FR3040438A1 - HYBRID COMBINED CYCLE ELECTRICITY PRODUCTION INSTALLATION, IMPROVED - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une installation de production d'électricité à partir d'un cycle combiné de turbine à combustion et de turbine à vapeur, l'installation comportant : Un premier circuit, d'eau, comprenant ladite turbine à vapeur et un générateur de vapeur récupérant de la chaleur d'un gaz issu de la turbine à combustion. Le cycle combiné est en outre hybridé et l'installation comporte à cet effet : Un deuxième circuit d'un fluide caloporteur chauffé par transmission d'énergie solaire. L'installation comporte en particulier un échangeur de chaleur (ECH) entre du fluide du deuxième circuit et de l'eau du premier circuit, ainsi que: Un troisième circuit de stockage thermique comprenant un échangeur de chaleur (ECH23) avec du fluide du deuxième circuit.The invention relates to an installation for producing electricity from a combined cycle of a combustion turbine and a steam turbine, the installation comprising: A first water circuit, comprising said steam turbine and a steam generator; vapor recovering heat from a gas from the combustion turbine. The combined cycle is further hybridized and the installation comprises for this purpose: A second circuit of a heat transfer fluid heated by solar energy transmission. The installation comprises in particular a heat exchanger (ECH) between fluid of the second circuit and water of the first circuit, as well as: A third thermal storage circuit comprising a heat exchanger (ECH23) with fluid of the second circuit.
Description
Installation de production d’électricité à cycle combiné hybride, perfectionné Domaine de l’inventionHybrid combined cycle power generation system, improved Field of the invention
La présente invention concerne un cycle combiné hybride, perfectionné, notamment pour une application dans une centrale de production d’électricité à cycle combiné hybride.The present invention relates to a hybrid combined cycle, improved, especially for application in a hybrid combined cycle power plant.
Etat de la technique connu antérieur à l’inventionState of the prior art prior to the invention
Une telle centrale se présente habituellement comme une combinaison entre une centrale de production à cycle combiné comme illustré en figure 1, à laquelle on ajoute une centrale héliothermodynamique, par exemple équipée de miroirs cylindro-paraboliques (souvent mais non nécessairement) comme illustré sur la figure 2.Such a plant is usually a combination of a combined cycle production plant as illustrated in Figure 1, which is added a heliothermodynamic plant, for example equipped with cylindro-parabolic mirrors (often but not necessarily) as shown in FIG. 2.
En référence à la figure 1, le principe d'une centrale à cycle combiné est tel que, en sortie d’un premier cycle (dit « Topping ») impliquant une turbine à gaz TG, le fluide de travail du premier cycle (de l’air typiquement) est encore capable de fournir de l'énergie thermique au fluide de travail (de l’eau typiquement) d’un deuxième cycle (dit « Bottoming ») impliquant une turbine à vapeur ST. Le premier cycle impliquant la turbine à gaz TG peut être un cycle de Brayton. Le deuxième cycle impliquant la turbine à vapeur ST peut être un cycle de Rankine. L’installation correspondante comporte alors, comme représenté sur la figure 1, dans une première partie Cl pour opérer le premier cycle : un compresseur d’air AC, un apport de chaleur à l’air CMF, par combustion d’un carburant tel qu’un matériau fossile MF, et la turbine à gaz précitée TG, appelée aussi ci-après « turbine à combustion ». L’installation précitée comporte en outre, dans une deuxième partie C2 pour opérer le deuxième cycle : un générateur de vapeur GV à énergie de récupération, incluant généralement un surchauffeur SH, un évaporateur EV coopérant avec un ou plusieurs ballons BA à pression de vapeur contrôlée, et un économiseur ECO (il s’agit d’un échangeur qui chauffe l’eau liquide jusqu’à sa limite de saturation), la turbine à vapeur précitée ST, et un condenseur CD en sortie de la turbine.With reference to FIG. 1, the principle of a combined cycle power plant is such that, at the exit of a first cycle (called "Topping") involving a gas turbine TG, the working fluid of the first cycle (called "Topping") typically) is still able to supply thermal energy to the working fluid (typically water) of a second cycle (so-called "Bottoming") involving an ST steam turbine. The first cycle involving the TG gas turbine may be a Brayton cycle. The second cycle involving the steam turbine ST may be a Rankine cycle. The corresponding installation then comprises, as represented in FIG. 1, in a first part C1 to carry out the first cycle: an air compressor AC, a supply of heat to the air CMF, by combustion of a fuel such as a fossil material MF, and the aforementioned gas turbine TG, also referred to hereinafter as "combustion turbine". The aforementioned installation further comprises, in a second part C2 to operate the second cycle: a regenerative energy steam generator GV, generally including a superheater SH, an evaporator EV cooperating with one or more balloons BA controlled vapor pressure , and an ECO economizer (it is an exchanger that heats the liquid water to its saturation limit), the aforementioned steam turbine ST, and a condenser CD at the outlet of the turbine.
Cette deuxième partie C2 se présente donc comme un circuit d’eau, appelé ci-après « premier circuit » pour faire fonctionner la turbine à vapeur ST.This second part C2 is therefore like a water circuit, hereinafter called "first circuit" for operating the steam turbine ST.
Les gaz d'échappement chauds EVAC (typiquement des fumées), issus de la turbine à gaz TG passent à travers le générateur de vapeur à récupération de chaleur GV pour préchauffer, évaporer et surchauffer l'eau du circuit dans la partie C2. La combinaison de ces deux cycles thermodynamiques améliore l'efficacité globale d’un cycle unique et réduit les coûts de carburant. Néanmoins, il est recherché encore une diminution de la consommation du matériau fossile MF, tant pour un bilan économique que pour un bilan écologique. C’est alors que dans des centrales à cycle combiné, mais hybridé en particulier, la partie Cl de la figure 1 n’est utilisé, et le combustible fossile MF n’est consommé, que durant les périodes nocturnes ou de très faible ensoleillement, tandis que pendant les autres périodes (diurnes avec un degré d’ensoleillement satisfaisant), on utilise en outre un système de réchauffement solaire.The hot exhaust gases EVAC (typically fumes), from the gas turbine TG pass through the heat recovery steam generator GV to preheat, evaporate and superheat the circuit water in the C2 part. The combination of these two thermodynamic cycles improves the overall efficiency of a single cycle and reduces fuel costs. Nevertheless, it is still desired to reduce the consumption of the MF fossil material, both for an economic balance sheet and for an ecological balance sheet. It is then that in combined cycle plants, but hybridized in particular, the C1 part of Figure 1 is used, and the MF fossil fuel is consumed, only during the nocturnal periods or very little sunshine, while during the other periods (diurnal with a satisfactory degree of sunshine), a solar heating system is also used.
Souvent, un tel système est utilisé pour chauffer l’air dans la première partie Cl et améliore ainsi l’efficacité de l’apport en chaleur de l’air dans la partie Cl en amont de la turbine à gaz.Often, such a system is used to heat the air in the first part Cl and thus improves the efficiency of the heat input of air in the C1 portion upstream of the gas turbine.
Selon une première approche de l’invention, le système de réchauffement solaire, sert plutôt à réchauffer de l’eau du premier circuit dans la partie C2, pour améliorer le rendement du deuxième cycle, comme illustré sur la figure 2.According to a first approach of the invention, the solar heating system, rather serves to heat water of the first circuit in the C2 part, to improve the efficiency of the second cycle, as shown in Figure 2.
Le système de réchauffement solaire utilisé pour un couplage avec un circuit d’eau, du type présenté sur la figure 2, peut se présenter sous la forme d’un système de concentration linéaire. Dans un système de ce type, équipé d’un ou plusieurs réflecteurs MIR, le rayonnement solaire est concentré sur un tube récepteur TR pour chauffer un fluide de transfert de chaleur HTF (dit « fluide caloporteur » ci-après), par exemple de l’huile. Un système concentrateur linéaire utilisant un ou plusieurs miroirs cylindro-paraboliques peut être utilisé à cet effet. D’autres systèmes de réchauffement solaire peuvent être utilisés en variante, par exemple comprenant un ou plusieurs réflecteurs de Fresnel linéaires, avec éventuellement d’autres types de fluide caloporteur que de l’huile.The solar heating system used for coupling with a water circuit, of the type shown in Figure 2, may be in the form of a linear concentration system. In a system of this type, equipped with one or more MIR reflectors, the solar radiation is concentrated on a receiver tube TR for heating an HTF heat transfer fluid (called "heat transfer fluid" hereinafter), for example from 'oil. A linear concentrator system using one or more cylindro-parabolic mirrors can be used for this purpose. Other solar heating systems may alternatively be used, for example comprising one or more linear Fresnel reflectors, possibly with other types of coolant than oil.
Ensuite, une fois chauffé, le fluide caloporteur HTF transfère sa chaleur à l’eau du premier circuit dans un échangeur de chaleur ECF1 (dont la partie chaude est référencée CFI et contient du fluide HTF, et la partie froide est référencée FR et contient de l’eau). L’eau circulant à l'intérieur du côté froid FR de l'échangeur de chaleur ECH est chauffée par le fluide HTF jusqu'à évaporation, et ensuite surchauffée pour mettre en œuvre le deuxième cycle précité.Then, once heated, the heat transfer fluid HTF transfers its heat to the water of the first circuit in a heat exchanger ECF1 (whose hot part is referenced CFI and contains HTF fluid, and the cold part is referenced FR and contains the water). The water circulating inside the cold side FR of the heat exchanger ECH is heated by the HTF fluid until evaporation, and then superheated to implement the second cycle mentioned above.
Ainsi, en référence à la figure 3, le couplage thermique s’effectue alors entre le générateur de vapeur (circuit de dessous, appelé ci-après « premier circuit » et portant la référence 1) et le circuit incluant le concentrateur thermique solaire TR (circuit de dessus, appelé ci-après « deuxième circuit » et portant la référence 2).Thus, with reference to FIG. 3, the thermal coupling then takes place between the steam generator (bottom circuit, hereinafter referred to as "first circuit" and bearing the reference 1) and the circuit including the solar thermal concentrator TR ( top circuit, hereinafter called "second circuit" and bearing the reference 2).
On comprendra ainsi que le deuxième circuit 2, de réchauffement solaire, vient s’ajouter aux équipements opérant le premier cycle (dont la turbine à combustion TG), et ne peut remplacer complètement ces équipements qu’en cas de fort ensoleillement. Pour des degrés d’ensoleillement moindres, les deux apports thermiques peuvent fonctionner simultanément : apport thermique du gaz chaud issu de la turbine à combustion et apport thermique par transmission d’énergie solaire dans le deuxième circuit. Pour les périodes nocturnes typiquement, seul l’apport thermique du gaz issu de la turbine à combustion est disponible.It will thus be understood that the second solar heating circuit 2 is added to the equipment operating the first cycle (including the TG combustion turbine), and can not completely replace these equipment in case of strong sunlight. For lower degrees of sunlight, the two thermal inputs can operate simultaneously: thermal input of the hot gas from the combustion turbine and thermal input by solar energy transmission in the second circuit. For typical nocturnal periods, only the thermal input of the gas from the combustion turbine is available.
En cas de fort ensoleillement, lors du démarrage de la « partie solaire » d’un cycle combiné hybride, avec apport solaire seulement (noté ISCC ci-après pour « Integrated Solar Combined Cycle »), le fluide HTF qui circule dans la partie solaire est froide. Quand l’ensoleillement est fort en particulier, le fluide HTF chauffe rapidement. Le gradient de température entre le fluide HTF chaud et l’eau au niveau de l’échangeur de chaleur ECH (figure 2) est trop important et risque de détériorer mécaniquement l’échangeur ECH. Une technique pour éviter cet inconvénient consiste à dé-focaliser les miroirs pour ralentir l’augmentation de température du fluide HTF. Cette dé-focalisation entraîne une perte de puissance potentielle. Actuellement, aucune solution n’a pu être fournie à ce problème et les pertes de puissance doivent simplement être subies.In case of strong sunshine, when starting the "solar part" of a hybrid combined cycle, with solar input only (noted ISCC below for "Integrated Solar Combined Cycle"), the HTF fluid circulating in the solar part is cold. When sunshine is strong in particular, the HTF fluid heats up quickly. The temperature gradient between the hot HTF fluid and the water at the heat exchanger ECH (FIG. 2) is too great and risks mechanically damaging the heat exchanger ECH. One technique to avoid this disadvantage is to de-focus the mirrors to slow the temperature increase of the HTF fluid. This de-focusing leads to a potential loss of power. Currently, no solution has been provided to this problem and the power losses must simply be suffered.
Par ailleurs, un cycle combiné hybridé solaire fonctionne de manière optimale quand une certaine irradiation solaire est présente. En revanche, lorsque l’énergie fournie par le soleil diminue, comme lors d’un passage nuageux par exemple, la turbine à combustion TG continue à fonctionner en sous-régime (ou est simplement éteinte) et le rendement n’est plus optimal. De plus, lorsqu’on arrive à des limites de fonctionnement en bas régime de la turbine TG, telles qu’un minimum technique, elle peut s’éteindre. Or, l’extinction et le redémarrage fréquents d’une telle turbine à combustion la détériorent rapidement. Par ailleurs, en cas de prix faible du carburant MF, la centrale peut ne pas avoir un comportement optimal car il n’est pas profité pleinement d’une baisse de prix du carburant pour faire des économies.On the other hand, a hybrid solar hybrid cycle works best when some solar irradiation is present. On the other hand, when the energy supplied by the sun decreases, as during a cloudy passage for example, the combustion turbine TG continues to operate under-rev (or is simply extinguished) and the yield is no longer optimal. In addition, when reaching the operating limits at low speed of the turbine TG, such as a technical minimum, it can go out. However, the frequent extinction and restart of such a combustion turbine deteriorate rapidly. Moreover, in case of low fuel prices MF, the plant may not behave optimally because it is not fully benefited from a reduction in fuel prices to save money.
La présente invention vient améliorer globalement cette situation.The present invention improves overall this situation.
Selon une deuxième approche de l’invention, un circuit de stockage thermique est utilisé en outre en couplage avec le circuit thermique solaire.According to a second approach of the invention, a thermal storage circuit is further used in coupling with the solar thermal circuit.
Présentation de l’inventionPresentation of the invention
Ainsi, l’invention propose à cet effet une installation production d’électricité à partir d’un cycle combiné de turbine à combustion et de turbine à vapeur, l’installation comportant : Un premier circuit, d’eau, comprenant ladite turbine à vapeur et un générateur de vapeur récupérant de la chaleur d’un gaz issu de la turbine à combustion.Thus, the invention proposes for this purpose a power generation plant from a combined cycle of combustion turbine and steam turbine, the installation comprising: A first water circuit, comprising said steam turbine and a steam generator recovering heat from a gas from the combustion turbine.
Le cycle combiné étant en outre hybridé solaire et l’installation comporte à cet effet :The combined cycle is further hybridized solar and the installation comprises for this purpose:
Un deuxième circuit d’un fluide caloporteur chauffé par transmission d’énergie solaire. L’installation au sens de l’invention comporte un échangeur de chaleur entre du fluide du deuxième circuit et de l’eau du premier circuit.A second circuit of a heat transfer fluid heated by solar energy transmission. The installation within the meaning of the invention comprises a heat exchanger between the fluid of the second circuit and the water of the first circuit.
Cette réalisation permet déjà d’avoir un contrôle sur le circuit de la turbine à vapeur en laissant une forme d’indépendance de fonctionnement à la turbine à combustion. Toutefois, pour ne pas perdre un éventuel surplus d’énergie thermique fourni au circuit d’eau par le gaz issu de cette turbine, on prévoit dans l’installation un circuit de stockage thermique mais qui est couplé au deuxième circuit (solaire), à la fois pour : protéger l’échangeur de chaleur entre du fluide du deuxième circuit et de l’eau du premier circuit, et stocker un éventuel excédent thermique transmis au circuit d’eau, puis au deuxième circuit (solaire) via l’échangeur précité.This embodiment already makes it possible to have control over the circuit of the steam turbine while leaving a form of operating independence to the combustion turbine. However, in order not to lose any surplus of thermal energy supplied to the water circuit by the gas coming from this turbine, a thermal storage circuit is provided in the installation but which is coupled to the second circuit (solar), to both to: protect the heat exchanger between the fluid of the second circuit and the water of the first circuit, and store any excess heat transmitted to the water circuit, then to the second circuit (solar) via the aforementioned exchanger .
Ainsi, l’installation au sens de l’invention comporte en outre :Thus, the installation in the sense of the invention furthermore comprises:
Un troisième circuit, de stockage thermique, couplé au deuxième circuit.A third circuit, thermal storage, coupled to the second circuit.
Dans une réalisation, le troisième circuit comprend par exemple un échangeur de chaleur avec du fluide du deuxième circuit. Dans une variante, l’apport thermique solaire peut s’effectuer directement sur un circuit de stockage thermique (par exemple dans le cas d’une tour solaire apportant de l’énergie thermique solaire à un circuit de stockage à base de sels fondus).In one embodiment, the third circuit comprises for example a heat exchanger with fluid of the second circuit. In a variant, the solar thermal input can be carried out directly on a thermal storage circuit (for example in the case of a solar tower supplying solar thermal energy to a storage circuit based on molten salts).
On a représenté un mode de réalisation possible de l’installation, plus complètement sur la figure 4 que sur la figure 3. Sur la figure 4, le troisième circuit précité, de stockage thermique, porte la référence 3 et son échangeur de chaleur avec du fluide du deuxième circuit 2 porte la référence ECH23, dans ce mode de réalisation.FIG. 4 shows a possible embodiment of the installation, more completely in FIG. 4. In FIG. 4, the third aforementioned thermal storage circuit bears the reference 3 and its heat exchanger with fluid of the second circuit 2 has the reference ECH23, in this embodiment.
Le troisième circuit 3 peut comporter par exemple un fluide caloporteur comprenant des sels fondus (par exemple des fluorures, chlorures et/ou nitrates). Dans une variante, on peut prévoir un apport thermique solaire directement à de l’eau du premier circuit avec des miroirs de Fresnel sur une branche du premier circuit et, dans ce cas, le troisième circuit précité peut se présenter lui-même comme une autre branche du premier circuit, d’eau, et inclure un accumulateur de vapeur pour le stockage thermique.The third circuit 3 may comprise for example a heat transfer fluid comprising molten salts (for example fluorides, chlorides and / or nitrates). In a variant, it is possible to provide a solar thermal input directly to the water of the first circuit with Fresnel mirrors on a branch of the first circuit and, in this case, the third circuit mentioned above may itself be presented as another branch of the first circuit, water, and include a steam accumulator for thermal storage.
De manière générale, la disposition des circuits et des échangeurs de chaleur, telle que présentée ci-avant, permet avantageusement de piloter globalement l’installation et non pas individuellement et séparément chacun des trois sous-systèmes : solaire, stockage thermique et vapeur. A cet effet et à titre d’exemple, le troisième circuit peut comporter par exemple un réservoir de fluide caloporteur froid (RF) et un réservoir de fluide caloporteur chaud (RC), et l’installation comporter alors un module de commande de niveau de fluide dans le réservoir froid (C33) et un module de commande de niveau de fluide dans le réservoir chaud (C34). On verra plus loin dans des exemples de commande régulée de l’installation comment interviennent ces deux paramètres. Les modules de commande précités peuvent agir sur des vannes et/ou pompes adaptées à cet effet, prévues dans le troisième circuit.In general, the arrangement of the circuits and the heat exchangers, as presented above, advantageously makes it possible to control the installation globally and not individually and separately each of the three subsystems: solar, thermal storage and steam. For this purpose and by way of example, the third circuit may comprise, for example, a cold coolant (RF) reservoir and a hot coolant (RC) reservoir, and the installation then comprise a level control module. fluid in the cold reservoir (C33) and a fluid level control module in the hot reservoir (C34). We will see later in examples of controlled control of the installation how these two parameters intervene. The aforementioned control modules can act on valves and / or pumps adapted for this purpose, provided in the third circuit.
Sur la figure 4, la référence « C » désigne des pompes prévues à titre d’exemple de réalisation, dans les différents circuits. Les vannes sont représentées conventionnellement par deux triangles inversés.In Figure 4, the reference "C" designates pumps provided as an exemplary embodiment in the various circuits. The valves are conventionally represented by two inverted triangles.
Par ailleurs, le deuxième circuit (2) peut comporter un module de commande en charge (C31) et un module de commande en décharge (C32) de fluide du deuxième circuit dans l’échangeur de chaleur (ECH23) avec le troisième circuit, dans la réalisation illustrée sur la figure 4. Là encore, ces modules de commande peuvent agir sur des vannes et/ou pompes adaptées à cet effet, prévues dans le deuxième circuit. En particulier, ces modules de commande ont ici vocation à contrôler ensemble les deux paramètres correspondant à : l’enthalpie en charge, notée ci-après hch, et l’enthalpie en décharge, notée ci-après hdch, du fluide HTF dans le couplage avec le troisième circuit (3). Ces deux paramètres interviennent dans la commande régulée de l’installation, comme présenté dans les exemples de réalisation détaillés plus loin.Furthermore, the second circuit (2) may comprise a charge control module (C31) and a fluid discharge control module (C32) of the second circuit in the heat exchanger (ECH23) with the third circuit, in the embodiment illustrated in Figure 4. Again, these control modules can act on valves and / or pumps adapted for this purpose, provided in the second circuit. In particular, these control modules are here intended to control together the two parameters corresponding to: the enthalpy in charge, noted hereinafter hch, and the enthalpy in discharge, hereinafter referred to as hdch, of the HTF fluid in the coupling with the third circuit (3). These two parameters intervene in the regulated control of the installation, as presented in the exemplary embodiments detailed below.
Par ailleurs, l’installation peut comporter en outre un module de commande d’entrée (C22) et un module de commande de sortie (C21) d’eau du premier circuit dans l’échangeur de chaleur (ECH) avec du fluide du deuxième circuit. Là encore, ces modules de commande peuvent agir sur des vannes et/ou pompes adaptées à cet effet, prévues dans le premier circuit. En particulier, ces modules de commande ont ici vocation à contrôler ensemble les deux paramètres correspondant à : l’enthalpie, notée ci-après h, et le débit, noté ci-après Q, de la vapeur dans le couplage avec le deuxième circuit (2). Ces deux paramètres interviennent dans la commande régulée de l’installation, comme présenté dans les exemples de réalisation détaillés plus loin.Furthermore, the installation can furthermore comprise an input control module (C22) and an outlet control module (C21) of water of the first circuit in the heat exchanger (ECH) with fluid of the second circuit. Again, these control modules can act on valves and / or pumps adapted for this purpose, provided in the first circuit. In particular, these control modules are here intended to control together the two parameters corresponding to: the enthalpy, denoted hereinafter h, and the flow rate, denoted hereinafter Q, of the steam in the coupling with the second circuit ( 2). These two parameters intervene in the regulated control of the installation, as presented in the exemplary embodiments detailed below.
Par ailleurs, le générateur de vapeur comporte une pluralité de ballons d’eau (liquide et/ou vapeur) à des pressions respectives, et l’installation comporte une pluralité de modules de commande (Cl2, Cl3, Cl4) de niveaux respectifs d’eau dans les ballons. Plus précisément, dans un exemple de réalisation, il est prévu un ballon de haute pression HP dont le niveau est commandé par un module Cl4, un ballon de moyenne pression MP dont le niveau est commandé par un module Cl3, et un ballon de basse pression BP dont le niveau est commandé par un module Cl2. Ces trois paramètres de niveau d’eau dans les ballons sont notés ci-après respectivement CNHP, CNMp et CNBp et interviennent aussi dans la commande régulée de l’installation dans les exemples donnés plus loin.Furthermore, the steam generator comprises a plurality of water flasks (liquid and / or vapor) at respective pressures, and the installation comprises a plurality of control modules (Cl2, Cl3, Cl4) of respective levels of water in the balloons. More specifically, in one exemplary embodiment, an HP high pressure balloon is provided, the level of which is controlled by a module Cl4, a medium pressure balloon MP whose level is controlled by a module Cl3, and a low pressure balloon. BP whose level is controlled by a Cl2 module. These three water level parameters in the balloons are noted below respectively CNHP, CNMp and CNBp and are also involved in the controlled control of the installation in the examples given below.
Par ailleurs, l’installation peut comporter en outre un module de commande de production de puissance des turbines à combustion et à vapeur (Cil). Ce paramètre est noté RP ci-après et intervient aussi dans la commande régulée dans les exemples donnés plus loin.Furthermore, the installation may further comprise a power generation control module for combustion and steam turbines (Cil). This parameter is noted RP below and is also involved in the controlled control in the examples given below.
Par ailleurs, en complément ou en variante, l’installation peut comporter en outre un module de commande de production de puissance individuelle de la turbine à combustion (C4) pour piloter l’installation en cas de transitoires liées à une variation d’ensoleillement. Une telle réalisation sera décrite en détails plus loin, dans un exemple de commande régulée de l’installation dans une telle situation de variation d’ensoleillement et/ou dans le cas d’un fonctionnement à bas régime de la turbine à combustion nonobstant un fort degré d’ensoleillement. L’installation peut comporter alors un circuit informatique (pour la partie hardware) d’élaboration de consignes destinées à des modules de commande d’équipements de l’installation. Ainsi, comme illustré sur la figure 5, ce circuit informatique peut être dans un ordinateur comportant typiquement un écran ECR, un moyen de saisie (souris SOU, un clavier, un écran tactile, ou autre), et une unité centrale UC. Bien d’autres formes de réalisation sont possibles. Il peut s’agir d’un circuit ASIC ou autre. Dans l’exemple de la figure 5, le circuit informatique est dans l’unité centrale UC et comporte typiquement un processeur PROC et une mémoire de travail MEM qui peut stocker, outre des données de calcul, des instructions de programme informatique pour élaborer des consignes de commande d’une installation au sens de l’invention. A cet effet, le circuit informatique précité comporte en outre une interface INT reliée au processeur d’une part, et aux différents modules de commande C4 à C34. L’invention vise alors aussi un procédé de pilotage d’une installation comportant un tel circuit informatique, et comprenant N modules de commande d’équipements de l’installation (C4 à C34). En particulier, le procédé comporte les étapes, en référence à la figure 6 : a) déterminer un régime de fonctionnement global de l’installation (typiquement un régime REG de fonctionnement nominal, visé, à l’étape SI), et b) élaborer, en fonction dudit régime global, un nombre de consignes (Ci à l’étape S2) inférieur ou égal au nombre N, ces consignes étant destinées à des modules de commande d’équipements de l’installation, pour parvenir audit régime de fonctionnement global.Furthermore, in addition or alternatively, the installation may furthermore comprise an individual power generation control module of the combustion turbine (C4) for controlling the installation in the event of transients related to a variation in sunshine. Such an embodiment will be described in detail later, in an example of controlled control of the installation in such a situation of variation of sunshine and / or in the case of low-speed operation of the combustion turbine notwithstanding a strong degree of sunshine. The installation can then comprise a computer circuit (for the hardware part) for generating instructions for equipment control modules of the installation. Thus, as illustrated in FIG. 5, this computer circuit can be in a computer typically comprising an ECR screen, an input means (SOU mouse, a keyboard, a touch screen, or other), and a central processing unit UC. Many other embodiments are possible. It can be an ASIC or other circuit. In the example of FIG. 5, the computer circuit is in the central processing unit UC and typically comprises a processor PROC and a working memory MEM which can store, in addition to calculation data, computer program instructions for preparing instructions. control of an installation within the meaning of the invention. For this purpose, the aforementioned computer circuit further comprises an interface INT connected to the processor on the one hand, and to the various control modules C4 to C34. The invention thus also relates to a method of controlling an installation comprising such a computer circuit, and comprising N equipment control modules of the installation (C4 to C34). In particular, the method comprises the steps, with reference to FIG. 6: a) determining an overall operating speed of the installation (typically a nominal operating reg regime, referred to in step S1), and b) elaborating , as a function of said overall speed, a set number (Ci in step S2) less than or equal to the number N, these setpoints being intended for equipment control modules of the installation, to arrive at said overall operating regime .
On comprend ainsi que, comme indiqué précédemment, la disposition des circuits et des échangeurs de chaleur dans l’installation au sens de l’invention, permet avantageusement de piloter globalement l’installation (en boucle fermée) et non pas individuellement et séparément (en boucle « ouverte », sous-optimale) chacun des trois sous-systèmes : solaire, stockage thermique et vapeur.It will thus be understood that, as indicated above, the arrangement of the circuits and of the heat exchangers in the installation in the sense of the invention advantageously makes it possible to control the installation globally (in a closed loop) and not individually and separately (in "open" loop, suboptimal) each of the three subsystems: solar, thermal storage and steam.
Le procédé peut comporter en outre l’étape suivante : - en début d’utilisation du deuxième circuit (solaire, à l’étape S3), fixer une contrainte (CRsol à l’étape S4) visant à utiliser le troisième circuit pour limiter un gradient de température entre le fluide du deuxième circuit et l’eau du premier circuit.The method may further comprise the following step: - at the beginning of use of the second circuit (solar, in step S3), set a constraint (CRsol in step S4) to use the third circuit to limit a temperature gradient between the fluid of the second circuit and the water of the first circuit.
En pratique, cette nouvelle contrainte impose de réduire le nombre de consignes qu’il est possible de donner à N-l (cette contrainte prend un degré de liberté de gestion de l’installation).In practice, this new constraint requires reducing the number of instructions that can be given to N-1 (this constraint takes a degree of freedom of management of the installation).
Cette réalisation permet de gérer les situations de degré d’ensoleillement fort, susceptibles de détériorer l’échangeur ECH entre le circuit eau (1) et le circuit « solaire » (2) et met en œuvre alors le circuit de stockage thermique (3), comme on le verra dans un exemple de commande régulée plus loin. L’invention vise aussi un programme informatique (pour la partie software d’élaboration de consignes de commande) comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé ci-avant (ainsi qu’un support mémoire non-transitoire stockant de telles instructions), lorsque ce programme est exécuté par un processeur (par exemple le processeur PROC du circuit informatique représenté sur la figure 5). La figure 6 précédemment décrite peut correspondre à un exemple d’ordinogramme général d’un tel programme informatique.This embodiment makes it possible to manage situations with a high degree of sunshine, which can damage the ECH exchanger between the water circuit (1) and the "solar" circuit (2) and then implements the thermal storage circuit (3). , as will be seen in an example of controlled control below. The invention also relates to a computer program (for the software development of command instructions) comprising instructions for implementing the above method (and a non-transitory memory medium storing such instructions), when this program is executed by a processor (for example the processor PROC of the computer circuit shown in FIG. 5). Figure 6 previously described may correspond to an example of a general flow chart of such a computer program.
Présentation des figures D’ailleurs, d’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre schématiquement le fonctionnement d’un cycle combiné ; la figure 2 représente un circuit d’apport d’énergie solaire ; la figure 3 illustre schématiquement le fonctionnement d’un cycle combiné hybridé avec un circuit d’apport d’énergie solaire du type représenté sur la figure 2 ; la figure 4 illustre schématiquement une installation selon un exemple de réalisation de l’invention, incluant notamment un circuit de stockage thermique 3 ; la figure 5 illustre schématiquement un circuit informatique pour piloter une installation selon un exemple de réalisation de l’invention ; la figure 6 illustre schématiquement des étapes d’un procédé pour piloter une installation selon un exemple de réalisation de l’invention.Other features and advantages of the invention will become apparent from consideration of the detailed description below, and the accompanying drawings in which: Figure 1 schematically illustrates the operation of a combined cycle; FIG. 2 represents a solar energy supply circuit; FIG. 3 schematically illustrates the operation of a hybridized combined cycle with a solar energy supply circuit of the type shown in FIG. 2; FIG. 4 schematically illustrates an installation according to an exemplary embodiment of the invention, including in particular a thermal storage circuit 3; FIG. 5 schematically illustrates a computer circuit for controlling an installation according to an exemplary embodiment of the invention; FIG. 6 schematically illustrates steps of a method for controlling an installation according to an exemplary embodiment of the invention.
Il est donc proposé ici d’ajouter un moyen de stockage thermique et une régulation coordonnée pour aider au démarrage en mode d’apport solaire, ou pour aider au fonctionnement de la centrale dans les cas limites précités de sous-ensoleillement notamment.It is therefore proposed here to add a thermal storage means and a coordinated control to assist start-up in solar mode, or to help the operation of the plant in the aforementioned limiting cases of under sunlight in particular.
La régulation coordonnée permet de contrôler le fonctionnement du cycle combiné hybride en coordonnant les trois circuits de l’installation de production illustrée sur la figure 4, de manière optimale en utilisant le stockage thermique. Ces trois circuits sont : un circuit 1 pour le cycle combiné, avec circulation d’eau, un circuit 2 du concentrateur thermique solaire, avec par exemple une circulation d’huile en tant que fluide caloporteur HTF, et un circuit 3 de stockage thermique, avec circulation d’un fluide ayant des capacités de stockage thermique (contenant par exemple des sels fondus).Coordinated control makes it possible to control the operation of the hybrid combined cycle by coordinating the three circuits of the production plant illustrated in Figure 4, optimally using thermal storage. These three circuits are: a circuit 1 for the combined cycle, with circulation of water, a circuit 2 of the solar thermal concentrator, with for example a circulation of oil as heat transfer fluid HTF, and a thermal storage circuit 3, with circulation of a fluid having thermal storage capacities (for example containing molten salts).
Le stockage thermique permet d’emmagasiner la chaleur excédentaire de l’huile.Thermal storage can store excess heat from the oil.
Une telle réalisation permet d’éviter de dé-focaliser les miroirs en cas de fort ensoleillement. La perte de puissance est donc limitée.Such an embodiment makes it possible to avoid de-focusing the mirrors in the event of strong sunlight. The loss of power is therefore limited.
Par ailleurs, en cas de chute d’ensoleillement, la régulation coordonnée peut commander à un ou plusieurs modules de pilotage du circuit de stockage thermique 3 de produire de la vapeur dans le circuit 1 à la place du concentrateur solaire 2 (par l’intermédiaire des échangeurs de chaleur ECH23 et ECH). Le rendement continue alors à être optimal.Moreover, in the event of a fall in insolation, the coordinated regulation may control one or more control modules of the thermal storage circuit 3 to produce steam in the circuit 1 in place of the solar concentrator 2 (via heat exchangers ECH23 and ECH). The yield then continues to be optimal.
De plus, ce stockage thermique peut être utilisé pour éviter des arrêts de la turbine à combustion TG. Quand cette dernière doit passer sous son minimum technique de fonctionnement, au lieu de l’éteindre, on bloque le fonctionnement de la turbine TG au minimum technique pour stocker le surplus d’énergie produite dans l’un au moins des réservoirs RC de sels fondus du circuit 3. Dans l’exemple décrit ici, le stockage thermique considéré est un stockage indirect de sels fondus à deux réservoirs comme illustré sur la figure 4.In addition, this thermal storage can be used to prevent stopping of the TG combustion turbine. When the latter must pass under its technical operating minimum, instead of extinguishing it, it blocks the operation of the turbine TG minimum technical to store the surplus energy produced in at least one of the RC tanks of molten salts 3. In the example described here, the thermal storage considered is an indirect storage of molten salts with two reservoirs as illustrated in FIG.
Enfin, le stockage thermique peut aussi permettre d’utiliser la turbine à combustion TG à son maximum quand le prix du carburant MF est moins cher. En effet, quand le prix du carburant baisse, on utilise le plus possible la production d’énergie par la turbine TG et le surplus d’énergie produite peut être stocké ensuite dans le circuit 3.Finally, thermal storage can also make it possible to use the TG combustion turbine at its maximum when the price of MF fuel is cheaper. Indeed, when the price of the fuel decreases, the energy production is used as much as possible by the turbine TG and the excess energy produced can be stored in the circuit 3.
En ce qui concerne la coordination de fonctionnement de l’installation, on prévoit un circuit informatique (figure 5) jouant le rôle de coordinateur et agissant comme un contrôleur qui récupère les informations issues de différents capteurs prévus dans les sous-systèmes de l’installation (cycle combiné avec circuit 1, circuit solaire 2, circuit de stockage 3), qui optimise un problème global (production de puissance). Le coordinateur calcule les consignes pour chaque sous-système. Ces sous-systèmes ont chacun des contrôles locaux pour remplir les consignes envoyées par le coordinateur (via les modules de commande précités).With regard to the coordination of the operation of the installation, a computer circuit (FIG. 5) acting as a coordinator and acting as a controller that retrieves information from different sensors provided in the subsystems of the installation is provided. (combined cycle with circuit 1, solar circuit 2, storage circuit 3), which optimizes a global problem (power generation). The coordinator calculates the instructions for each subsystem. These subsystems each have local controls to fulfill the instructions sent by the coordinator (via the aforementioned control modules).
Pour assurer un bon compromis entre performances de commande et sollicitation des consignes, une commande linéaire quadratique avec une action intégrale, utilisant des états reconstruits par observations, est synthétisée.To ensure a good compromise between control performance and solicitation of commands, a quadratic linear command with an integral action, using states reconstructed by observations, is synthesized.
Le coordinateur contrôle les consignes par rapport à des valeurs de référence qui sont choisies pour satisfaire une demande globale. Pour cela, des actions intégrales sont ajoutées à un vecteur d'états x, comme décrit ci-après : • La puissance P du cycle combiné hybride (HCC pour « Hybrid Combined Cycle ») doit suivre la consigne de puissance globale désirée RP (commandée par le module Cil). Ainsi, une nouvelle variable est introduite :The coordinator controls the setpoints against reference values that are chosen to satisfy a global demand. For this purpose, integral actions are added to a state vector x, as described below: • The hybrid combined cycle (HCC) power P must follow the desired overall power setpoint RP (commanded by the Hybrid Combined Cycle). by the Cil module). Thus, a new variable is introduced:
• Les consignes (commandées par les modules C12, C13, 04) sur les trois niveaux des ballons (CNbp,CNmp,CNhp) doivent suivre leurs valeurs d'équilibre (RNbp,RNmp,RNhp). Le but est de conserver le niveau dans chaque ballon dans une certaine plage de valeurs. Ainsi, trois nouvelles variables sont définies :• The setpoints (commanded by the modules C12, C13, 04) on the three levels of the balloons (CNbp, CNmp, CNhp) must follow their equilibrium values (RNbp, RNmp, RNhp). The goal is to keep the level in each balloon within a certain range of values. Thus, three new variables are defined:
• Le débit de vapeur en sortie de couplage avec la partie solaire (Q) doit suivre la valeur du débit d'eau en entrée de la partie solaire (Qin). Ainsi, une nouvelle variable est ajoutée :• The steam flow at the coupling output with the solar part (Q) must follow the value of the input water flow of the solar part (Qin). So, a new variable is added:
• L'enthalpie de la vapeur en sortie de couplage avec la partie solaire (h) doit suivre la valeur de l'enthalpie de la vapeur dans le cycle combiné gaz (avec la turbine TG) (cycle noté CCG) au point d'injection (noté hcc ci-après) au niveau du surchauffeur SH. Ainsi, une autre nouvelle variable est également définie :• The enthalpy of the steam at the outlet of coupling with the solar part (h) must follow the value of the enthalpy of the vapor in the combined cycle gas (with the turbine TG) (cycle noted CCG) at the injection point (noted hcc below) at the superheater SH. Thus, another new variable is also defined:
Le débit Q et l’enthalpie h sont pilotés ensemble par les modules C21 et C22 de la figure 4. • Les enthalpies du fluide HTF en sortie de ligne de charge et de décharge (hch,hdch) du couplage avec le troisième circuit (pilotées par les modules C31 et C32), doivent suivre les valeurs d'enthalpie du fluide HTF au point d'injection de la ligne de charge et de décharge dans la partie solaire (Rhch, Rndch) (au niveau des concentrateurs TR). Cela permet d'injecter de l’huile HTF dans la partie solaire du deuxième circuit (notamment au niveau des concentrateurs TR) en respectant toujours des limites de température hautes de l'huile HTF. Cela permet par ailleurs de produire de la vapeur dans le circuit 1, même possiblement en absence d'irradiation solaire. On note ainsi les nouvelles variables :The flow rate Q and the enthalpy h are controlled together by the modules C21 and C22 of FIG. 4. The enthalpies of the HTF fluid at the outlet of the charge and discharge line (hch, hdch) from the coupling with the third circuit (piloted by the modules C31 and C32), must follow the enthalpy values of the HTF fluid at the injection point of the charge and discharge line in the solar part (Rhch, Rndch) (at the concentrators TR). This makes it possible to inject HTF oil into the solar part of the second circuit (especially at the TR concentrators) while always respecting the high temperature limits of the HTF oil. This also makes it possible to produce steam in the circuit 1, even possibly in the absence of solar irradiation. We note the new variables:
• Les niveaux des réservoirs froid et chaud (notés ici Lrf et IIe) (pilotés par les modules C33 et C34) doivent suivre la valeur d'équilibre de ces niveaux (RLrf, Rire). Cela permet de toujours conserver un stock thermique d'équilibre dans chacun des réservoirs. De plus, si un réservoir se remplit, le second se vide d'autant et inversement. Ainsi, un seul intégrateur est nécessaire pour influencer le comportement des deux réservoirs :• The levels of the cold and hot tanks (noted here Lrf and IIe) (controlled by the modules C33 and C34) must follow the equilibrium value of these levels (RLrf, Laugh). This makes it possible to always maintain an equilibrium thermal stock in each of the tanks. In addition, if one tank fills, the second empties all the same and vice versa. Thus, a single integrator is necessary to influence the behavior of the two tanks:
• Dans un exemple de réalisation, le gradient de température entre l’huile et l’eau dans le couplage entre les circuits 1 et 2 (noté δτ) peut aussi être contrôlé. Il doit suivre une référence imposée (RsT) qui permet de limiter sa variation et d’empêcher l’huile solaire de chauffer trop rapidement par rapport à la vapeur solaire. La variable correspondante est notée :In an exemplary embodiment, the temperature gradient between the oil and the water in the coupling between the circuits 1 and 2 (denoted δτ) can also be controlled. It must follow an imposed reference (RsT) that limits its variation and prevent the solar oil from heating too quickly compared to the solar steam. The corresponding variable is noted:
• En variante, on contrôle la puissance produite par la turbine à combustion (Ptac)· Cette dernière doit suivre une référence (RpTAC) imposée par le module de commande C4. La plupart du temps, cette référence correspond à un pourcentage de la puissance globale produite par l’installation, mais selon les cas, cette référence peut être modifiée et on note en tout état de cause la nouvelle variable :• In a variant, the power produced by the combustion turbine (Ptac) · The latter must follow a reference (RpTAC) imposed by the control module C4. Most of the time, this reference corresponds to a percentage of the total power produced by the installation, but depending on the case, this reference can be modified and in any case the new variable is noted:
La loi de commande finale prend donc la forme suivante :The final order law therefore takes the following form:
avec z = [z 1 ··· z10] et K,H les gains du contrôleur, calculés par minimisation de la fonction de coût quadratique :with z = [z 1 ··· z10] and K, H the controller gains, calculated by minimizing the quadratic cost function:
où xe = [x z] est le vecteur état du système étendu : regroupant les états du système x et les intégrateurs zL.where xe = [x z] is the state vector of the extended system: regrouping the states of the system x and the integrators zL.
Les pondérations Q et R dans l’expression intégrale ci-dessus sont choisies pour assurer une régulation précise des sorties avec une action adaptée sur les variables de commande tout en limitant autant que possible les variations de la puissance produite par la turbine à combustion TG.The weightings Q and R in the integral expression above are chosen to ensure precise control of the outputs with an appropriate action on the control variables while limiting as much as possible the variations in the power produced by the combustion turbine TG.
Les avantages liés à l’utilisation d’un stockage thermique, comme proposé dans l’installation au sens de l’invention, sont multiples :The advantages associated with the use of a thermal storage, as proposed in the installation within the meaning of the invention, are multiple:
La flexibilité de fonctionnement de l’installation dans son ensemble est améliorée, ce qui permet d’assouplir ses contraintes techniques et économiques, d’améliorer la qualité de la production.The operating flexibility of the installation as a whole is improved, which makes it possible to relax its technical and economic constraints, to improve the quality of production.
La gestion de la fourniture d’énergie en fonction de la demande et des performances de qualité et de flexibilité requises par le gestionnaire du réseau de distribution électrique, est meilleure. L’énergie peut être transférée selon les plages horaires en fonction de l’offre et de la demande journalière, mensuelle ou saisonnière. La consommation d'énergie n'est pas constante sur une journée. En d'autres termes, le stockage permet de décaler les puissances entre les heures de pointe et les heures creuses, ce qui permet de réduire les coûts de production.Demand-side management of energy supply and the quality and flexibility required by the power grid operator are better. Energy can be transferred according to time slots according to supply and demand daily, monthly or seasonal. Energy consumption is not constant over a day. In other words, storage allows power to be shifted between peak and off-peak hours, reducing production costs.
La consommation de combustible fossile peut alors être réduite car le stockage peut permettre d’utiliser aussi au maximum l’énergie solaire.The consumption of fossil fuel can then be reduced because the storage can make it possible to use as much as possible the solar energy.
Par ailleurs, une telle installation permet de réaliser un pilotage de son fonctionnement en coordination (en boucle fermée) et les avantages liées à un pilotage en coordination sont aussi multiples :Moreover, such an installation makes it possible to manage its operation in coordination (in a closed loop) and the advantages associated with co-ordination steering are also numerous:
Optimiser le rendement de l’installation en améliorant les performances dynamiques des sous-systèmes ;Optimize the performance of the installation by improving the dynamic performance of the subsystems;
Augmenter leur capacité de participation éventuelle aux services systèmes (il s’agit de la gestion de la réserve primaire et secondaire : il faut pouvoir répondre à 90% de la demande en 30 secondes et à 50% en 15 secondes). ;Increase their capacity to participate in systems services (this is the management of the primary and secondary reserve: 90% of demand must be answered in 30 seconds and 50% in 15 seconds). ;
Pallier les problèmes d’intermittence des énergies dites « fatales », facilitant leur intégration dans l’apport global énergétique ;To overcome the problems of intermittency of so-called "fatal" energies, facilitating their integration into the global energy supply;
Optimiser la flexibilité de l’installation ; Réduire la consommation du combustible.Optimize the flexibility of the installation; Reduce fuel consumption.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d’exemple ; elle s’étend à d’autres variantes.Of course, the present invention is not limited to the embodiments described above by way of example; it extends to other variants.
Ainsi, en alternative d’utiliser des miroirs cylindro-paraboliques et un stockage indirect de sels fondus à deux réservoirs comme illustré sur la figure 4, on peut prévoir une tour solaire avec apport thermique solaire direct à des sels fondus à deux réservoirs de part et d’autre de la tour solaire. Ainsi, les deuxième et troisième circuits précités deviennent confondus et la partie solaire devient une « branche » d’un circuit unique (avec l’équivalent de l’échangeur de chaleur ECH23 au niveau de la tour solaire). D’ailleurs, dans une autre variante, les trois circuits précités 1, 2 et 3 peuvent être confondus en un seul circuit d’eau, dont une branche porte des miroirs de Fresnel pour l’apport thermique solaire, et une autre branche comporte un accumulateur de vapeur pour le stockage thermique.Thus, as an alternative to using cylindro-parabolic mirrors and indirect storage of molten salts with two reservoirs as illustrated in FIG. 4, it is possible to provide a solar tower with direct solar thermal input to molten salts with two reservoirs on each side. else of the solar tower. Thus, the second and third aforementioned circuits become merged and the solar part becomes a "branch" of a single circuit (with the equivalent of the heat exchanger ECH23 at the solar tower). Moreover, in another variant, the three aforementioned circuits 1, 2 and 3 can be combined into a single water circuit, one branch of which carries Fresnel mirrors for the solar thermal input, and another branch comprises a Steam accumulator for thermal storage.
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