à un prix égal voir inférieur à celui d'une installation ORC équivalente, tout en offrant un rendement supérieur (le cycle de la vapeur d'eau est optimal), une sécurité accrue (pas de risque d'incendie dus aux fluides organiques) et un meilleur 10 respect de l'environnement (une fuite d'eau n'est pas grave, alors que les toluène ou siloxanes des ORC sont polluants). Pour une installation 10 simple telle que celle représentée sur la figure 1, la Demanderesse a montré que le gain de rendement par rapport à une installation ORC équivalente pouvait être supérieur à 10%. 15 Deuxième surchauffeur Comme on l'a vu, le circuit de vapeur 13 peut comprendre un échangeur 23 augmentant la température de la vapeur avant le premier 20 turbinage dans la turbine 14a. Cet échangeur est en cela un surchauffeur. On note qu'il n'est pas indispensable mais améliore les performances globales de l'installation : la vapeur sortant du générateur de vapeur 22 est à un niveau de température relativement bas, et l'énergie transmise via cet échangeur 23 permet d'écarter la vapeur d'eau du point d'ébullition pour 25 éviter tout risque de condensation précoce dans la première turbine 14a, et augmenter sensiblement le travail mécanique qui peut y être collecté. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on peut alimenter cet échangeur 23 avec le fluide caloporteur f, afin de bénéficier d'un échange thermique liquide/gaz performant. Ce mode de représentation est 30 visible sur les figures 2a-c et 3. L'échangeur de surchauffe 31 est alors un premier échangeur de surchauffe, et l'échangeur 23 est un deuxième échangeur de surchauffe.
Le circuit de surchauffe 20 est ainsi en échange thermique avec le circuit de vapeur 13 entre le générateur de vapeur 22 et l'entrée de la première turbine 14 (c'est-à-dire dans la partie du circuit 13 dans laquelle l'eau sous pression vient d'être vaporisée et est remontée en température avant d'être turbinée) au niveau du deuxième échangeur de surchauffe 23. Encore plus avantageusement, le fluide f alimente également le générateur de vapeur, afin d'avoir un échange thermique liquide/liquide. Le générateur de vapeur est en effet un échangeur dans lequel la chaleur est utilisée en tant qu'enthalpie de vaporisation afin de provoquer le changement d'état de l'eau liquide sous pression provenant du condenseur 16. Sa température n'est que peu remontée. En outre, le fluide caloporteur f chaud issu du premier échangeur 21 circule avantageusement successivement dans le deuxième échangeur de surchauffe 23 puis dans le générateur de vapeur 22. L'échange thermique est donc « à contre-courant » entre le circuit de vapeur 13 et le circuit de surchauffe 20. Cela permet d'avoir la température maximale de fluide caloporteur f dans le deuxième échangeur de surchauffe 23, ce afin d'avoir la meilleure surchauffe de la vapeur d'eau, celle-ci sortant de ce surchauffeur virtuellement à la température maximale du fluide caloporteur f (avec un petit écart de 10 à 30°C). Le fluide f est par conséquent légèrement moins chaud en entrant dans le générateur de vapeur 22, mais cela n'est pas grave puisqu'une température particulièrement élevée n'est pas nécessaire pour la génération de vapeur. Le circuit de surchauffe 20 peut comprendre une pluralité de branches 30 pour l'acheminement du fluide caloporteur f chaud aux différents échangeurs. En particulier, le circuit de surchauffe 20 peut comprendre une branche principale de surchauffe 30a et une branche auxiliaire de surchauffe 30b, le deuxième échangeur de surchauffe 23 (et le cas échéant le générateur de vapeur 22) étant disposé sur la branche principale 30a et le premier échangeur de surchauffe 31 (et le cas échéant le deuxième échangeur 32) étant disposé sur la branche auxiliaire 30b, ces branches étant disposées l'une par rapport à l'autre selon diverses configurations qui seront décrites plus loin.
On note que la branche principale 30a assure la surchauffe, et la branche auxiliaire 30b assure la resurchauffe, pour laquelle moins d'énergie est à priori nécessaire. Le débit de la branche auxiliaire 30b est donc inférieur au débit de la branche principale 30a.
Améliorations supplémentaires Les figures 2a-c représentent trois configurations de marché particulièrement préférées qui seront décrites plus loin. Ces trois variantes 10 comprennent un certain nombre de caractéristiques avantageuses qui améliorent l'efficacité de l'installation. Tout d'abord, si la chaudière 12 comprend un conduit 11 d'évacuation des fumées de combustion, le circuit principal 20 est avantageusement en échange thermique avec le conduit 11 de sorte à 15 préchauffer au moins une partie du fluide caloporteur f avant son entrée dans le premier échangeur 21. En effet, chauffer ce fluide à température élevée fait que les fumées sortent dans ce conduit 11 à des températures supérieures à 250 / 300°C et ont encore une importante quantité d'énergie valorisable. 20 La mise en échange thermique du circuit principal 20 - avec un fluide f à température plus faible (comme nous le verrons plus loin) permet ainsi de valoriser cette énergie des fumées en préchauffant le fluide caloporteur, ce qui permet d'économiser d'autant le combustible. Par ailleurs, sachant que le fluide caloporteur f est encore à une 25 température élevée en sortie du premier échangeur de surchauffe 31 où la resurchauffe est mise en oeuvre, le circuit auxiliaire est avantageusement d'autre part en échange thermique avec le circuit de vapeur d'eau en amont du générateur de vapeur 22 au niveau d'un deuxième échangeur 32. Ce deuxième échangeur permet de préchauffer l'eau liquide mise sous 30 pression par le compresseur 15 avant qu'elle ne soit évaporée au niveau du générateur de vapeur 22 (le générateur de vapeur). Cela permet aussi de refroidir ce fluide f de manière importante (typiquement vers 150/180°C) ce qui permettra à ce fluide f de refroidir au maximum les fumées (et donc d'exploiter au mieux cette énergie perdue sinon) au niveau du conduit 11, comme évoqué ci-dessus. Les niveaux de pression habituellement rencontrés pour la resurchauffe de la vapeur d'eau (qu'on ne retrouve actuellement que dans des installations de plus de 20MWé comme expliqué) sont compris entre 15 et 30 bars. De façon surprenante, il apparait que dans une installation selon l'invention (en particulier de petite ou moyenne taille) la pression de vapeur d'eau dans le circuit 13 en entrée du deuxième étage 14b de la turbine 14 est de façon préférée comprise entre 1 et 13 bar, selon les applications qui seront détaillées ci-dessous. Cette gamme de fonctionnement offre d'excellents résultats dans un certain nombre d'applications différentes comme il sera montré plus loin dans la présente description. Les pressions données précédemment sont des pressions absolues, donc données par rapport au vide (et non par rapport à un niveau quelconque de pression dans le circuit de vapeur 13). En complément, il est avantageusement extrait au moins une partie de la vapeur d'eau en sortie du premier étage 14a de la turbine 14 avant qu'elle circule dans le quatrième échangeur 31. Cette partie extraite de vapeur d'eau est alors réinjectée dans le circuit 13 au niveau de ce que l'on appelle une bâche de réchauffage des condensats 17. Cet élément, disposé sur le circuit de vapeur d'eau 13 en sortie du condenseur 16, utilise la chaleur de la vapeur d'eau prélevée pour préchauffer l'eau liquide à un niveau typique de 100 / 150°C, avant qu'elle ne passe dans le deuxième échangeur 32. Une bâche de dégazage des condensats, éventuellement intégrée à la bâche de réchauffage 17, peut être présente puisque comme il sera expliqué plus loin des gaz corrosifs pour l'acier (tel le dioxygène) peuvent dans certains cas se retrouver dissous dans les condensats, et doivent être éliminés pour préserver l'installation 10.
La réinjection au niveau de la bâche de réchauffage des condensats 17 de la vapeur d'eau extraite se fait via au moins une branche intermédiaire 130 du circuit 13. Cette branche 130 peut comprendre comme on le voit sur les figures 2a à 2c des moyens de réglage du débit, ce qui permet de contrôler la fraction de vapeur d'eau extraite de façon à ajuster le niveau de préchauffage des condensats. On notera qu'il peut y avoir plusieurs branches intermédiaires 130a, 130b, et notamment un troisième échangeur 18 peut être disposé sur l'une 130a des branches intermédiaires 130a, 130b. L'intérêt d'un tel troisième échangeur 18 sera expliqué plus loin. Une dernière amélioration possible (non représentée sur les figures), est la possibilité d'inclure un « régénérateur », c'est-à-dire un échangeur mettant en prise d'une part la vapeur d'eau avant son entrée dans le condenseur 16 et d'autre part l'eau liquide en sortie. Cet élément permet d'utiliser une partie de la chaleur sensible résiduelle de la vapeur pour préchauffer les condensats, ce qui est intéressant dans le cas où la vapeur a été très surchauffée avant la dernière turbine : en sortant de celle-ci, elle aura encore une température élevée, éloignée de sa température de condensation : la chaleur sensible de la vapeur d'eau transférée via le régénérateur est sauvée et le rendement de l'installation est amélioré. Vont être à présent décrites trois configurations particulièrement avantageuses de l'installation selon l'invention, chaque configuration 20 correspondant à un « marché », c'est-à-dire une utilisation et un objectif particulier. Première configuration de marché 25 Cette première configuration, représentée sur la figure 2a, correspond à une production d'électricité uniquement, sans valorisation de la chaleur de condensation. L'objectif est de produire le maximum d'électricité. Il s'agit typiquement d'installations de taille moyenne (en particulier entre 2 et 5 MWé) dédiées à l'électrification de lieux isolés, non 30 reliés au réseau public, disposant de biomasse abondante (petites villes en forêt...). La chaleur est par conséquent rejetée au milieu extérieur au niveau du condenseur 16 via des moyens de dissipation de chaleur 40, le plus souvent en contact avec une source froide « naturelle ». La température de condensation est par conséquent le plus souvent fixée par les conditions environnementales ambiantes. La source froide naturelle peut être l'air extérieur (température imposée au condenseur 16 comprise entre 0°C et 40°C) voire une rivière (température imposée au condenseur 16 comprise entre 0°C et 20°C). Au vu de ces niveaux de température, la condensation a typiquement lieu dans le condenseur 16 à une température comprise entre 20°C et 50°C, sous des pressions absolues entre 0,02 et 0,1 bar. Dans ces conditions, la pression en sortie du premier étage de la turbine 14a est avantageusement comprise comme expliqué entre 1 et 9 bar, voire entre 3 et 6 bar - dans le cas où seules deux turbines 14a, 14b sont installées. Pour maximiser l'énergie mécanique récupérée par les turbines 14a, 14b, les températures de surchauffe et resurchauffe sont les plus élevées possibles (avantageusement comprise entre 300°C et 400°C pour les niveaux de pression mentionnés). C'est pourquoi comme on le voit sur la figure 2a l'embranchement entre la branche principale 30a du circuit de surchauffe 20 de fluide caloporteur f et la branche auxiliaire 30b du circuit de surchauffe 30 est situé entre le premier échangeur 21 et le deuxième échangeur de surchauffe 23. Ainsi, le fluide f qui circule dans le premier échangeur de surchauffe 31 ou dans le deuxième échangeur de resurchauffe 23 est dans les deux cas à température maximale. La température de l'eau sortant de la bâche 17 est typiquement dans 25 une gamme de 110 à 140°C. Pour cela, un taux élevé de 80-90% de la vapeur d'eau détendue dans la première turbine 14a est avantageusement resurchauffé et returbiné en 14b. Les 10-20% restant de la vapeur d'eau sont extraits via la branche intermédiaire 130 et injectés dans la bâche 17 pour le réchauffage de l'eau 30 condensée, ce qui améliore le rendement énergétique. Le rendement d'une telle installation 10 (énergie valorisée produite/ combustible utilisé en PCI) peut atteindre 22 à 26 %, ce qui reste remarquable pour des installations de cette taille (les meilleurs cycles dépassant les 100 MWé ont des rendements qui atteignent difficilement les 35 à 40 %).
Première configuration de marché avec surchauffe supplémentaire Une limitation de l'invention est que l'utilisation de certains des fluides caloporteurs f peut avoir un coût qui s'élève rapidement si on vise des températures au-delà de 350°C voire au-delà de 400°C du fait des propriétés de ces fluides (corrosion, ébullition,...). Il serait intéressant de pouvoir néanmoins atteindre des températures de vapeur d'eau encore plus élevées. Une amélioration consiste alors à introduire la vapeur surchauffée sortant du deuxième échangeur de surchauffe 23 dans un autre échangeur, un troisième échangeur de surchauffe 24. Celui-ci est chauffé à contre-courant par les fumées de combustion d'un hydrocarbure, typiquement du gaz naturel ou du fuel, au sein d'une chaudière supplémentaire 12'. En effet, il est généralement admis qu'une installation « biomasse » puisse utiliser une petite part de combustibles fossiles.
L'utilisation d'une énergie fossile concentrée comme le gaz naturel permet d'obtenir des températures de flamme très élevées avec des fumées non corrosives à haute température. La vapeur peut alors sortir de cet échangeur à des températures de 500°C sans risque de corrosion pour l'échangeur haute pression / haute température. Elle sera alors envoyée dans la turbine 14a où elle produira un maximum d'électricité. On peut ainsi utiliser ces énergies fossiles chères et rares pour un appoint ciblé qui utilise leurs qualités intrinsèques : la biomasse ou les déchets continuent à fournir plus de 85 % de l'énergie entrant dans l'installation thermique 10. L'installation selon la première configuration de marché équipée de cette amélioration est représentée sur la figure 3. Les fumées de combustion sortent du troisième échangeur de surchauffe 24 à une température supérieure à 350°C. Or à 400°C, elles contiendront encore environ 18 % de leur énergie initiale. Elles sont donc refroidies et cette énergie résiduelle valorisée dans un autre échangeur non représenté, en complément par exemple du troisième échangeur 32. La demanderesse a ainsi calculé que au moins un tiers de l'énergie fossile ainsi fournie se convertissait alors en électricité. On comprend alors 5 l'intérêt de cette surchauffe supplémentaire. Deuxième configuration de marché Cette deuxième configuration, représentée sur la figure 2b, 10 correspond à une cogénération. Cette utilisation se prête bien à des chaudières à biomasse par exemple. L'objectif est de valoriser intégralement la chaleur de condensation de la vapeur (via des moyens de valorisation 41 en prise avec le condenseur 16) pour des réseaux de chaleur ou des process industriels. La valorisation est typiquement dans 15 une plage de température allant de 60°C (eau chaude pour usage courant) à 130°C (vapeur industrielle à 3 bar) pour la température de sortie du fluide évacuant la chaleur hors du condenseur 16. Ici, c'est le besoin de chaleur qui conditionne le débit de vapeur dans l'installation et donc la puissance électrique produite sera directement proportionnelle à la chaleur valorisée. 20 L'objectif est l'efficacité globale ((chaleur valorisée + électricité) / énergie entrant dans la chaudière 12) la plus élevée possible. La pression dans le condenseur 16 est donc déterminée par le niveau de température exigé pour la valorisation de sa chaleur et peut ainsi varier de 0,3 à 4 bar. 25 Cet objectif passe essentiellement par une récupération maximale de la chaleur dans les fumées au niveau du conduit 11. Sachant que la source froide est à une température sensiblement plus élevée que dans la configuration précédente, il est nécessaire d'améliorer le refroidissement du fluide caloporteur f avant sa mise en échange thermique avec le conduit 11. 30 En effet, il faut pouvoir atteindre un niveau de température de fluide f de 160-200°C au maximum, pour que les fumées sortent à l'extrémité du conduit 11 à 180-240°C (niveau de température correspondant à un 2 983 901 23 rendement de la chaudière 12 de 85-90% qui permet d'éviter les problèmes de condensation acide dans le conduit 11 et la cheminée). Pour cela, comme on le voit sur la figure 2b l'embranchement entre le branche principale 30a de fluide caloporteur f et la branche auxiliaire 30b est situé en sortie du générateur de vapeur 22. Le fluide caloporteur f a alors déjà cédé une partie conséquente de sa chaleur au circuit 13 pour la génération puis la surchauffe de la vapeur d'eau et ne se trouve plus qu'à 200-250°C, contre plus de 300°C en sortie du premier échangeur 21. Le fluide f circule ensuite dans le premier échangeur de surchauffe 31 puis dans le deuxième échangeur 32, via lesquels il continue à céder sa chaleur pour atteindre la plus basse température possible. Un montage à contre-courant du deuxième échangeur tel que représenté améliore encore cet effet. Un débit dans la branche auxiliaire 30b égal à 10-15% du débit total de fluide caloporteur f dans le circuit de surchauffe 20 apparait particulièrement avantageux, de façon à ce que la température du fluide f sortant du deuxième échangeur 32 et retournant vers le conduit 11 soit inférieure à 180°C. En ce qui concerne la resurchauffe, il apparait que la pression optimale en sortie de la première turbine 14a est également comprise entre 5 et 13 bar. Plus la température de valorisation au niveau des moyens 41 est élevée, plus cette pression « intermédiaire » doit être élevée afin de permettre une détente suffisante de la vapeur dans la deuxième turbine 14b pour que la production d'électricité valorise l'investissement dans cette turbine 14b. Un taux élevé de 85-95% de vapeur d'eau détendue dans la première turbine 14a est avantageusement resurchauffée et returbinée en 14b. Les 5-15% restant de la vapeur d'eau sont extraite via la branche 130 et injectée dans la bâche 17 principalement pour le réchauffage de l'eau condensée, ce qui améliore le rendement énergétique. Si la température de la source froide 41 est supérieure à 120°C, il peut s'avérer économiquement inutile d'installer cette bâche 17.
Cette configuration offre un rendement électrique seulement de l'ordre de 10 à 18%, mais un rendement global compris entre 80 et 90%. Troisième configuration de marché Cette troisième configuration, représentée sur la figure 2c, correspond à une cogénération avec extraction de chaleur intermédiaire. Elle diffère de la configuration précédente en ce qu'elle est destinée à fournir de la chaleur à un plus haut niveau de température, typiquement entre 100°C et 200°C. Cette utilisation s'adresse par exemple à des clients de type industriel utilisant de la vapeur à une pression comprise entre 3 et 16 bar. La température de valorisation est ici trop élevée pour condenser efficacement l'ensemble de la vapeur d'eau tout en produisant suffisamment d'électricité pour rentabiliser l'installation. C'est pourquoi cette configuration se distingue en comprenant à la fois des moyens 40 de dissipation de chaleur et des moyens 41 de valorisation de chaleur. Les moyens 40 de dissipation de chaleur sont mis en communication thermique avec le condenseur 16 (la chaleur de condensation n'est par conséquent pas valorisée et est dissipée dans l'environnement) et les moyens 41 de valorisation de chaleur sont mis en communication thermique avec le troisième échangeur 18, échange situé comme expliqué précédemment sur une branche intermédiaire 130a prélevant de la vapeur au niveau du premier étage 14a de la turbine 14 pour la réinjecter au niveau de la bâche de préchauffage des condensats 17. Le deuxième étage 14b de la turbine 14 est dimensionné pour détendre au maximum la vapeur d'eau resurchauffée afin de maximiser sa production électrique. Pour les mêmes raisons que dans la production pure d'électricité (première configuration), l'embranchement entre les branches principale 30a et auxiliaire 30b est donc situé au plus tôt afin d'avoir une température de resurchauffe maximale, et éviter ou limiter la condensation sur les derniers étages de la turbine 14b.
Le réglage du débit sur l'autre branche intermédiaire 130a (celle ne comprenant pas de troisième échangeur 18) est avantageusement réglable afin de pouvoir adapter l'installation à des variations de la consommation de vapeur du client via les moyens 41. On notera que le troisième échangeur 18 peut être situé « chez le client », la vapeur d'eau de l'installation étant directement injectée dans son réseau. Dans ce cas, il est souhaitable d'adopter la pression nécessaire au client comme pression de sortie du premier étage 14a. Cette configuration offre un rendement électrique un peu plus élevé 10 que celui de l'autre configuration de cogénération (de l'ordre de 15 à 20%), mais un rendement global moindre (à cause de la dissipation de la chaleur de condensation) compris entre 50 et 70%. Condenseur dédoublé 15 Comme expliqué précédemment, la pression de sortie de la dernière turbine 14b est conditionnée par la température de sortie du fluide qui évacue la chaleur hors du condenseur 16 (température de la source « froide », généralement de l'eau liquide). Un écart de 20°C entre les 20 températures d'entrée (80°C par exemple) et sortie de ce fluide (100°C par exemple) est courant. Dans l'exemple donné plus haut, la pression de vapeur à 110°C est de 1,5 bar, alors que la pression de la vapeur d'eau à 100°C est de 1 bar. De façon particulièrement avantageuse, en référence à la figure 4a la 25 vapeur sortant de la dernière resurchauffe (échangeur 31) et entrant dans la dernière turbine 14b est divisée à l'intérieur de cette turbine en deux flux opposés - sensiblement de même débit - qui vont être dirigés vers deux étages de roues, reliés au même rotor. Chacun de ces étages tourne donc en sens inverse de l'autre. La vapeur entre donc sensiblement au milieu de 30 cette turbine et la vapeur sortira aux deux extrémités, au niveau de deux branches de condensation 13.1 et 13.2 du circuit de vapeur 13, en parallèle sur la portion du circuit de vapeur 13 allant de la sortie de la dernière turbine 14b à l'entrée du générateur de vapeur 22. Un condenseur 16.1, 16.2 est disposé sur chacune des branches 13.1, 13.2. Le premier flux condense sur un premier condenseur 16.1 qui est alimenté par le fluide de la source froide (moyens de dissipation 40 ou moyens de valorisation 41) à sa température la plus basse (80°C). Ainsi, ce fluide - au lieu de sortir avec une hausse de température de par exemple 20°C ne sera échauffé que de 10°C (ici 90°C). La pression de sortie de cette extrémité de la turbine 14b sera alors de 1 bar (pression de vapeur saturante à la température de 90 + 10°C).
En sortie du premier condenseur 16.1, le fluide de refroidissement entrera dans le second condenseur 16.2 sur lequel le deuxième flux de vapeur se condense à une pression qui sera ici de 1,5 bar correspondant à la température de sortie du fluide « source froide » de 100°C. L'eau condensée est avantageusement évacuée de chaque 15 condenseur 16.1, 16.2 par une pompe spécifique 15.1, 15.2 qui la remonte en pression et permet à ces deux flux de se remélanger à la même pression dans la bâche 17. La demanderesse a ainsi mis en évidence que cette disposition permettait de produire 8 % d'électricité en plus qu'une solution classique 20 (dans le cas d'une détente de 10 bar à 1 bar de l'intégralité de la vapeur). Dans un autre mode de réalisation (présenté sur la figure 4b), c'est la première turbine 14a qui est à « division » de flux. Les deux flux subissent une resurchauffe commune via le premier échangeur 31, et sont chacun réinjecté dans une deuxième turbine 14b.1, 14b.2 spécifique. 25 Ces deux modes de réalisation du circuit de vapeur peuvent être adaptés à chacune des configurations de marché décrites précédemment. Dispositif de surchauffe 30 Selon un deuxième aspect, l'invention propose un dispositif d'amélioration des performances des installations à cycle de vapeur d'eau existantes, ou nouvelles. Comme expliqué, ajouter une resurchauffe améliore d'une part l'efficacité énergétique de l'installation et règle d'autre part le problème de la condensation précoce de la vapeur d'eau dans la deuxième turbine 14b. Comme expliqué, au delà de 5 à10 MWé, il devient avantageux économiquement d'avoir des installations thermiques avec un foyer de combustion et des échangeurs qui vaporisent puis surchauffent de l'eau à haute pression (typiquement 90 bar / 500°C). La resurchauffe classique nécessite alors des puissances supérieures à 20 MWé. Il serait intéressant de pouvoir offrir les avantages de la resurchauffe à des installations thermiques à vapeur d'eau pas encore assez grosses 10 pour pouvoir justifier des coûts de la resurchauffe habituelle. L'installation thermique existante comprend un circuit de vapeur d'eau 13, une chaudière 12 (dans laquelle est mise en oeuvre la combustion avantageusement de biomasse ou de déchets, mais alternativement de tout autre combustible connu) et un générateur de vapeur 22 disposé sur le 15 circuit de vapeur d'eau 13, le générateur de vapeur étant alimenté par la chaudière 12, comme par exemple représenté sur la figure 1. Pour analogie avec l'installation 10 selon le premier aspect de l'invention, le dispositif de surchauffe comprend un circuit de surchauffe 20 pour la circulation d'un fluide caloporteur f choisi parmi les huiles 20 thermiques, les sels fondus et les métaux liquides, le circuit principal 20 étant en échange thermique avec la chaudière 12 de l'installation 10 au niveau d'un premier échangeur 21, et avec le circuit de vapeur 13 en sortie de la première turbine 14a au niveau d'un échangeur de surchauffe 31 assurant la resurchauffe de la vapeur d'eau. 25 Toutes les améliorations précédemment discutées peuvent être utilisées. Procédé 30 Selon un troisième aspect, l'invention propose un procédé de transfert thermique suivant un cycle thermodynamique dit « Rankine ». On rappelle qu'il s'agit d'un cycle thermodynamique à changement de phase.
Ce procédé est mis en oeuvre par une installation thermique 10 de production d'électricité telle que décrite précédemment. Elle comprend ainsi un circuit de vapeur d'eau 13 sur lequel sont disposés au moins deux turbines à vapeur 14a, 14b, un condenseur 16 et un compresseur 15.
Lors d'une première étape, un fluide caloporteur f choisi parmi les huiles thermiques, les sels fondus et les métaux liquides est chauffé à une température supérieure à 300°C dans le premier échangeur thermique 21 situé au niveau de la chaudière. Le fluide f est éventuellement transporté par le circuit principal 20 10 jusqu'à un générateur de vapeur 22 puis un deuxième échangeur de surchauffe 23 chacun en prise avec le circuit de vapeur d'eau 13. Comme expliqué, on note que la circulation du fluide f est à contre-courant de la circulation de la vapeur d'eau. En d'autres termes, l'eau circule d'abord dans le générateur de vapeur 22 puis dans le deuxième échangeur de 15 surchauffe 23, alors que le fluide caloporteur f circule d'abord dans le deuxième échangeur de surchauffe 23 puis dans le générateur de vapeur 22. Au niveau du générateur de vapeur 22, la chaleur du fluide f (inférieure à celle, maximale, en entrée du deuxième échangeur de 20 surchauffe 23) est transmise à l'eau liquide sous pression circulant dans le circuit 13, ce qui provoque son évaporation en vapeur d'eau. Au niveau du deuxième échangeur de surchauffe, la chaleur du fluide f est transmise à la vapeur d'eau fraîchement évaporée circulant dans le circuit 13 pour la surchauffer, avantageusement de sorte à ce qu'elle 25 atteigne la température maximale du fluide caloporteur f, soit plus de 300°C. On peut tout à fait envisager monter à des températures de plus de 600°C sous réserve que le fluide f soit toujours à l'état liquide à cette température. La vapeur d'eau surchauffée est détendue dans la turbine 14. La turbine comprend plusieurs étages 14a, 14b, la vapeur d'eau étant 30 détendue une première fois dans le premier étage 14a, resurchauffée de façon isobare grâce à un premier échangeur de surchauffe 31 dans lequel circule le fluide caloporteur f (via une éventuelle branche auxiliaire 30b de fluide f), puis redétendue dans la turbine suivante 14b, et ainsi de suite s'il y a d'autres étages. La vapeur d'eau détendue est ensuite condensée en eau liquide dans le condenseur 16, la chaleur de condensation étant soit dissipée, soit 5 valorisée. L'eau liquide est enfin montée en pression (avantageusement au delà de 40 bar) par le compresseur 15. Il est à noter que cette eau liquide est éventuellement préchauffée en amont et/ou en aval du compresseur 15 par une bâche 17 alimentée par de la vapeur extraite de la turbine 14, et/ou 10 par un troisième échangeur 32 dans lequel circule également du fluide caloporteur f.
Claims (17)
- REVENDICATIONS1. Installation thermique (10) de production d'électricité par 5 combustion, comprenant une chaudière (12), un circuit de vapeur d'eau (13) sur lequel sont disposés un générateur de vapeur (22), au moins deux turbines de détente de la vapeur (14a, 14b) dont une première turbine (14a) et une deuxième turbine (14b), au moins un compresseur de liquide (15) et au moins un condenseur (16), un générateur électrique (140) étant entraîné 10 par les turbines (14a, 14b), au moins une partie de la vapeur d'eau détendue dans la première turbine (14a) étant détendue une deuxième fois dans la deuxième turbine (14b), l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un circuit de surchauffe (20) pour la circulation d'un fluide caloporteur (f) choisi parmi les 15 huiles thermiques, les sels fondus et les métaux liquides, le circuit de surchauffe (20) étant en échange thermique avec la chaudière (12) au niveau d'un premier échangeur (21), et avec le circuit de vapeur (13) au niveau d'au moins un échangeur de surchauffe (31) disposé entre les première et deuxième turbines (14a, 14b), l'échangeur de surchauffe (31) 20 assurant une montée en température de la vapeur d'eau à pression constante.
- 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle la pression de vapeur d'eau dans le circuit (13) en entrée de la deuxième turbine (14b) 25 est comprise entre 1 et 13 bar absolus.
- 3. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le circuit de surchauffe (20) est en outre en échange thermique avec le circuit de vapeur (13) au niveau d'un deuxième échangeur (32) 30 disposé en entrée du générateur de vapeur (22) de sorte à préchauffer l'eau liquide issue du compresseur (15), le fluide caloporteur (f) circulant successivement dans l'échangeur de surchauffe (31) puis dans le deuxième échangeur (32).
- 4. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le circuit de vapeur (13) comprend deux branches de condensation (13.1, 13.2) en parallèle entre la sortie de la dernière turbine (14b) et l'entrée du générateur de vapeur (22), un condenseur (16.1, 16.2) étant disposés sur chacune des branches de condensation (13.1, 13.2) du circuit de vapeur (13) et le fluide assurant le transport de l'énergie de condensation circulant successivement dans chacun des condenseurs (16.1, 16.2).
- 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une bâche de réchauffage des condensats (17) disposée sur le circuit de vapeur d'eau (13) en sortie du condenseur (16), au moins une partie de la vapeur d'eau en sortie de la première turbine (14a) étant extraite avant de circuler dans le quatrième échangeur (31) et réinjectée au niveau de la bâche de dégazage (17) via au moins une branche intermédiaire (130) du circuit (13).
- 6. Installation selon la revendication 5, comprenant deux 20 branches intermédiaires (130a, 130b), un troisième échangeur (18) étant disposé sur l'une (130a) des branches intermédiaires (130b).
- 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le circuit de surchauffe (20) est en échange thermique avec un 25 conduit (11) d'évacuation des fumées de combustion issue de la chaudière (12) de sorte à préchauffer au moins une partie du fluide caloporteur (f) avant son entrée dans le premier échangeur (21).
- 8. Installation thermique selon l'une des revendications 30 précédentes, dans laquelle l'échangeur de surchauffe (31) disposé entre les première et deuxième turbines (14a, 14b) est un premier échangeur de surchauffe, le circuit de surchauffe (20) étant en outre en échange thermique avec le circuit de vapeur (13) au niveau d'un deuxièmeéchangeur de surchauffe (23) disposé entre le générateur de vapeur (22) et l'entrée de la première turbine (14a).
- 9. Installation thermique selon la revendication 8, dans lequel le générateur de vapeur (22) est un échangeur au niveau duquel le circuit de surchauffe (20) est en échange thermique avec le circuit de vapeur (13), le fluide caloporteur circulant successivement dans le deuxième échangeur de surchauffe (23) puis dans le générateur de vapeur (22).
- 10. Installation selon l'une des revendications 8 à 9, comprenant en outre un troisième échangeur de surchauffe (24) disposé sur le circuit de vapeur (13) entre le deuxième échangeur de surchauffe (23) et l'entrée de la première turbine (14a), le troisième échangeur de surchauffe (24) étant en échange thermique avec une chaudière supplémentaire (12') adaptée pour la combustion d'un hydrocarbure fossile.
- 11. Installation selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel le circuit de surchauffe (20) comprend une branche principale de surchauffe (30a) et une branche auxiliaire de surchauffe (30b), le deuxième échangeur de surchauffe (23) étant disposé sur la branche principale (30a) et le premier échangeur de surchauffe (31) étant disposé sur la branche auxiliaire (30b).
- 12. Installation selon la revendication 11, adaptée à une production d'électricité seule, comprenant en outre des moyens (40) de dissipation de chaleur, les moyens (40) de dissipation de chaleur étant en communication thermique avec le condenseur (16), la branche auxiliaire de surchauffe (30b) prélevant une partie du fluide caloporteur (f) se séparant de la branche principale de surchauffe (30a) entre le premier échangeur (21) et le deuxième échangeur de surchauffe (23).
- 13. Installation selon les revendication 11, adaptée à une cogénération, comprenant en outre des moyens (41) de valorisation de chaleur, les moyens (41) de valorisation de chaleur étant en communication 2 983 901 33 thermique avec le condenseur (16), la branche auxiliaire de surchauffe (30b) se séparant de la branche principale de surchauffe (30a) en sortie du générateur de vapeur (22). 5
- 14. Installation selon les revendications 6 et 11 en combinaison, adaptée à une production cogénération avec extraction de chaleur intermédiaire, comprenant en outre des moyens (40) de dissipation de chaleur et des moyens (41) de valorisation de chaleur, les moyens (40) de dissipation de chaleur étant en communication thermique avec le 10 condenseur (16), les moyens (40) de dissipation de chaleur étant en communication thermique avec le troisième échangeur (18).
- 15. Installation selon l'une des revendications précédentes, adaptée à la consommation de biomasse et/ou de déchets. 15
- 16. Dispositif d'amélioration des performances d'une installation thermique (10) de production d'électricité par combustion comprenant une chaudière (12), un circuit de vapeur d'eau (13) sur lequel sont disposés un générateur de vapeur (22), au moins deux turbines de détente de la vapeur 20 (14a, 14b) dont une première turbine (14a) et une deuxième turbine (14b), un compresseur de liquide (15) et un condenseur (16), un générateur électrique (140) étant entraîné par les turbines (14a, 14b), au moins une partie de la vapeur d'eau détendue dans la première turbine (14a) étant détendue une deuxième fois dans la deuxième turbine (14b), le dispositif 25 étant caractérisée en ce qu'il comprend un circuit de surchauffe (20) pour la circulation d'un fluide caloporteur (f) choisi parmi les huiles thermiques, les sels fondus et les métaux liquides, le circuit de surchauffe (20) étant en échange thermique avec la chaudière (12) au niveau d'un premier échangeur (21), et avec le circuit de vapeur (13) au niveau d'au moins un 30 échangeur de surchauffe (31) disposé entre les première et deuxième turbines (14a, 14b), l'échangeur de surchauffe (31) assurant une montée en température de la vapeur d'eau à pression constante. 2 983 901 34
- 17. Procédé de transfert thermique suivant un cycle thermodynamique dit « Rankine » mis en oeuvre par une installation thermique (10) de production d'électricité comprenant un circuit de vapeur d'eau (13) sur lequel sont disposés au moins deux turbines de détente de 5 vapeur (14a, 14b) dont une première turbine (14a) et une deuxième turbine (14b), un condenseur (16), un compresseur de liquide (15), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de : - chauffage au niveau d'un premier échangeur thermique (21) d'un fluide caloporteur (f) choisi parmi les huiles thermiques, les sels fondus et les 10 métaux liquides à une température supérieure à 300°C ; - évaporation d'eau liquide en vapeur d'eau dans le circuit (13) au niveau d'un générateur de vapeur (22) ; - surchauffe de la vapeur d'eau ; - détente de la vapeur d'eau surchauffée dans la première turbine (14a) ; 15 - resurchauffe d'au moins une partie la vapeur sortant de la première turbine (14a) au niveau d'un échangeur de surchauffe (31) dans lequel circule le fluide caloporteur (f) chaud ; - détente de la vapeur d'eau resurchauffée dans la deuxième turbine (14b) ; - condensation de la vapeur d'eau en eau liquide dans le condenseur (16) ; 20 - compression de l'eau liquide par le compresseur (15).
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1161333A Withdrawn FR2983901A1 (fr) | 2011-12-08 | 2011-12-08 | Installation thermique de production d' electricite |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2983901A1 (fr) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015007831A1 (fr) * | 2013-07-17 | 2015-01-22 | Electricite De France | Installation thermique de combustion de biomasse en cogénération, et procédé de transfert thermique |
| WO2016122322A1 (fr) | 2015-01-28 | 2016-08-04 | Drynovations B.V. | Installation et procédé de génération d'énergie à partir d'une biomasse humide |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3617364A1 (de) * | 1986-05-23 | 1987-11-26 | Erhard Beule | Kombiniertes gas- und dampfturbinenkraftwerk mit aufgeladener wirbelschichtfeuerung und kohlevergasung |
| DE3817713A1 (de) * | 1988-01-22 | 1989-11-30 | Erhard Beule | Kombiniertes gas- und dampfturbinenkraftwerk mit aufgeladener wirbelschichtfeuerung |
| DE3817690A1 (de) * | 1988-05-25 | 1989-12-07 | Erhard Beule | Kombiniertes gas- und dampfturbinenkraftwerk mit kohlevergasung |
-
2011
- 2011-12-08 FR FR1161333A patent/FR2983901A1/fr not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3617364A1 (de) * | 1986-05-23 | 1987-11-26 | Erhard Beule | Kombiniertes gas- und dampfturbinenkraftwerk mit aufgeladener wirbelschichtfeuerung und kohlevergasung |
| DE3817713A1 (de) * | 1988-01-22 | 1989-11-30 | Erhard Beule | Kombiniertes gas- und dampfturbinenkraftwerk mit aufgeladener wirbelschichtfeuerung |
| DE3817690A1 (de) * | 1988-05-25 | 1989-12-07 | Erhard Beule | Kombiniertes gas- und dampfturbinenkraftwerk mit kohlevergasung |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015007831A1 (fr) * | 2013-07-17 | 2015-01-22 | Electricite De France | Installation thermique de combustion de biomasse en cogénération, et procédé de transfert thermique |
| FR3008736A1 (fr) * | 2013-07-17 | 2015-01-23 | Electricite De France | Installation thermique de combustion de biomasse en cogeneration, et procede de transfert thermique |
| WO2016122322A1 (fr) | 2015-01-28 | 2016-08-04 | Drynovations B.V. | Installation et procédé de génération d'énergie à partir d'une biomasse humide |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20160831 |