FR2976136A1 - Rankine cycle system for producing electricity for non-infinite type local electricity network utilized to supply electric power to load, has controller controlling closing of switch to trigger supply according to information characteristic - Google Patents
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Abstract
Description
DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un système à cycle de Rankine pour la production d'électricité pour un réseau local de type non infini pour alimenter des charges consommant de la puissance électrique. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a Rankine cycle system for the production of electricity for a non-infinite type local network for supplying loads consuming electrical power.
Plus précisément, la présente invention concerne un système de production d'électricité de 100kWe à 3MWe à source de chaleur externe, notamment un fluide caloporteur chauffé par combustion de biomasse dans une chaudière ou par concentration de l'énergie solaire ou par récupération de chaleur sur un procédé industriel ou issu d'un forage géothermique, fonctionnant comme unique producteur d'électricité sur un réseau électrique local, par exemple dans des zones isolées et non-connectées au réseau électrique dit « infini ». La production d'électricité est réalisée par un cycle thermodynamique dit « de Rankine ». Le fluide utilisé est un réfrigérant de type Hydrofluorocarbure (HFC). More specifically, the present invention relates to a power generation system of 100kWe to 3MWe external heat source, including a heat transfer fluid heated by burning biomass in a boiler or by concentration of solar energy or by heat recovery on an industrial process or derived from a geothermal drilling, operating as the sole producer of electricity on a local electrical network, for example in isolated areas and not connected to the so-called "infinite" electricity network. The production of electricity is carried out by a thermodynamic cycle called "Rankine". The fluid used is a Hydrofluorocarbon (HFC) refrigerant.
ETAT DE L'ART De tels dispositifs de production d'électricité fonctionnent depuis 1960 à partir de sources chaudes telles que des gaz chauds industriels, des sources géothermiques, ou un fluide caloporteur chauffé grâce à la combustion de biomasse dans une chaudière ou par concentration des rayons solaires grâce à des collecteurs. La source de chaleur permet de vaporiser un fluide de travail 8 différent de l'eau. La détente de ce fluide de travail 8 dans une turbine (radiale ou axiale) permet la production d'électricité. Ce fluide de travail 8 est ensuite condensé puis comprimé pour fermer le cycle. La technologie est appelée Cycle Organique de Rankine (ou Organic Rankine Cycle en anglais avec comme acronyme ORC). La quantité d'électricité produite par de tels modules, la tension et la fréquence du courant ne sont pas contrôlées par le gestionnaire du réseau électrique. La régulation est dite « au fil de l'eau », c'est-à-dire que la production d'électricité est dictée par la quantité d'énergie thermique à disposition et non par la quantité d'électricité souhaitée par les consommateurs. Cette incapacité à suivre la demande est due à l'absence de système permettant une réponse rapide de ces dispositifs à une variation de charge de la part du consommateur comme l'on peut observer lorsque le dispositif fonctionne comme unique producteur d'électricité. De tels dispositifs de production d'électricité ne sont à l'heure actuelle installés que sur des réseaux dits « infinis » où d'autres moyens de production d'électricité (turbines hydrauliques, turbines à gaz...) sont en charge de la régulation de la tension et de la fréquence du réseau et de la production d'électricité en cas de pics de consommation. L'alternateur du dispositif est alors de type asynchrone. STATE OF THE ART Such electricity generating devices have been operating since 1960 from hot sources such as industrial hot gases, geothermal sources, or a heat transfer fluid heated by the combustion of biomass in a boiler or by concentration of solar rays through collectors. The heat source makes it possible to vaporize a working fluid 8 different from the water. The expansion of this working fluid 8 in a turbine (radial or axial) allows the production of electricity. This working fluid 8 is then condensed and compressed to close the cycle. The technology is called the Organic Rankine Cycle (or Organic Rankine Cycle) with the ORC acronym. The amount of electricity produced by such modules, the voltage and the frequency of the current are not controlled by the manager of the electricity network. The regulation is called "on the water", that is to say that the production of electricity is dictated by the amount of thermal energy available and not by the amount of electricity desired by consumers. This inability to keep up with the demand is due to the absence of a system allowing these devices to respond quickly to a load variation on the part of the consumer, as can be seen when the device functions as the sole producer of electricity. Such electricity generation devices are currently installed only on so-called "infinite" networks where other means of generating electricity (hydraulic turbines, gas turbines, etc.) are in charge of the production of electricity. regulating the voltage and the frequency of the network and the production of electricity in case of peaks of consumption. The alternator of the device is then of the asynchronous type.
Dans certains cas, le dispositif peut être installé sur des réseaux électriques plus restreints (réseaux non-interconnectés) grâce à l'installation d'un alternateur de type synchrone. Cependant, là-aussi le dispositif ne peut être le seul dispositif de production d'électricité car il est incapable de réagir rapidement aux variations de charge des consommateurs. Dans ce cas, des moteurs diesels doivent être installés en parallèle du dispositif. In some cases, the device can be installed on smaller power grids (non-interconnected grids) by installing a synchronous type alternator. However, here too the device can not be the only device for generating electricity because it is unable to react quickly to consumer load variations. In this case, diesel engines must be installed in parallel with the device.
De plus, la plupart de ces dispositifs ne sont pas adaptés à un fonctionnement en zone isolée car ils utilisent des fluides de travail classés comme inflammables. Bien que les risques d'inflammation du dispositif soient très limités, cette particularité entraine une relative incompatibilité avec une utilisation dans des zones isolées et difficilement accessibles, où bien encore dans des environnements à risques. Le dispositif proposé ici correspond à un dispositif pouvant fonctionner de manière permanente (hors période de démarrage) comme unique producteur d'électricité d'un réseau donné. Un tel fonctionnement sera par la suite appelé mode régulation ». Le dispositif contient deux principaux modes de régulation (à la hausse et la baisse de charge) permettant de garantir en permanence des valeurs de tension et de fréquence du réseau comprise entre 80 et 110% des valeurs nominales. Contrairement à certains systèmes de l'art antérieur, l'installation pourra fonctionner en permanence en mode « régulation » et pas seulement lorsque l'installation est déconnectée du réseau « infini ». In addition, most of these devices are not suitable for operation in isolated areas because they use working fluids classified as flammable. Although the risk of ignition of the device is very limited, this feature causes a relative incompatibility with use in remote areas and difficult to access, where still in risk environments. The device proposed here corresponds to a device that can operate permanently (excluding start-up period) as the sole electricity producer of a given network. Such operation will subsequently be called regulation mode. The device contains two main modes of regulation (upward and downward) to permanently guarantee network voltage and frequency values between 80 and 110% of nominal values. Unlike some systems of the prior art, the installation will be able to operate continuously in "regulation" mode and not only when the installation is disconnected from the "infinite" network.
DESCRIPTION DE L'INVENTION DESCRIPTION OF THE INVENTION
A cet effet, on propose selon un premier aspect un système à cycle de Rankine pour la production d'électricité pour un réseau électrique local de type non infini pour alimenter des charges consommant de la puissance électrique, ledit système comprenant - un circuit fermé de fluide de travail reliant un évaporateur, une turbine, un condenseur et une pompe de circulation, - une source de chaleur commandée par un contrôleur et fournissant une puissance thermique à l'évaporateur du circuit fermé, - un générateur relié à ladite turbine et fournissant une puissance électrique au réseau électrique local, - une vanne de régulation pour réguler le débit de fluide de travail fourni à l'amont de la turbine, ladite vanne de régulation étant commandée par le contrôleur, ledit système comportant au moins un interrupteur de branche qui commande l'alimentation d'une branche du réseau électrique local, ainsi que des moyens de communication adaptés pour transmettre une requête de branchement au contrôleur lorsque l'on souhaite alimenter ladite branche du réseau local, le contrôleur : - maintenant ledit interrupteur de branche ouvert pendant une phase transitoire pendant laquelle le contrôleur commande la source de chaleur pour augmenter la puissance électrique disponible ou potentiellement immédiatement disponible en sortie du générateur, - et commandant la fermeture de l'interrupteur de branche afin de déclencher cette alimentation en fonction d'une information caractéristique de la puissance électrique disponible ou potentiellement immédiatement disponible en sortie du générateur. For this purpose, according to a first aspect, a Rankine cycle system is proposed for the production of electricity for a non-infinite type local electrical network for supplying loads consuming electrical power, said system comprising - a closed circuit of fluid working a connection between an evaporator, a turbine, a condenser and a circulation pump, - a heat source controlled by a controller and providing a thermal power to the evaporator of the closed circuit, - a generator connected to said turbine and providing a power electrical to the local electrical network, - a control valve for regulating the flow of working fluid supplied upstream of the turbine, said control valve being controlled by the controller, said system comprising at least one branch switch which controls the supply of a branch of the local electricity network, as well as appropriate means of communication to transmit a connection request to the controller when it is desired to supply said branch of the local network, the controller: - keeping said branch switch open during a transient phase during which the controller controls the heat source to increase the electric power available or potentially immediately available at the output of the generator, and controlling the closing of the branch switch to trigger this power supply according to information characteristic of the electric power available or potentially immediately available at the output of the generator.
L'invention selon le premier aspect est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possible : - le système comprend en outre un circuit de dérivation pour le fluide travail connectant l'évaporateur à l'aval de la turbine et comporte une vanne de dérivation commandée par le contrôleur, ledit contrôleur ouvrant ladite vanne de dérivation pendant la phase transitoire et commandant sa fermeture avec la fermeture de l'interrupteur de branche ; - l'information caractéristique de la puissance électrique disponible ou potentiellement immédiatement disponible en sortie du générateur qui est utilisée par le contrôleur est une information de débit et/ou de pression de vapeur dans le circuit fermé de fluide de travail et/ou dans le circuit de dérivation, cette information étant comparée à une valeur prédéterminée correspondant à la consommation électrique des charges de la nouvelle branche à alimenter; - le système comprend en outre des moyens de dissipation de puissance électrique connectés au réseau électrique local par un interrupteur commandé par le contrôleur, ledit contrôleur maintenant ledit interrupteur fermé pendant la phase transitoire et commandant son ouverture avec la fermeture de l'interrupteur de branche ; - l'information caractéristique de la puissance électrique disponible ou potentiellement immédiatement disponible en sortie du générateur qui est utilisée par le contrôleur est une information sur la puissance électrique en sortie du générateur et/ou dissipée par les moyens de dissipation électrique, cette information étant comparée à une valeur prédéterminée correspondant à la consommation électrique des charges de la nouvelle branche à alimenter ; - le système comporte des moyens de stockage d'énergie reliés au réseau électrique local par un interrupteur (26) commandé par le contrôleur ; - les moyens de stockage d'énergie comportent un volant d'inertie et un moteur électrique reliant le volant d'inertie et l'interrupteur ; - le contrôleur est adapté pour recevoir une information de stockage d'énergie par les moyens de stockage d'énergie ; - la source de chaleur comporte un circuit de fluide caloporteur et une chaudière à biomasse ou un collecteur solaire associé à un système de stockage d'énergie thermique. The invention according to the first aspect is advantageously completed by the following characteristics, taken alone or in any of their technically possible combinations: the system further comprises a bypass circuit for the working fluid connecting the evaporator downstream of the turbine and comprises a bypass valve controlled by the controller, said controller opening said bypass valve during the transient phase and controlling its closure with the closure of the branch switch; the characteristic information of the electrical power available or potentially immediately available at the output of the generator that is used by the controller is flow rate and / or vapor pressure information in the closed circuit of working fluid and / or in the circuit bypass, this information being compared to a predetermined value corresponding to the electrical consumption of the loads of the new branch to be supplied; - The system further comprises power dissipation means connected to the local electrical network by a switch controlled by the controller, said controller maintaining said switch closed during the transient phase and controlling its opening with the closure of the branch switch; the characteristic information of the electric power available or potentially immediately available at the output of the generator that is used by the controller is information on the electrical power output of the generator and / or dissipated by the electrical dissipation means, this information being compared at a predetermined value corresponding to the electrical consumption of the loads of the new branch to be supplied; - The system comprises energy storage means connected to the local electrical network by a switch (26) controlled by the controller; the energy storage means comprise an inertia flywheel and an electric motor connecting the flywheel and the switch; the controller is adapted to receive energy storage information by the energy storage means; - The heat source comprises a heat transfer fluid circuit and a biomass boiler or a solar collector associated with a thermal energy storage system.
Selon un second aspect, l'invention propose un procédé de commande d'un système à cycle de Rankine pour la production d'électricité pour un réseau électrique local de type non infini pour alimenter des charges consommant de la puissance électrique, ledit système comprenant - un circuit fermé de fluide de travail reliant un évaporateur, une turbine, un condenseur et une pompe de circulation, - une source de chaleur commandée par un contrôleur et fournissant une puissance thermique à l'évaporateur du circuit fermé, - un générateur relié à ladite turbine et fournissant une puissance électrique au réseau électrique local, - une vanne de régulation pour réguler le débit de fluide de travail fourni à l'amont de la turbine, ladite vanne de régulation étant commandée par le contrôleur, - au moins un interrupteur de branche qui commande l'alimentation d'une branche du réseau électrique local, - des moyens de communication adaptés pour transmettre une requête de branchement au contrôleur lorsque l'on souhaite alimenter ladite branche du réseau local, et selon ledit procédé, le contrôleur : - maintient ledit interrupteur de branche ouvert pendant une phase transitoire pendant laquelle le contrôleur commande la source de chaleur pour augmenter la puissance électrique disponible ou potentiellement immédiatement disponible en sortie du générateur, - et commande la fermeture de l'interrupteur de branche afin de déclencher cette alimentation en fonction d'une information caractéristique de la puissance électrique disponible ou potentiellement immédiatement disponible en sortie du générateur. According to a second aspect, the invention proposes a control method of a Rankine cycle system for the production of electricity for a non-infinite type of local electrical network for supplying loads consuming electrical power, said system comprising: a closed circuit of working fluid connecting an evaporator, a turbine, a condenser and a circulation pump, - a heat source controlled by a controller and providing a thermal power to the evaporator of the closed circuit, - a generator connected to said turbine and supplying electrical power to the local electrical network, - a control valve for regulating the flow of working fluid supplied upstream of the turbine, said control valve being controlled by the controller, - at least one branch switch which controls the supply of a branch of the local electrical network, - means of communication adapted to transmit a request for connecting to the controller when it is desired to supply said branch of the local network, and according to said method, the controller: - maintains said branch switch during a transitional phase during which the controller controls the heat source to increase the available electrical power or potentially immediately available at the output of the generator, - and controls the closing of the branch switch to trigger this power supply based on information characteristic of the electric power available or potentially immediately available at the output of the generator.
L'invention selon le second aspect est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possible : - le système comporte un circuit de dérivation pour le fluide de travail connectant l'évaporateur à l'aval de la turbine, et comportant une vanne de dérivation commandé par le contrôleur, et pendant une phase transitoire en réponse à une requête de branchement reçue par le contrôleur : - le contrôleur commande la source de chaleur pour augmenter la puissance électrique potentiellement immédiatement disponible en sortie du générateur par l'augmentation de la puissance délivrée à l'évaporateur, - la vanne de dérivation s'ouvre progressivement de sorte à réguler la pression en amont de ladite vanne de dérivation, - le contrôleur maintient l'interrupteur de branche ouvert, - le contrôleur maintient l'ouverture de la vanne de régulation sensiblement constante afin que le débit de fluide de travail au travers de ladite vanne de régulation soit maintenu sensiblement constant de sorte à maintenir sensiblement constante la puissance électrique générée par le générateur, et à la fin de la période transitoire en réponse à une information caractéristique de la puissance électrique potentiellement immédiatement disponible reçue par le contrôleur : - le contrôleur commande la fermeture de l'interrupteur de branche, - le contrôleur commande l'augmentation de l'ouverture de la vanne de régulation, - le contrôleur commande la fermeture de la vanne de dérivation ; - le système comporte des moyens de régulation de puissance électrique aptes à être connectés audit réseau électrique local, et pendant une phase transitoire en réponse à une requête de branchement reçue par le contrôleur : - le contrôleur commande la source de chaleur pour augmenter la puissance électrique disponible en sortie du générateur par l'augmentation de la puissance délivrée à l'évaporateur, - la vanne de régulation s'ouvre progressivement de sorte à réguler la pression en amont de ladite vanne de régulation, - le contrôleur maintient l'interrupteur de branche ouvert, - des moyens de régulation de puissance sont connectés au réseau électrique local, et à la fin de la période transitoire en réponse à une information caractéristique de la puissance électrique disponible reçue par le contrôleur : - le contrôleur commande la fermeture de l'interrupteur de branche, - le contrôleur commande la déconnexion des moyens de régulation de puissance ; - les moyens de régulation de puissance comportent : - des moyens de stockage d'énergie connectés au réseau électrique local par un interrupteur de stockage commandé par le contrôleur, - des moyens de dissipation de l'électricité reliés au réseau électrique local par un interrupteur de dissipation commandé par le contrôleur, et la commande des interrupteurs de stockage et de dissipation prend en compte une information de stockage d'énergie par les moyens de stockage d'énergie. The invention according to the second aspect is advantageously completed by the following characteristics, taken alone or in any of their technically possible combinations: the system comprises a bypass circuit for the working fluid connecting the evaporator downstream of the turbine, and having a bypass valve controlled by the controller, and during a transient phase in response to a branch request received by the controller: - the controller controls the heat source to increase the potentially available power immediately at the output of the generator by increasing the power delivered to the evaporator, - the bypass valve opens gradually so as to regulate the pressure upstream of said bypass valve, - the controller maintains the open branch switch, - the controller maintains the opening of the control valve substantially constant so that the flow rate of working fluid through said control valve is kept substantially constant so as to maintain substantially constant electric power generated by the generator, and at the end of the transient period in response to a characteristic information of the potentially immediately available electrical power received by the controller: - the controller controls the closing of the branch switch, - the controller controls the increase of the opening of the control valve, - the controller controls the closing of the bypass valve; the system comprises electrical power regulation means adapted to be connected to said local electrical network, and during a transient phase in response to a connection request received by the controller: the controller controls the heat source to increase the electrical power available at the output of the generator by increasing the power delivered to the evaporator, - the control valve opens gradually so as to regulate the pressure upstream of said control valve, - the controller maintains the branch switch open, - power regulation means are connected to the local electrical network, and at the end of the transient period in response to information characteristic of the available electrical power received by the controller: - the controller controls the closing of the switch branch, - the controller controls the disconnection of the power control means this; the power regulation means comprise: energy storage means connected to the local electrical network by a storage switch controlled by the controller; electricity dissipation means connected to the local electrical network by a power switch; dissipation controlled by the controller, and the control of the storage and dissipation switches takes into account energy storage information by the energy storage means.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative. Cette description doit être lue sur la base des dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 représente le dispositif dans sa version préférée où la source de chaleur est un fluide caloporteur chauffé grâce à la combustion de biomasse dans une chaudière. Le fluide caloporteur peut être de l'eau sous forme vapeur ou liquide ou de l'huile thermique ; La figure 2 représente une seconde version du dispositif où la source de chaleur est un fluide caloporteur chauffé grâce au rayonnement solaire à l'aide de concentrateurs solaires. Le fluide caloporteur peut être de l'eau sous forme vapeur ou liquide ou de l'huile thermique ou tout autre fluide chaud à une température suffisante. PRESENTATION OF THE FIGURES Other features and advantages of the invention will become apparent from the description which follows, which is purely illustrative and not limiting. This description should be read on the basis of the accompanying drawings, in which: Figure 1 shows the device in its preferred version where the heat source is a heat transfer fluid heated by the combustion of biomass in a boiler. The heat transfer fluid may be water in vapor or liquid form or thermal oil; Figure 2 shows a second version of the device where the heat source is a heat transfer fluid heated by solar radiation using solar concentrators. The heat transfer fluid may be water in vapor or liquid form or thermal oil or other hot fluid at a sufficient temperature.
DESCRIPTION DETAILLEE Le dispositif selon le premier aspect utilise un cycle thermodynamique appelée « cycle de Rankine ». Ce cycle est théoriquement composé d'une compression isentropique, d'une vaporisation isobare, d'une détente isentropique et d'une condensation isobare d'un fluide appelé « fluide de travail ». En pratique, la détente et la compression du fluide ne sont pas isentropiques. Le fluide de travail étant différent de l'eau, on appelle un tel cycle un Cycle Organique de Rankine (ou Organic Rankine Cycle en anglais avec comme acronyme ORC). DETAILED DESCRIPTION The device according to the first aspect uses a thermodynamic cycle called "Rankine cycle". This cycle is theoretically composed of isentropic compression, isobaric vaporization, isentropic expansion and isobaric condensation of a fluid called "working fluid". In practice, the expansion and compression of the fluid are not isentropic. Since the working fluid is different from water, such a cycle is called an Organic Rankine Cycle (or Organic Rankine Cycle).
Le système thermodynamique à cycle de Rankine pour la production d'électricité pour un réseau électrique local de type non infini pour alimenter des charges consommant de la puissance électrique est illustré par les figures 1 et 2. Un tel système comporte notamment: - un circuit fermé de fluide de travail 8 reliant un évaporateur 11, une turbine 10, un condenseur 13 et une pompe de circulation 14, 7 - une source de chaleur commandée par un contrôleur 16 et fournissant une puissance thermique à l'évaporateur 11 du circuit fermé, - un générateur 15 relié à ladite turbine 10 et fournissant une puissance électrique au réseau électrique local, - une vanne de régulation 20 pour réguler le débit de fluide de travail 8 fourni à l'amont de la turbine 10, ladite vanne de régulation 20 étant commandée par le contrôleur 16. The Rankine cycle thermodynamic system for the production of electricity for a non-infinite type of local electrical network for supplying loads consuming electrical power is illustrated by FIGS. 1 and 2. Such a system comprises in particular: a closed circuit working fluid 8 connecting an evaporator 11, a turbine 10, a condenser 13 and a circulation pump 14, 7 - a heat source controlled by a controller 16 and providing a thermal power to the evaporator 11 of the closed circuit, a generator 15 connected to said turbine 10 and supplying electrical power to the local electrical network; - a regulating valve 20 for regulating the flow of working fluid 8 supplied upstream of the turbine 10, said control valve being controlled by the controller 16.
La source de chaleur peut comporter une chaudière 6 à combustion de biomasse associée à un circuit 9 de fluide caloporteur apportant l'énergie thermique à l'évaporateur 11. Un tel système est illustré par la figure 1. La chaudière est commandée par le contrôleur 16, notamment par le biais de son alimentation en combustible et/ou en comburant. The heat source may comprise a biomass combustion boiler 6 associated with a heat transfer fluid circuit 9 supplying thermal energy to the evaporator 11. Such a system is illustrated in FIG. 1. The boiler is controlled by the controller 16 , in particular through its supply of fuel and / or oxidant.
La figure 2 correspond à un deuxième type d'installation du système où la source de chaleur n'est plus un fluide caloporteur chauffé grâce à la combustion de biomasse dans une chaudière mais un fluide caloporteur chauffé grâce à la concentration des rayons solaires par un ensemble de collecteurs 7. Dans ce type d'installation un système de stockage d'énergie thermique 40 est ajouté pour stocker le fluide caloporteur avant alimentation de l'évaporateur 11, par exemple comportant un réservoir de fluide caloporteur tel qu'un ballon préservant la chaleur dudit fluide caloporteur. Le contrôleur 16 commande le système de régulation du réservoir 40 de stockage d'énergie thermique afin de commander la source de chaleur fournissant l'énergie thermique à l'évaporateur 11. Figure 2 corresponds to a second type of installation of the system where the heat source is no longer a heat transfer fluid heated by the combustion of biomass in a boiler but a heat transfer fluid heated by the concentration of solar rays by a set 7. In this type of installation, a thermal energy storage system 40 is added to store the heat transfer fluid before feeding the evaporator 11, for example comprising a heat transfer fluid reservoir such as a heat-retaining flask. said heat transfer fluid. The controller 16 controls the control system of the thermal energy storage tank 40 to control the heat source supplying the thermal energy to the evaporator 11.
L'évaporateur 11 permet la vaporisation du fluide de travail 8 à une pression absolue supérieure à 1 500 000 Pa. Cet évaporateur 11 est en pratique un échangeur thermique entre le fluide caloporteur lié à la source de chaleur et le fluide de travail 8 du circuit fermé. The evaporator 11 allows the vaporization of the working fluid 8 at an absolute pressure greater than 1,500,000 Pa. This evaporator 11 is in practice a heat exchanger between the heat transfer fluid connected to the heat source and the working fluid 8 of the circuit closed.
Le fluide de travail 8 circulant dans le circuit fermé est de préférence un mélange de réfrigérants de type hydrofluorocarbures, possédant la particularité de ne pas posséder de point éclair et donc de ne pas être classé comme fluide inflammable. Grâce à ce choix de fluide de travail 8, l'exploitation du système sera facilitée, et en particulier en zone isolée ou à risque. The working fluid 8 circulating in the closed circuit is preferably a mixture of hydrofluorocarbon type refrigerants, having the particularity of not having a flash point and therefore not to be classified as flammable fluid. With this choice of working fluid 8, the operation of the system will be facilitated, especially in isolated or at risk area.
La turbine 10 est de préférence de type axial et assure la détente du fluide de travail 8 entre une pression absolue supérieure à 200 000 Pa et une pression absolue inférieure à 400 000 Pa. Cette turbine 10 fourni le générateur 15 en puissance mécanique. Le générateur 15 mécaniquement associée à la turbine 10 est de préférence de type synchrone. Ce générateur 15 est connecté au réseau local auquel il fourni l'électricité. The turbine 10 is preferably of the axial type and ensures the expansion of the working fluid 8 between an absolute pressure greater than 200,000 Pa and an absolute pressure of less than 400,000 Pa. This turbine 10 supplies the generator 15 with mechanical power. The generator 15 mechanically associated with the turbine 10 is preferably of the synchronous type. This generator 15 is connected to the local network to which it provides electricity.
Le condenseur 13 assurant la condensation du fluide de travail 8 à pression absolue constante inférieure à 300 000 Pa. La pompe de circulation 14 est équipée d'un moteur à vitesse variable et permet de comprimer le fluide de travail 8 et d'assurer la circulation au travers du circuit fermé. The condenser 13 ensuring the condensation of the working fluid 8 at constant absolute pressure less than 300 000 Pa. The circulation pump 14 is equipped with a variable speed motor and can compress the working fluid 8 and ensure the circulation through the closed circuit.
De façon courante, le système dispose d'un circuit de secours équipé d'une vanne de détente 22 permettant de court-circuiter totalement la turbine 10 (avec un débit maximal accepté égal à 110% du débit de fluide nominal du circuit fermé); Le réseau électrique local est dit faible, c'est-à-dire qu'il n'est pas raccordé à un réseau global dit infini qui assurerait la régularisation de la tension et de la fréquence. L'ajout d'un système de production d'électricité à cycle de Rankine peut déséquilibrer certains paramètres du réseau, car la puissance totale fournie par les éventuels autres producteurs du réseau peut être limitée par rapport à la puissance du système de production d'électricité à cycle de Rankine. Par conséquent, le système thermodynamique de production d'électricité à cycle de Rankine doit être en mesure de réguler la tension et la fréquence du réseau local. Le réseau électrique local comporte des branches auxquelles sont connectées des charges consommant de la puissance électrique. Au moins une branche associée au système thermodynamique de production d'électricité à cycle de Rankine est munie en série d'un interrupteur 25, qui, lorsqu'il est ouvert, empêche la transmission de puissance électrique aux éventuelles charges qui sont connectées à ladite branche, et permet la transmission de puissance électrique aux éventuelles charges qui sont connectées à ladite branche lorsqu'il est fermé. Currently, the system has an emergency circuit equipped with an expansion valve 22 for completely short-circuiting the turbine 10 (with a maximum accepted flow rate equal to 110% of the nominal fluid flow rate of the closed circuit); The local electrical network is said to be weak, that is to say that it is not connected to an infinite global network that would regulate voltage and frequency. The addition of a Rankine cycle power generation system may unbalance some network parameters because the total power provided by potential other grid generators may be limited by the power of the electricity generating system. at Rankine cycle. Therefore, the Rankine cycle thermodynamic power generation system must be able to regulate the voltage and frequency of the local network. The local electrical network has branches to which loads are connected consuming electrical power. At least one branch associated with the Rankine cycle thermodynamic power generation system is provided in series with a switch 25, which, when open, prevents the transmission of electrical power to any loads connected to said branch. , and allows the transmission of electrical power to any loads that are connected to said branch when closed.
De préférence, le réseau comporte une pluralité de branches associées au système thermodynamique de production d'électricité à cycle de Rankine comportant chacune un interrupteur 25, chacune des branches étant destinée à l'alimentation d'une charge, ou de plusieurs charges présentant une consommation simultanée de puissance électrique. Pour des raisons de simplification et de modélisation dans la présente description, ces charges seront alors désignées par une unique charge, vue depuis le système de production électrique. Preferably, the network comprises a plurality of branches associated with the thermodynamic system for generating Rankine cycle electricity, each comprising a switch 25, each of the branches being intended for feeding a load, or several loads having a consumption. simultaneous electric power. For reasons of simplification and modeling in the present description, these charges will then be designated by a single charge, seen from the electrical production system.
Le système comporte en outre des moyens de communication adaptés pour transmettre une requête de branchement au contrôleur 16. Cette requête est envoyée au contrôleur 16 lorsqu'une charge est destinée à être connectée à une branche munie d'un interrupteur 25. Ces moyens de communication peuvent par exemple prendre la forme d'une ligne téléphonique, associé à des moyens de traitement de signal dans le contrôleur 16 et à des moyens d'envoi de signal. Ces moyens d'envoi de signal se trouvent par exemple au niveau du branchement des charges, afin de permettre à un opérateur desdites charges à être alimentées d'envoyer une requête en ce sens. The system further comprises communication means adapted to transmit a connection request to the controller 16. This request is sent to the controller 16 when a load is intended to be connected to a branch provided with a switch 25. These communication means can for example take the form of a telephone line, associated with signal processing means in the controller 16 and means for sending signal. These signal sending means are for example at the connection of the loads, to allow an operator of said loads to be powered to send a request in this direction.
Selon le mode de réalisation préféré, le circuit fermé comporte un circuit de dérivation équipé d'une vanne de dérivation 21 permettant de court-circuiter en partie la turbine 10 (avec un débit maximal couramment accepté égal à 20% du débit nominal) en connectant l'évaporateur 11 avec de préférence le récupérateur 12 ou éventuellement le condenseur 13. Il s'agit du mode de réalisation illustré par les figures 1 et 2. According to the preferred embodiment, the closed circuit comprises a bypass circuit equipped with a bypass valve 21 making it possible to partially short-circuit the turbine 10 (with a currently accepted maximum flow rate equal to 20% of the nominal flow rate) by connecting the evaporator 11 with preferably the recuperator 12 or possibly the condenser 13. This is the embodiment illustrated by Figures 1 and 2.
Le système selon une réalisation préférée comporte en outre des moyens de régulation de puissance électrique aptes à être connectés au réseau électrique local. Ces moyens de régulation de puissance peuvent comprendre des moyens de stockage d'énergie reliés au réseau électrique local par un interrupteur 26, ledit interrupteur 26 étant commandé par le contrôleur 16. Ces moyens de stockage d'énergie peuvent comporter un volant d'inertie 18 et un moteur électrique 19 reliant ledit volant d'inertie 18 à l'interrupteur 26. Le moteur 19 est un moteur électrique de type synchrone couplé au volant d'inertie 18 de sorte à pouvoir entraîner ledit volant 18 en rotation lorsque le moteur 19 est utilisé en tant que moteur et à pouvoir générer de l'électricité au moyen de la rotation dudit volant 18 lorsque le moteur 19 est utilisé en tant générateur. De préférence, le contrôleur 16 est adapté pour recevoir une information de stockage d'énergie par les moyens de stockage d'énergie, ladite information concernant la quantité d'énergie stockée par lesdits moyens. Dans le cas d'un système inertiel de stockage tel que l'association d'un volant 18 avec un moteur 19, cette information peut consister en une mesure de la vitesse du volant d'inertie 18, ou bien encore simplement une indication qu'un seuil de vitesse a été atteint par le volant d'inertie 18. The system according to a preferred embodiment further comprises electric power control means adapted to be connected to the local electrical network. These power regulation means may comprise energy storage means connected to the local electrical network by a switch 26, said switch 26 being controlled by the controller 16. These energy storage means may comprise a flywheel 18 and an electric motor 19 connecting said flywheel 18 to the switch 26. The motor 19 is a synchronous type electric motor coupled to the flywheel 18 so as to drive said flywheel 18 in rotation when the motor 19 is used as a motor and to be able to generate electricity by means of the rotation of said flywheel 18 when the motor 19 is used as a generator. Preferably, the controller 16 is adapted to receive energy storage information by the energy storage means, said information concerning the amount of energy stored by said means. In the case of an inertial storage system such as the combination of a steering wheel 18 with a motor 19, this information may consist of a measurement of the speed of the flywheel 18, or simply an indication that a speed threshold has been reached by the flywheel 18.
Le dimensionnement des moyens de stockage d'énergie doit être suffisant pour réguler la puissance sur le réseau électrique local. Ainsi, lesdits moyens de stockage d'énergie doivent pourvoir stocker suffisamment d'énergie pour répondre aux variations de consommation de puissance électrique par les charges connectées au réseau local. Afin de disposer d'une marge de manoeuvre suffisante, le dimensionnement des moyens de stockage d'énergie peut être réalisé de sorte que l'énergie stockée corresponde à l'énergie consommée par les deux charges du réseau local consommant le plus de puissance électrique pendant le temps qu'il faudrait au système pour augmenter sa production électrique de la puissance correspondant à la somme des puissances maximales consommées par lesdites deux charges. The sizing of the energy storage means must be sufficient to regulate the power on the local power grid. Thus, said energy storage means must be able to store enough energy to respond to variations in power consumption by the loads connected to the local network. In order to have sufficient room for maneuver, the dimensioning of the energy storage means can be carried out so that the stored energy corresponds to the energy consumed by the two loads of the local network consuming the most electrical power during the time it would take the system to increase its electrical output of the power corresponding to the sum of the maximum powers consumed by said two charges.
En d'autres termes : Soient Pmax1 et Pmax2 les puissances respectives des deux plus grosses charges du réseau local. Soient tmaxiet tmax2 les temps respectifs pour que le système produise un surplus de puissance correspondant à Pmaxi + Pmax2- Les moyens de stockage d'énergie doivent alors être dimensionnés de sorte de stocker une énergie maximale Emax correspondant à (Pmaxi + Pmax2-( tmaxl + tmax2). Dans le cas d'un volant d'inertie, cette capacité de stockage sera notamment fonction de la masse dudit volant d'inertie, de la répartition axiale de ladite masse ainsi que de la vitesse maximale dudit volant d'inertie. In other words: Let Pmax1 and Pmax2 be the respective powers of the two largest loads of the local network. Let tmaxiet tmax2 be the respective times for the system to produce a power surplus corresponding to Pmaxi + Pmax2- The energy storage means must then be sized so as to store a maximum energy Emax corresponding to (Pmaxi + Pmax2- (tmaxl + In the case of a flywheel, this storage capacity will be a function of the mass of said flywheel, the axial distribution of said mass and the maximum speed of said flywheel.
Les moyens de régulation de puissance peuvent comporter des moyens de dissipation de puissance électrique connectés au réseau local par un interrupteur commandé par le contrôleur 16. Ces moyens de dissipation de puissance électrique peuvent être un banc de résistances dimensionné de façon à être capable de dissiper une puissance électrique correspondant à la puissance consommée par la charge du réseau qui consomme le plus de puissance, ou éventuellement par plusieurs de ces charges. The power regulation means may comprise electrical power dissipation means connected to the local network by a switch controlled by the controller 16. These electrical power dissipation means may be a resistance bank sized so as to be able to dissipate a voltage. electrical power corresponding to the power consumed by the load of the network which consumes the most power, or possibly by several of these loads.
Dans un mode de réalisation préféré, les moyens de régulation de puissance comportent à la fois des moyens de stockage d'énergie et des moyens de dissipation de puissance. Ainsi, en cas de puissance électrique superflue générée par le système, l'énergie est d'abord stockée dans les moyens de stockage d'énergie. Une fois que l'information de stockage d'énergie correspondant à une quantité maximale d'énergie stockée est reçue par le contrôleur 16, celui-ci commande la déconnection des moyens de stockage d'énergie et la connexion des moyens de dissipation de puissance, au moyen de leurs interrupteurs respectifs. Ces interrupteurs peuvent d'ailleurs prendre la forme d'un seul commutateur commandé par les contrôleurs 16 et basculants entre des positions alternatives dans lesquelles : - les moyens de stockage d'énergie sont connectés, - les moyens de dissipation de puissance sont connectés, - le commutateur est ouvert. In a preferred embodiment, the power control means comprise both energy storage means and power dissipation means. Thus, in case of unnecessary electrical power generated by the system, the energy is first stored in the energy storage means. Once the energy storage information corresponding to a maximum amount of stored energy is received by the controller 16, the latter controls the disconnection of the energy storage means and the connection of the power dissipation means, by means of their respective switches. These switches can also take the form of a single switch controlled by the controllers 16 and tilting between alternative positions in which: - the energy storage means are connected, - the power dissipation means are connected, - the switch is open.
La présence de moyens de dissipation d'énergie peut pallier l'absence de circuit de dérivation dans le circuit fermé de fluide de travail 8, ainsi qu'il est décrit plus bas dans la description du mode de fonctionnement d'un système selon l'invention. The presence of energy dissipation means can mitigate the absence of bypass circuit in the closed circuit of working fluid 8, as described below in the description of the operating mode of a system according to the invention. invention.
Le système peut en outre comporter un capteur de pression 24 relié au contrôleur 16 pour mesurer la pression dans le circuit fermé de fluide de travail 8 en amont de la vanne de régulation 20, ainsi qu'un capteur de vitesse 23 pour mesurer la vitesse de rotation de la turbine 10. The system may further comprise a pressure sensor 24 connected to the controller 16 for measuring the pressure in the closed circuit of working fluid 8 upstream of the regulating valve 20, and a speed sensor 23 for measuring the speed of the rotation of the turbine 10.
Selon un second aspect, l'invention concerne également un procédé de commande d'un système selon le premier aspect. La suite de la description concerne le mode de fonctionnement du système lorsque celui-ci est commander au moyen du procédé selon le second aspect, durant cinq modes de fonctionnement distincts - mode 1, mode 2a et 2b, mode 3 et mode 4 - décrits ci- après. According to a second aspect, the invention also relates to a control method of a system according to the first aspect. The following description relates to the mode of operation of the system when it is controlled by means of the method according to the second aspect, during five distinct operating modes - mode 1, mode 2a and 2b, mode 3 and mode 4 - described herein. - after.
Le mode 1 correspond au fonctionnement stable de l'installation où la production électrique du dispositif est strictement égale à la consommation de ses auxiliaires et des charges du réseau local. Dans ce cas de base, les caractéristiques du réseau local - fréquence et tension - sont maintenues constantes et égales à leurs valeurs nominales. Mode 1 corresponds to the stable operation of the installation where the electrical output of the device is strictly equal to the consumption of its auxiliaries and local network loads. In this basic case, the characteristics of the local network - frequency and voltage - are kept constant and equal to their nominal values.
Le mode 2a débute lorsqu'un nouveau consommateur s'apprête à connecter une nouvelle charge au réseau local et correspond à une phase transitoire pendant laquelle le contrôleur 16 commande la source de chaleur pour augmenter la puissance électrique disponible ou potentiellement immédiatement disponible en sortie du générateur 15. Mode 2a begins when a new consumer is preparing to connect a new load to the local network and corresponds to a transitional phase during which the controller 16 controls the heat source to increase the electric power available or potentially immediately available at the output of the generator 15.
Le mode 2b débute lorsque la puissance appelée augmente effectivement, c'est-à-dire lorsque la nouvelle charge est connectée au réseau local, et que la puissance produite par l'installation ORC n'est pas suffisante. Elle se termine lorsque la puissance mécanique produite par la turbine a suffisamment augmenté pour égaler la puissance électrique consommée par les charges (l'installation repasse alors en mode 1). Mode 2b starts when the called power actually increases, ie when the new load is connected to the local network, and the power produced by the ORC installation is not sufficient. It ends when the mechanical power produced by the turbine has increased enough to equal the electrical power consumed by the loads (the installation then returns to mode 1).
Dans un système ORC de l'art antérieur, le branchement d'une nouvelle charge provoque un déficit entre le couple mécanique disponible au niveau de la turbine et le couple résistif lié aux charges, entrainant une baisse de la fréquence et de la tension du réseau. En pratique les installations ORC de l'art antérieur ne réagissent pas assez rapidement et ce mode dure trop longtemps, entrainant alors une chute du réseau. C'est notamment pour cette raison que les installations ORC de l'art antérieur sont connectées sur un réseau de type "infini" où d'autres unités de production électrique sont en charge du maintien de la tension et de la fréquence du réseau. In an ORC system of the prior art, the connection of a new load causes a deficit between the mechanical torque available at the turbine and the load-related resistive torque, causing a decrease in the frequency and voltage of the network. . In practice the ORC installations of the prior art do not react fast enough and this mode lasts too long, thus causing a fall of the network. This is particularly the reason why the ORC installations of the prior art are connected to an "infinite" type network where other electrical production units are in charge of maintaining the voltage and the frequency of the network.
Dans le cas du système selon l'invention, une requête de branchement de ladite nouvelle charge est envoyée au contrôleur 16 dès le début du mode 2a via les moyens de communication avec le contrôleur 16. Le contrôleur 16 est ainsi informé de la future demande d'une puissance électrique supplémentaire nécessaire à la consommation électrique de ladite nouvelle charge qui va être branchée. De préférence, la nouvelle charge est branchée sur une branche dédiée du réseau électrique local, associée avec le système de production d'électricité à cycle de Rankine. La puissance électrique nécessaire à l'alimentation de la nouvelle charge est préalablement renseignée dans le contrôleur 16 et associée à ladite branche, de sorte que la requête de branchement de la nouvelle charge à ladite branche est associée à une puissance électrique donnée. In the case of the system according to the invention, a connection request for said new load is sent to the controller 16 from the beginning of the mode 2a via the communication means with the controller 16. The controller 16 is thus informed of the future request for an additional electric power necessary for the electrical consumption of said new charge which will be connected. Preferably, the new load is connected to a dedicated branch of the local power grid, associated with the Rankine cycle power generation system. The electrical power required to supply the new load is previously entered in the controller 16 and associated with said branch, so that the connection request of the new load to said branch is associated with a given electrical power.
Cette puissance électrique nécessaire à l'alimentation des charges de la branche munie de l'interrupteur 25 est préalablement associée à une valeur prédéterminée de débit et/ou une pression de vapeur dans le circuit de fermé de fluide de travail 8 et/ou dans le circuit de dérivation. La description est faite dans le cadre d'un débit de fluide de travail 8 au travers du circuit de dérivation. This electrical power necessary for supplying the loads of the branch provided with the switch 25 is previously associated with a predetermined value of flow rate and / or a vapor pressure in the working fluid closed circuit 8 and / or in the branch circuit. The description is made in the context of a flow of working fluid 8 through the branch circuit.
Ce contrôleur 16 envoie alors un signal 34 d'augmentation de puissance à la chaudière 6 pour augmenter en proportion la puissance thermique produite par la chaudière 6 et alimentant l'évaporateur 11 de sorte que l'augmentation de la puissance thermique corresponde à la puissance nécessaire pour alimenter la charge nouvellement connectée à la branche du réseau. Cette augmentation de puissance thermique augmente peu à peu le débit de vapeur produite au niveau de l'évaporateur 11. Le mode 2a se poursuit tant que le débit de vapeur produite au niveau de l'évaporateur 11 n'est pas égal à la valeur du débit permettant de produire la puissance appelée par l'ensemble des charges en mode 2b. This controller 16 then sends a power increase signal 34 to the boiler 6 to increase in proportion the thermal power produced by the boiler 6 and supplying the evaporator 11 so that the increase in thermal power corresponds to the power required to feed the newly connected load to the network branch. This increase in thermal power gradually increases the flow rate of steam produced at the evaporator 11. The mode 2a continues as long as the flow of steam produced at the level of the evaporator 11 is not equal to the value of the flow rate to produce the power demand by all loads in mode 2b.
Durant tout le mode 2a, le diamètre d'ouverture de la vanne de régulation 20 déterminant le débit de vapeur à l'entrée de la turbine 10 est tel qu'il assure un débit de vapeur adéquat en entrée de turbine, de sorte que la puissance électrique générée reste constante. Le débit de vapeur organique produite au niveau de l'évaporateur 11 augmentant grâce au débit de plus en plus important de fluide caloporteur, le contrôleur 16 envoie un signal d'ouverture à la vanne de dérivation 21 qui s'ouvre progressivement pour laisser passer le surplus de vapeur, afin notamment de réguler la pression en amont de la turbine 10, mesurée au moyen du capteur de pression 24. Le débit de vapeur au travers du circuit de dérivation correspond à une puissance électrique potentiellement immédiatement disponible puisqu'il suffit de réorienter la vapeur vers la turbine 10 pour obtenir cette puissance électrique disponible en sortie du générateur 15. Une information caractéristique de la puissance électrique potentiellement immédiatement disponible est reçue par le contrôleur 16 lorsque le débit de vapeur produite par l'évaporateur 11 est suffisamment important, c'est-à-dire lorsque le débit traversant la vanne de dérivation 21 est égal au débit nécessaire pour produire la puissance requise par l'ensemble des charges en mode 2b. Cette information caractéristique de la puissance électrique potentiellement immédiatement disponible peut prendre la forme d'un seuil atteint de débit de vapeur à travers le circuit de dérivation, mesurée au moyen d'un débitmètre ou simplement la mesure du diamètre d'ouverture de la vanne. During the entire mode 2a, the opening diameter of the control valve 20 determining the flow of steam at the inlet of the turbine 10 is such that it ensures an adequate flow of steam at the turbine inlet, so that the generated electrical power remains constant. As the flow of organic vapor produced at the level of the evaporator 11 increases thanks to the increasing flow of heat transfer fluid, the controller 16 sends an opening signal to the bypass valve 21 which opens gradually to let the excess steam, in particular to regulate the pressure upstream of the turbine 10, measured by means of the pressure sensor 24. The flow of steam through the bypass circuit corresponds to an electric power potentially immediately available since it is sufficient to reorient the steam towards the turbine 10 to obtain this electrical power available at the output of the generator 15. Information characteristic of the potentially immediately available electrical power is received by the controller 16 when the flow rate of steam produced by the evaporator 11 is sufficiently large, c i.e., when the flow rate through the bypass valve 21 is equal to the flow rate necessary to produce the power required by all loads in mode 2b. This characteristic information of the potentially immediately available electric power can take the form of a threshold of vapor flow through the bypass circuit, measured by means of a flow meter or simply the measurement of the opening diameter of the valve.
Un signal de fermeture est alors envoyé par le contrôleur 16 à l'interrupteur 25 de branche permettant la connexion de la branche à laquelle est connectée la nouvelle charge et son alimentation en électricité. Le contrôleur 16 commande alors: - la fermeture de la vanne de dérivation 21, - l'augmentation de l'ouverture de la vanne de régulation 20 pour augmenter le débit de vapeur dans la turbine 10 afin de produire la puissance requise. A closing signal is then sent by the controller 16 to the branch switch 25 for connection of the branch to which the new load is connected and its power supply. The controller 16 then controls: - closing the bypass valve 21, - increasing the opening of the control valve 20 to increase the flow of steam in the turbine 10 to produce the required power.
Grâce au système selon l'invention, la durée du mode 2b est extrêmement réduite (quelques centaines de millisecondes liées au temps d'ouverture et de fermeture des vannes). Le dispositif dans sa version préférée permettra de garantir jusqu'à la fin du mode 2b des valeurs pour la tension et la fréquence supérieure à 90% des valeurs nominales quelque soit l'augmentation de la puissance appelée (la puissance totale appelée ne dépassant évidemment pas la puissance maximale installée du dispositif). Thanks to the system according to the invention, the duration of the mode 2b is extremely reduced (a few hundred milliseconds related to the opening and closing time of the valves). The device in its preferred version will ensure until the end of mode 2b values for the voltage and the frequency greater than 90% of the nominal values regardless of the increase in the power demand (the total power demand obviously not exceeding the maximum installed power of the device).
De plus, la surconsommation liée au court-circuitage de la turbine 10 d'une partie de la vapeur peut être limitée grâce au récupérateur de chaleur 12, car une partie de l'énergie thermique de la vapeur sera transférée à la phase liquide du fluide travail en aval de la pompe de circulation 14 avant que cette chaleur ne soit dissipée dans le condenseur 13.35 Alternativement, le système selon l'invention peut ne pas comporter de circuit de dérivation mais comprend alors des moyens de dissipation de puissance électrique. Dans ce cas, lors du mode 2a, après que le contrôleur ait reçue une requête de branchement, le contrôleur 16 commande une augmentation de la puissance thermique délivrée par la source de chaleur à l'évaporateur 11 pour augmenter la puissance électrique disponible en sortie du générateur 15. In addition, the over-consumption related to the short-circuiting of the turbine 10 of a part of the steam can be limited by the heat recovery unit 12, since a part of the thermal energy of the steam will be transferred to the liquid phase of the fluid working downstream of the circulation pump 14 before this heat is dissipated in the condenser 13.35 Alternatively, the system according to the invention may not include a bypass circuit but then comprises means for dissipating electrical power. In this case, during mode 2a, after the controller has received a connection request, the controller 16 controls an increase in the thermal power delivered by the heat source to the evaporator 11 to increase the electric power available at the output of the controller. generator 15.
Le contrôleur 16 commande alors l'ouverture progressive de la vanne de régulation 20 de sorte à réguler la pression en amont de ladite vanne de régulation 20. La totalité de la vapeur se détend alors dans la turbine 10. The controller 16 then controls the progressive opening of the regulating valve 20 so as to regulate the pressure upstream of said regulating valve 20. The totality of the vapor then expands in the turbine 10.
La puissance électrique générée par le générateur 15 est alors susceptible de dépasser la puissance consommée par les charges déjà connectées au réseau local. Les moyens de dissipation de puissance électrique sont alors connectés et dissipent la puissance superflue. Par exemple, un banc de résistances peut dissiper cette puissance superflue. En outre, la résistance des moyens de dissipation peut être variable, par exemple au moyen de rhéostats commandés au moyen du capteur de vitesse 23 mesurant la vitesse de rotation de la turbine 10 afin d'adapter la charge pour maintenir la vitesse de rotation de la turbine entre 90 et 105% de sa valeur nominale, ou bien encore de paramètres électriques du réseau local tels que la tension et la fréquence de celui-ci, afin de maintenir ces paramètres dans une plage acceptable de variation qui empêche une chute de réseau (par exemple une plage comprise entre 90 et 105% des valeurs nominales). The electrical power generated by the generator 15 is then likely to exceed the power consumed by the loads already connected to the local network. The electrical power dissipation means are then connected and dissipate the superfluous power. For example, a resistance bank can dissipate this superfluous power. In addition, the resistance of the dissipation means may be variable, for example by means of rheostats controlled by means of the speed sensor 23 measuring the rotational speed of the turbine 10 in order to adapt the load to maintain the speed of rotation of the turbine. turbine between 90 and 105% of its nominal value, or else electrical parameters of the local network such as the voltage and the frequency thereof, in order to maintain these parameters in an acceptable range of variation which prevents a network drop ( for example a range between 90 and 105% of the nominal values).
De préférence, le système comporte alors des moyens de stockage d'énergie tels qu'un système inertiel de stockage d'énergie comprenant un volant d'inertie 18 et un moteur électrique et relié au réseau local par un interrupteur. Dans ce cas, et tant que la capacité de stockage maximale des moyens de stockage d'énergie n'est pas atteinte, la puissance superflue est d'abord utilisée pour stocker de l'énergie dans les moyens de stockage d'énergie. Une fois leur capacité maximale atteinte, ce dont le contrôleur 16 est averti au moyen d'une information de stockage d'énergie, par exemple une vitesse maximale atteinte par le volant d'inertie 18, les moyens de stockage d'énergie sont déconnectés et les moyens de dissipation d'énergie sont alors connectés afin de dissiper la puissance électrique superflue. Preferably, the system then comprises energy storage means such as an inertial energy storage system comprising a flywheel 18 and an electric motor and connected to the local network by a switch. In this case, and as long as the maximum storage capacity of the energy storage means is not reached, the superfluous power is first used to store energy in the energy storage means. Once their maximum capacity is reached, which the controller 16 is warned by means of energy storage information, for example a maximum speed reached by the flywheel 18, the energy storage means are disconnected and the energy dissipation means are then connected in order to dissipate the unnecessary electrical power.
Une information caractéristique de la puissance électrique disponible est reçue par le contrôleur 16 lorsque la capacité de génération de puissance électrique par le générateur atteint un niveau suffisant pour alimenter les charges déjà connectées au réseau local ainsi que la charge connectée à la branche munie de l'interrupteur 25, c'est-à-dire lorsque la puissance dissipée par les moyens de dissipation de puissance atteint la puissance consommée par la charge connectée à la branche munie de l'interrupteur 25 de branche en mode 2b. Information characteristic of the available electrical power is received by the controller 16 when the power generation capacity by the generator reaches a level sufficient to supply the loads already connected to the local network and the load connected to the branch provided with the power supply. switch 25, that is to say when the power dissipated by the power dissipation means reaches the power consumed by the load connected to the branch provided with the branch switch in mode 2b.
Cette information caractéristique de la puissance électrique disponible peut prendre la forme d'un seuil atteint de puissance dissipée par les résistances, ou bien un seuil de puissance électrique générée par le générateur 15. This characteristic information of the available electrical power can take the form of a threshold reached power dissipated by the resistors, or a threshold of electric power generated by the generator 15.
Le mode 2b débute et un signal de fermeture est alors envoyé par le contrôleur 16 à l'interrupteur 25 de branche permettant la connexion de la branche à laquelle est connectée la nouvelle charge et son alimentation en électricité. Le contrôleur 16 commande alors : - la fermeture de l'interrupteur (25) de branche, - la déconnexion des moyens de régulation de puissance, c'est-à-dire les moyens de dissipation de puissance et/ou de stockage d'énergie. The mode 2b starts and a closing signal is then sent by the controller 16 to the branch switch 25 for connecting the branch to which the new load is connected and its power supply. The controller 16 then controls: - the closing of the branch switch (25), - the disconnection of the power regulation means, that is to say the power dissipation and / or energy storage means .
Le mode 3 débute lorsque la puissance appelée par une charge déjà connecté augmente. Dans ce cas précis, la variation de puissance est en général moindre que durant les modes 2a et 2b mais entraine aussi un déficit de puissance au niveau de la turbine 10 qui peut causer la chute du réseau. La particularité de ce mode 3 est que ce déficit de puissance est instantanément sensible car le consommateur est déjà connecté au réseau : il n'y a donc pas de mode préparatoire comparable à le mode 2a. Le déficit de puissance est détecté par le contrôleur 16 au moyen d'informations sur l'adéquation entre la puissance produite et la puissance consommée. A cette fin, dans l'exemple suivant, un capteur 23 est prévu pour mesurer la vitesse de la turbine 10. Le dispositif doit alors être capable de compenser de manière beaucoup plus rapide le déficit de puissance. Le système dans sa version préféré comporte des moyens de régulation de puissance électrique afin de réguler la puissance électrique en fonction des variations de consommation des charges connectées. Mode 3 starts when the power demanded by an already connected load increases. In this case, the power variation is generally less than during modes 2a and 2b but also causes a power deficit at the turbine 10 which can cause the network to drop. The particularity of this mode 3 is that this power deficit is instantly sensitive because the consumer is already connected to the network: there is therefore no preparatory mode comparable to mode 2a. The power deficit is detected by the controller 16 by means of information on the adequacy between the power produced and the power consumed. To this end, in the following example, a sensor 23 is provided to measure the speed of the turbine 10. The device must then be able to compensate much faster power deficit. The system in its preferred version comprises electric power regulation means for regulating the electric power as a function of the consumption variations of the connected loads.
L'augmentation de la puissance consommée par les charges n'est dans un premier temps pas compensée par une augmentation de la puissance produite par la turbine. Le capteur de vitesse 23 envoie alors un signal 36 au contrôleur 16 indiquant une baisse de la vitesse de la turbine. Celui-ci envoie alors un signal 34 à la chaudière pour augmenter en conséquence la puissance thermique 9 alimentant l'évaporateur 11. Le contrôleur 16 envoie simultanément un signal 38 de fermeture pour fermer l'interrupteur 26. La fermeture de cet interrupteur entraine la connexion des moyens de stockage d'énergie afin de compenser le déficit transitoire de puissance électrique. The increase in the power consumed by the loads is not initially compensated by an increase in the power produced by the turbine. The speed sensor 23 then sends a signal 36 to the controller 16 indicating a decrease in the speed of the turbine. This then sends a signal 34 to the boiler to increase accordingly the thermal power 9 supplying the evaporator 11. The controller 16 simultaneously sends a closing signal 38 to close the switch 26. The closure of this switch causes the connection energy storage means to compensate for the transient lack of electrical power.
Dans le cas d'un système inertiel de stockage, la connexion du moteur électrique 19 couplé au volant d'inertie 18, masse tournante qui possèdera en régime normal une vitesse suffisante pour permettre au moteur électrique 19 de produire une puissance suffisante compensant le déficit de puissance de la turbine. Le stockage d'énergie dans le volant d'inertie 18 se fera de préférence suivant le processus décrit durant dans le mode 4. In the case of an inertial storage system, the connection of the electric motor 19 coupled to the flywheel 18, rotating mass which will have in normal speed sufficient speed to allow the electric motor 19 to produce sufficient power compensating for the deficit of power of the turbine. The energy storage in the flywheel 18 will preferably be according to the process described during mode 4.
La puissance électrique fournie par le moteur électrique 19 diminue peu à peu à mesure que le débit de vapeur produite en 11 augmente, et par conséquent la puissance électrique générée par le générateur 15. Lorsque le débit de vapeur est suffisant, le moteur électrique 19 est automatiquement déconnecté par ouverture de l'interrupteur 26. Ceci correspond à la fin de ce mode 3. Le dispositif repasse alors en mode 1. The electric power supplied by the electric motor 19 decreases gradually as the flow rate of steam produced at 11 increases, and consequently the electric power generated by the generator 15. When the steam flow rate is sufficient, the electric motor 19 is automatically disconnected by opening the switch 26. This corresponds to the end of this mode 3. The device then returns to mode 1.
A cet effet, le contrôleur pourra également commander la fermeture de l'interrupteur 26 afin de charger préalablement les moyens de stockage d'énergie de sorte qu'ils puissent garantir jusqu'à la fin du mode 3 des valeurs pour la tension et la fréquence supérieure à 80% des valeurs nominales quelque soit l'augmentation de la puissance appelée (la puissance totale appelée ne dépassant évidemment pas la puissance maximale installée du dispositif). Une telle fermeture peut intervenir dès lors que la puissance électrique produite est suffisante, et de préférence dans le cas du mode 4 décrit ci-dessous. For this purpose, the controller may also control the closing of the switch 26 to previously load the energy storage means so that they can guarantee until the end of the mode 3 values for the voltage and frequency greater than 80% of the nominal values regardless of the increase in the power demand (the total power demand obviously does not exceed the maximum installed power of the device). Such a closure can occur when the electrical power produced is sufficient, and preferably in the case of mode 4 described below.
Le mode 4 débute lorsqu'un consommateur connecté au réseau est déconnecté ou que la puissance appelée par un consommateur diminue sans que le consommateur ne soit déconnecté du réseau. Elle se termine lorsque la puissance mécanique produite par la turbine a suffisamment diminué pour égaler la puissance consommée par les charges (l'installation repasse alors en mode 1). Mode 4 begins when a consumer connected to the network is disconnected or the power demanded by a consumer decreases without the consumer being disconnected from the network. It ends when the mechanical power produced by the turbine has decreased enough to equal the power consumed by the loads (the plant then returns to mode 1).
Durant ce mode 4, si rien n'est fait, la puissance produite par la turbine 10 est supérieure à la puissance appelée par les charges et la fréquence du réseau, la tension du réseau et la vitesse de la turbine augmentent. En pratique, dans ces cas-là, les installations classiques utilisant de l'eau ou un fluide différent comme fluide de travail 8, résolvent ce problème en dérivant une partie de la vapeur produite au niveau de l'évaporateur 11 grâce à la vanne de détente 22 et ceci tant que la production de vapeur au niveau de l'évaporateur n'est pas revenue à un niveau correspondant à la nouvelle puissance consommée. Cette solution permet de s'affranchir des problèmes de survitesse et de déstabilisation du réseau mais entraine une baisse du rendement du dispositif du fait de la non-utilisation dans la turbine 10 d'une partie de la vapeur de fluide de travail 8 produite en 11. During this mode 4, if nothing is done, the power produced by the turbine 10 is greater than the power demand by the loads and the frequency of the network, the voltage of the network and the speed of the turbine increase. In practice, in these cases, conventional installations using water or a different fluid as working fluid 8, solve this problem by deriving a portion of the steam produced at the evaporator 11 through the valve of the relaxation 22 and this as long as the steam production at the evaporator has not returned to a level corresponding to the new power consumed. This solution makes it possible to overcome the problems of overspeed and destabilization of the network but causes a decrease in the efficiency of the device due to the non-use in the turbine 10 of a portion of the working fluid vapor 8 produced in 11 .
Le dispositif dans sa version préférée utilise des moyens de stockage d'énergie tel qu'un volant d'inertie 18 déjà présenté. Au début du mode 4, le capteur de vitesse 32 détecte une hausse de la vitesse de la turbine 10 et envoie un signal 36 au contrôleur 16. Celui-ci enverra en réponse un signal 34 à la chaudière pour diminuer la puissance thermique produite et un signal 37 de fermeture à l'interrupteur 26 connectant le moteur 18 couplé au volant d'inertie 18 au réseau local. La fermeture de l'interrupteur 26 entraine le démarrage du moteur électrique 19 alimentant les moyens de stockage inertiel d'énergie. La puissance consommée augmente alors ce qui a pour effet de ramener la vitesse de la turbine à sa vitesse nominale. L'énergie stockée durant ce mode 4 sera réutilisée durant le mode 3 précédemment décrite. Le mode 4 se termine lorsque la quantité de vapeur produite en 11 retrouve la valeur correspondant à la puissance consommée par les charges (hors puissance consommée par 19). Le contrôleur envoie alors un signal 37 pour ouverture de l'interrupteur. Si durant le mode 4, 18 atteint sa limite de stockage (il atteint en pratique sa vitesse maximale) un signal 39 est envoyé au contrôleur 16. L'interrupteur 26 est alors automatiquement ouvert et un signal 35 est envoyé à la vanne 21 pour qu'elle s'ouvre suffisamment pour réduire le débit dans la turbine (comme dans une installation classique). Alternativement, si des moyens de dissipation d'énergie sont présents, une fois la capacité maximale des moyens de stockage atteinte, ce dont le contrôleur 16 est averti au moyen d'une information de stockage d'énergie, par exemple une vitesse maximale atteinte par le volant d'inertie 18, les moyens de stockage d'énergie sont déconnectés et les moyens de dissipation d'énergie sont alors connectés afin de dissiper la puissance électrique superflue. The device in its preferred version uses energy storage means such as a flywheel 18 already presented. At the beginning of the mode 4, the speed sensor 32 detects an increase in the speed of the turbine 10 and sends a signal 36 to the controller 16. The latter will send in response a signal 34 to the boiler to reduce the thermal power produced and a closing signal 37 to the switch 26 connecting the motor 18 coupled to the flywheel 18 to the local network. The closing of the switch 26 causes the start of the electric motor 19 supplying the energy storage means inertial. The power consumed then increases which has the effect of reducing the speed of the turbine to its nominal speed. The energy stored during this mode 4 will be reused during mode 3 previously described. Mode 4 ends when the amount of steam produced at 11 regains the value corresponding to the power consumed by the charges (excluding power consumed by 19). The controller then sends a signal 37 to open the switch. If during mode 4, 18 reaches its storage limit (it reaches its maximum speed in practice), a signal 39 is sent to the controller 16. The switch 26 is then automatically opened and a signal 35 is sent to the valve 21 so that it opens sufficiently to reduce the flow in the turbine (as in a conventional installation). Alternatively, if energy dissipation means are present, once the maximum capacity of the storage means is reached, the controller 16 is notified by means of energy storage information, for example a maximum speed reached by the flywheel 18, the energy storage means are disconnected and the energy dissipation means are then connected to dissipate the unnecessary power.
La figure 2 correspond à un deuxième type d'installation du dispositif où la source de chaleur n'est plus un fluide caloporteur chauffé grâce à la combustion de biomasse dans une chaudière mais un fluide caloporteur chauffé grâce à la concentration des rayons solaires par des collecteurs. Dans ce type d'installation un système de stockage d'énergie thermique 40 est ajouté pour stocker le fluide caloporteur avant alimentation de l'évaporateur. FIG. 2 corresponds to a second type of installation of the device where the heat source is no longer a heat transfer fluid heated by the combustion of biomass in a boiler but a heat transfer fluid heated by the concentration of solar rays by collectors . In this type of installation, a thermal energy storage system 40 is added to store the coolant before feeding the evaporator.
Les modifications suivantes sont entreprises par rapport au fonctionnement de l'installation alimentée par combustion de biomasse présentée plus haut : - durant le mode 2a, le signal 34 d'augmentation de puissance envoyé par le contrôleur n'est plus destiné à la chaudière mais au système de régulation du ballon de stockage d'énergie thermique 40 ; - durant le mode 3, le signal 34 d'augmentation de puissance envoyé par le contrôleur n'est plus destiné à la chaudière mais au système de régulation du ballon de stockage d'énergie thermique 40 ; - Durant le mode 4, le signal 34 de diminution de puissance n'est plus destiné à la chaudière mais au système de régulation du ballon de stockage d'énergie thermique 40. The following modifications are made with respect to the operation of the biomass combustion-powered plant presented above: during mode 2a, the power increase signal 34 sent by the controller is no longer intended for the boiler but for the thermal energy storage tank control system 40; during mode 3, the power increase signal 34 sent by the controller is no longer intended for the boiler but for the regulation system of the thermal energy storage tank 40; During mode 4, the power reduction signal 34 is no longer intended for the boiler but for the regulation system of the thermal energy storage tank 40.
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