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DESCRIPTION
Procédé et dispositif de condensation d'appoint dans une centrale d'énergie
La présente invention se rapporte aux condenseurs utilisés dans les centrales d'énergie, en particulier dans les centrales électriques du type convertissant l'énergie thermique en énergie mécanique par détente d'un fluide à l'état gazeux.
Le cycle parcouru par le fluide dans ce type de centrale est classique. Le fluide est chauffé dans une chaudière et éventuellement un ou plusieurs surchauffeurs pour passer de l'état liquide à l'état gazeux sous haute pression, puis se détend dans une turbine d'où il ressort à l'état gazeux sous basse pression. Ce gaz à basse pression est ensuite condensé dans une installation de condensation avant d'être remis sous pression par une ou plusieurs pompes et renvoyé à la chaudière.
Classiquement, le fluide utilisé est de l'eau et le cycle présente donc successivement eau haute pression, vapeur haute pression, vapeur basse pression, eau basse pression, eau haute pression, etc...
Dans la description qui suit le fluide du cycle est l'eau, mais le procédé et le dispositif qui sont revendiqués peuvent s'appliquer à des cycles utilisant d'autres fluides que l'eau.
L'installation de condensation est constituée de condenseurs, pouvant être généralement soit des condenseurs du type aérocondenseur où l'échange de chaleur se fait avec l'air atmosphérique, soit des condenseurs du type à surface refroidis par de l'eau.
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L'eau de refroidissement des condenseurs à surface est soit de l'eau de rivière ou de l'eau de mer, non recyclée, soit de l'eau refroidie en circuit fermé dans un réfrigérant atmosphérique, qui est soit à contact direct eau-air (réfrigérant humide) soit constitué d'échangeurs thermiques sans contact direct eau-air (réfrigérant sec)
Les réfrigérants humides permettent un refroidissement plus performant, mais sont des consommateurs d'eau, en raison de l'évaporation, et ne peuvent donc pas être utilisés dans les régions où il n'y a pas suffisamment d'eau disponible.
Les aérocondenseurs sont des échangeurs de chaleur fluide-air où l'échange de chaleur a lieu à travers des parois étanches. Ces appareils sont plus coûteux et moins performants que les ensembles condenseur à surface + réfrigérant atmosphérique humide, mais sont indispensables dans les régions sèches. Toutefois les régions sèches sont, en général, des régions chaudes et les aérocondenseurs arrivent vite à ne plus pouvoir évacuer la chaleur de condensation à un niveau acceptable de température.
Du côté turbine, la pression de condensation augmente avec la température de condensation, mais il y a une limite maximale de pression que l'on ne peut dépasser. Il faut donc agir sur le condenseur si l'on veut éviter de réduire la charge thermique des turbines, voire de les arrêter pendant les pointes de température de l'ambiance atmosphérique. Ainsi, par exemple, dans une unité de production d'énergie de 100 MW thermique avec cycle thermodynamique utilisant l'eau comme fluide, un aérocondenseur d'une capacité nominale prédéterminée permet une condensation
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à 54 C sous 150 mbar lorsque la température ambiante est de 20oC. Si la température ambiante devient 30oC, la température de conden- sation deviendra 640C et la pression 240 mbar pour une même puissance thermique, avec rendement électrique moindre.
Une telle pression pourrait ne pas être acceptable pour les turbines et conduire à réduire leur charge thermique, c'est-à-dire la production d'électricité, voire à arrêter les turbines.
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Plusieurs solutions ont déjà été proposées pour remédier à ce problème. On peut surdimensionner les aérocondenseurs, mais cette solution est trop coûteuse, ou l'on peut adjoindre un condenseur à surface refroidi par eau. Dans ce dernier cas, on peut limiter l'utilisation de cet appareil aux moments où la température ambiante dépasse un seuil prédéterminé. Une telle solution est proposée dans les brevets US 3. 635. 042, US 3.685. 579 et US 4.301. 861. Ces solutions sont toutefois onéreuses étant donné qu'elles nécessitent un condenseur supplémentaire.
Le brevet US 2.545. 926 propose de refroidir l'air avant son entrée dans l'aérocondenseur en le mettant en contact avec de l'eau et les brevets US 3.851. 702 et 4.381. 817 proposent de refroidir les aérocondenseurs par aspersion d'eau. Ces solutions entraînent toutefois des problèmes de corrosion et d'encrassement des parois d'échange de chaleur des aérocondenseurs.
L'invention propose une solution simple, peu coûteuse et qui évite les problèmes rencontrés par les techniques suivant l'état de la-technique.
Selon l'invention, on utilise un aérocondenseur de type et de capacité classique et, lorsque la température atmosphérique devient trop élevée pour condenser efficacement le fluide, on refroidit, à l'aide d'eau, appelée dorénavant eau secondaire, la canalisation reliant l'élément de détente (en substance la ou les turbines) à l'aérocondenseur.
A cet effet, il suffit d'équiper cette canalisation, qui existe toujours et qui a souvent une longueur de plusieurs mètres, voire de quelques dizaines de mètres, d'un dispositif simple pour l'aménager en échangeur de chaleur fluide-eau sans contact direct.
Suivant une forme de mise en application préférentielle, on adjoin- dra à cette canalisation aménagée en échangeur de chaleur un circuit secondaire pour recycler l'eau secondaire via un réfrigérant atmosphérique humide.
L'aérocondenseur utilisé sera dimensionné pour reje- ter à l'atmosphère toute la chaleur de condensation aux conditions nominales.
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Ce circuit secondaire selon l'invention est mis en service essentiellement par fortes températures atmosphériques lorsque la pression de condensation approche de la limite maximale admissible, et éventuellement lorsque de l'eau est disponible pour ce circuit humide, qui, lorsqu'il est en service, améliore le rendement global de l'installation de production d'électricité.
L'avantage de cette solution aux problèmes des pointes d'ambiance à pleine charge est de ne pas modifier ni dans sa conception ni dans son emploi les aérocondenseurs qui sont des appareils coûteux, très sensibles à la corrosion et à l'encrassement.
Ces appareils restent conçus et dimensionnés de façon optimale pour les conditions nominales. Il n'y a ni aspersion d'eau sur les batteries de tubes de l'aérocondenseur, ni balayage de ces batteries par de l'air refroidi par humidification et dès lors chargé d'embruns, très néfastes. Il n'y a pas non plus de condenseur auxiliaire à surface, mais une utilisation rationnelle et judicieuse de la ou des canalisations de vapeur reliant la ou les turbines à l'aérocondenseur.
Cette canalisation va servir de condenseur d'appoint.
Son gros diamètre, dû au fait que le fluide y est sous forme gazeuse et non liquide, offre une grande surface d'échange par unité de longueur. Le fluide y circule généralement de façon turbulente, avec des coefficients d'échange thermiques élevés.
En ce qui concerne l'évacuation de la chaleur de l'eau secondaire de cette canalisation, elle aura de préférence lieu dans des réfrigérants atmosphériques de type connu fonctionnant de façon normale. Ils seront conçus (type de réfrigérant, matériaux, etc...) et dimensionnés pour correspondre à l'optimum. Ils pourront être pourvus d'auxiliaires usuels tels que pompe de circulation, circuit d'eau d'appoint, dispositif de purge, système de conditionnement de l'eau.
L'aménagement de la canalisation reliant la turbine à l'aérocondenseur en échangeur de chaleur peut se faire suivant plusieurs variantes, qui seront toujours basées sur l'écoulement d'eau froide le long de sa paroi extérieure. Cet écoulement peut
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se faire soit suivant la longueur de la canalisation, à contre-courant ou parallèlement à la circulation du fluide, soit transversalement à la canalisation.
Lorsque l'écoulement de l'eau a lieu suivant la longueur de la canalisation, celle-ci peut être doublée d'un manteau concentrique, constituant une canalisation à double paroi, une paroi intérieure et une paroi extérieure, entre lesquelles circule l'eau secondaire.
De préférence, la canalisation sera légèrement inclinée de façon à assurer l'évacuation aisée des condensats.
L'eau secondaire s'échauffe au cours de son parcours le long de la canalisation, généralement de plusieurs dizaines de mètres de long, et n'assure pas une condensation uniforme le long de cette canalisation. De préférence, on aura l'eau la plus chaude du côté où se dirigent, et s'accumulent, les condensats.
Lorsque l'écoulement a lieu transversalement à la canalisation, c'est normalement une eau à même température qui arrive tout le long du sommet de la canalisation sur toute sa longueur. Cette eau ruisselle sur les parois de la canalisation et est recueillie dans un chenal ouvert, sous la canalisation. Cette solution requiert un beaucoup plus gros débit d'eau que la précédente, mais les pertes de charge hydraulique sont plus faibles. La réalisation d'un chenal, par exemple en béton, est plus aisée que celle d'une canalisation spéciale à double paroi. Elle permet d'avoir la canalisation usuelle qu'on aurait en l'absence du dispositif auxiliaire de condensation. L'inspection et l'entretien de l'état de surface de la canalisation sont aisés.
Toutefois, une telle solution à grand débit d'eau et donc faible écart de température, requiert un réfrigérant humide plus cher que la solution à double paroi pour laquelle l'eau a un débit relativement faible et un écart de température relativement grand.
Après les périodes de températures ambiantes éle- vées, dans les dispositifs à chenaux, le chenal est vidangé ; la paroi de la canalisation se sèche rapidement sous l'effet de la tem-
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pérature de la vapeur ; l'inspection et l'entretien de la paroi extérieure de la canalisation et du chenal peuvent aisément avoir lieu.
Lorsqu'on reprend l'exemple cité ci-dessus d'une centrale de 100 MW thermiques, on obtiendrait avec un aérocondenseur d'une capacité nominale prédéterminée une température de condensation (Tcond) de 54 C et une pression de condensation (Pcond) de 150 mbar, lorsque la température ambiante est de 20 C.
Avec une température ambiante de 300C (et une humidité relative de 50%) la Tcond est de 640C et la Pcond est de 240 mbar.
Avec application du procédé selon l'invention, on obtient avec une T ambiante de 300C une Tcond de 590C et une Pcond de 180 mbar. La puissance évacuée par les aérocondenseurs est de 83 MW et la puissance évacuée par la canalisation, selon l'invention, est de 17 MW.
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Pour obtenir un même rendement, c'est-à-dire 180 mbar et 100 MW à 30 C de température ambiante, il faudrait surdimensionner la capacité des aérocondenseurs de 20%, ce qui coûterait deux à trois fois plus cher que le système selon l'invention.
L'invention sera illustrée ci-après à l'aide d'exemples de mises en application en se référant aux figures jointes, qui représentent : la figure 1 : un schéma d'un cycle de fluide d'une centrale élec- trique complété d'un circuit de condensation d'ap- point ; la figure 2 : une coupe transversale avec vue en perspective d'une canalisation aménagée selon l'invention.
En se référant à la figure 1, celle-ci représente partiellement et schématiquement le cycle classique d'une centrale électrique convertissant l'énergie thermique en énergie mécanique.
Le fluide utilisé est de l'eau. Le cycle se compose d'une pompe 1 et d'une chaudière 2 avec surchauffeurs 3 pour transformer l'eau en vapeur sous haute pression, d'une turbine 4 pour détendre la vapeur et d'un aérocondenseur 5 pour condenser la vapeur basse
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pression. La turbine 4 est reliée au condenseur 5 via une canalisation 10. La canalisation 10 est aménagée en échangeur de chaleur 7. A cet effet, elle est pourvue d'un manteau concentrique 11, constituant une double paroi. La vapeur venant de la turbine 4 circule dans le tube intérieur et l'eau secondaire entre les deux parois.
L'espace annulaire entre les deux parois est connecté à un circuit auxiliaire, composé de tours de réfrigération 13, de deux vannes d'isolement 14 et d'une pompe 12 permettant de mettre le circuit auxiliaire en service lorsque la température atmosphérique le demande.
Il est à remarquer que les différents équipements sont montrés d'une façon schématique, sans tenir compte de leurs dimensions réelles.
La figure 2 montre un autre mode d'exécution d'aménagement de la canalisation à vapeur 10. Dans cet exemple, la canalisation 10 est située dans un chenal en béton 17 et est aspergée avec de l'eau secondaire issue d'un tube 20 pourvu d'ajutages calibrés 23 et de disperseurs 24, qui sont des assiettes profilées dans lesquelles éclate le jet d'eau provenant des ajutages. La vapeur se condense partiellement le long des parois internes de la canalisation 10 et le condensat 15 se rassemble au bas de la canalisation 10. Le plan d'eau du chenal 17 est représenté par la référence 16. Le nombre d'ajutages-disperseurs 23-24 par unités de longueur du tube 20 et l'ouverture du jet d'aspersion sont tels que de l'eau ruisselle le plus uniformément possible sur toute la surface extérieure de la canalisation 10.
En variante, au lieu des ajutages-disperseurs 23-24, on pourrait concevoir des gicleurs ou tuyères dirigés vers le bas, ce qui nécessiterait une pression d'eau plus élevée dans le tube 20.