FR3051512A1 - Systeme de production d'energie thermique a au moins un accumulateur de vapeur de stockage d'energie thermique provenant d'une installation solaire - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un système d'énergie thermique à au moins un accumulateur de vapeur de stockage d'énergie thermique provenant d'une installation solaire. Selon l'invention, le système comprend essentiellement au moins un accumulateur de vapeur d'eau (11) relié à la sortie du ballon séparateur eau/vapeur (3) en amont de l'entrée d'un consommateur de vapeur d'eau (5), une vanne commandée (15) pouvant être ouverture pour injecter dans l'espace de l'accumulateur (11) un surplus de vapeur provenant du ballon (3) pour pressuriser l'accumulateur (11) et une autre vanne commandée (18) pouvant être ouverture lorsque l'accumulateur (11) est à la pression proche de celle du ballon (3), ainsi qu'une pompe (20) raccordée au fond de l'accumulateur (11) et permettant de retourner un débit d'eau liquide de cet accumulateur à l'entrée du générateur de vapeur (1) pour maintenir une masse d'eau liquide constante dans l'accumulateur de vapeur (1). L'invention trouve application dans le domaine d'installations solaires.

Description

[0001] La présente invention concerne d'une manière générale un système de production d'énergie thermique pourvu d'au moins un accumulateur de vapeur d'eau de stockage de l'énergie thermique.

[0002] Elle s'applique en particulier à une installation solaire à concentration linéaire en génération directe de vapeur d'eau pour transformer l'énergie solaire en énergie thermique.

[0003] On connaît une telle installation, basée notamment sur la technologie des miroirs de Fresnel, et qui comprend un ensemble de modules de miroirs constituant des réflecteurs primaires montés sur une structure de support au sol suivant plusieurs lignes ou rangées parallèles, chaque rangée de miroirs comprenant une série de plusieurs miroirs.

[0004] Cette installation comprend en outre des récepteurs linéaires constitués par des tubes supportés par des mâts verticaux de manière que les récepteurs linéaires s'étendent longitudinalement au-dessus respectivement des rangées de miroirs qui sont orientés pour réfléchir et concentrer le rayonnement solaire vers ces récepteurs.

[0005] Chaque récepteur en forme de tube est parcouru par un fluide caloporteur généralement constitué par de l'eau qui est transformé sous forme de vapeur par le rayonnement solaire et qui peut être envoyé à un ensemble turbo-alternateur pour produire de l'électricité. Une telle installation solaire fonctionne ainsi en génération directe de vapeur.

[0006] Dans une installation industrielle, une optimisation technico-économique tend à concevoir un champ solaire constitué de plusieurs rangées de miroirs d'une taille relativement importante. Ceci a pour conséquence de nécessiter une grande longueur de tubes récepteurs de diamètres importants ainsi qu'une tuyauterie de diamètre important pour relier les extrémités des différents tubes récepteurs parallèles disposés respectivement au-dessus des rangées parallèles de miroirs.

[0007] Ainsi, le volume d'eau d'une telle installation solaire peut être très important et comme elle fonctionne généralement à haute température, la dilatation du volume d'eau du champ solaire est également importante.

[0008] Généralement, un ballon séparateur eau/vapeur, également appelé ballon chaudière, est utilisé pour reprendre une telle dilatation du volume d'eau du champ solaire. Par conséquent, dans une installation solaire industrielle, le ballon de séparation doit donc avoir un volume très important.

[0009] Par ailleurs, la puissance thermique valorisable d'une installation solaire thermodynamique a un profil dépendant de la hauteur solaire, de l'azimut, de l'ensoleillement, mais également d'autres facteurs comme la couverture nuageuse, par exemple.

[0010] Le rendement isentropique d’une turbine à vapeur dépend assez fortement de son point de fonctionnement. Plus on s'éloigne de la charge nominale de la turbine, moins le rendement de celle-ci est bon.

[0011] Une optimisation technico-économique tend à surdimensionner la chaudière solidaire de façon à fonctionner plus longtemps au point nominal de la turbine, là ou son rendement est maximum.

[0012] De ce fait, l'installation d'un dispositif de stockage thermique adapté permet d'augmenter la production électrique en stockant le surplus d'énergie thermique pendant les heures où l'ensoleillement est important et en le restituant la nuit dans le but de rendre l'installation solaire plus rentable.

[0013] Le dispositif de stockage thermique permet également un fonctionnement continu lors de passages nuageux, réduisant ainsi un fonctionnement en marche/arrêt de la turbine à vapeur et réduisant les phénomènes de fatigue dus au stress thermique et augmentant sa durée de vie.

[0014] Le dispositif de stockage de l'énergie thermique dans une installation solaire thermodynamique destiné à la production d'énergie électrique est donc essentiel pour rendre la technologie mature.

[0015] En règle générale, le stockage par accumulateur de vapeur constituant le dispositif de stockage de l'énergie thermique consiste à injecter de la vapeur haute pression et haute température dans le réservoir de cet accumulateur contenant une masse initiale d'eau froide. Au contact de l'eau froide, la vapeur va se condenser et fournir de la chaleur au reste de l'eau froide. Ceci va engendrer une montée en pression et en température de l'eau contenue dans l'accumulateur en suivant la courbe de saturation.

[0016] Une fois que la pression dans le réservoir de l'accumulateur a atteint la pression de la chaudière, le stockage est chargé.

[0017] Avec un fonctionnement de l'installation "en pression glissante", lors de la baisse de charge de la chaudière, la pression de l'installation va baisser, l'eau chaude pressurisée contenue dans le réservoir de l'accumulateur de stockage va se vaporiser instantanément, restituant la chaleur précédemment stockée. La vapeur ainsi produite est donc utilisée par le consommateur de l'installation constitué à la turbine à vapeur dans le cadre d'une installation solaire.

[0018] Dans une installation classique comportant un stockage par accumulateur de vapeur, le transfert de masse s'effectue généralement depuis l'accumulateur de vapeur vers un réservoir froid lors du déstockage et inversement en stockage. Le réservoir froid permet de stocker l'eau froide utilisée pour charger le réservoir de stockage de l'accumulateur de vapeur.

[0019] En règle générale, lors du processus de stockage, l'eau est pompée depuis ce réservoir froid, passe éventuellement à travers des échangeurs pour augmenter sa température avant d'arriver à la chaudière où l'eau est vaporisée. La vapeur ainsi produite est stockée dans un ou plusieurs accumulateurs de vapeur.

[0020] Ce procédé nécessite ainsi l'installation d'équipements surdimensionnés et/ou d'équipements supplémentaires utilisés spécifiquement pour le dispositif de stockage de l'énergie thermique (réservoirs, pompes, échangeurs...).

[0021] La présente invention a pour but de pallier les inconvénients ci-dessus de l'art antérieur.

[0022] A cet effet, l'invention propose un système de production d'énergie thermique, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de vapeur d'eau haute pression et haute température ; un ballon séparateur eau/vapeur relié en sortie du générateur de vapeur d'eau ; un consommateur de vapeur d'eau relié en sortie du ballon séparateur eau/vapeur ; au moins un accumulateur de vapeur d'eau contenant de l'eau liquide et relié à la sortie du ballon séparateur eau/vapeur en amont de l'entrée du consommateur de vapeur d'eau par l'intermédiaire de deux conduites parallèles respectivement une première conduite débouchant dans l'accumulateur de vapeur d'eau dans l'espace au-dessus du niveau de l'eau liquide et comportant une vanne commandée pouvant être ouverte pour injecter dans l'espace de l'accumulateur de vapeur d'eau un surplus de vapeur d'eau provenant du ballon séparateur eau/vapeur permettant de pressuriser l'accumulateur de vapeur d'eau jusqu'à une pression relativement proche de celle du ballon séparateur eau/vapeur et une seconde conduite débouchant dans l'eau liquide au voisinage du fond de l'accumulateur de vapeur d'eau et comportant une vanne commandée pouvant être ouverte lorsque l'accumulateur de vapeur d'eau est à la pression proche de celle du ballon séparateur eau/vapeur pour injecter un surplus de vapeur d'eau provenant de ce ballon dans l'eau liquide de l'accumulateur de vapeur d'eau avec augmentation de la température de l'eau liquide ; et une pompe raccordée au fond de l'accumulateur de vapeur d'eau permettant de retourner un débit de liquide de l'accumulateur de vapeur d'eau à l'entrée du générateur de vapeur d'eau afin de maintenir une masse d'eau liquide constante dans l'accumulateur de vapeur d'eau pendant l’injection de vapeur d'eau dans l'espace et au fond de l'accumulateur de vapeur d'eau au travers des première et seconde conduites.

[0023] Les première et seconde conduites comprennent respectivement deux débitmètres permettant de mesurer le débit de vapeur d'eau dans ces deux conduites et la vanne située dans la première conduite est commandée pour contrôler le débit de vapeur d'eau passant principalement par la vanne de la seconde conduite et stabiliser le débit de vapeur d'eau totale stocké dans l'accumulateur de vapeur d'eau mesuré par les deux débitmètres à une valeur de consigne calculée pour stocker l'ensemble du surplus de vapeur d'eau provenant du ballon séparateur eau/vapeur.

[0024] Selon une variante de réalisation, les première et seconde conduites comprennent respectivement deux débitmètres permettant de mesurer le débit de vapeur d'eau dans ces deux conduites et les deux vannes des première et seconde conduites sont commandées pour contrôler le débit de vapeur d'eau passant dans ces deux conduites et stabiliser le débit de vapeur d'eau totale stocké dans l'accumulateur de vapeur d'eau mesuré par les deux débitmètres à une valeur de consigne calculée pour stocker l'ensemble du surplus de vapeur d'eau provenant du ballon séparateur eau/vapeur.

[0025] Avantageusement, la pompe est reliée à l'entrée du générateur de vapeur d'eau par l'intermédiaire d'un débitmètre permettant de mesurer le débit de liquide retourné de l'accumulateur de vapeur d'eau au générateur de vapeur d'eau égal au débit de vapeur d'eau stockée dans l'accumulateur de vapeur d'eau et mesuré par les deux débitmètres des première et seconde conduites pour maintenir constante la masse de liquide dans l'accumulateur de vapeur d'eau.

[0026] De préférence, la seconde conduite débouche dans l'accumulateur de vapeur d'eau par l'intermédiaire de buses d'injection.

[0027] Un clapet antiretour est disposé en parallèle à la vanne commandée de la première conduite pour assurer la circulation de vapeur d'eau provenant de l'accumulateur de vapeur d'eau vers le consommateur de vapeur d'eau lors d'une baisse de pression en sortie du ballon séparateur eau/vapeur due à une baisse de charge du générateur de vapeur d'eau.

[0028] Une conduite relie le fond de l'accumulateur de vapeur d'eau à l'entrée du générateur de vapeur d'eau par l'intermédiaire d'une pompe et comprend en série une vanne commandée et un débitmètre pouvant être ouverte pour réguler un débit de liquide de l'accumulateur de vapeur d'eau vers l'entrée du générateur de vapeur d'eau mesuré par le débitmètre et égal au débit de vapeur d'eau mesuré par le débitmètre de la première conduite lors de la baisse de pression en sortie du ballon séparateur eau/vapeur de manière à conserver une masse de liquide constante dans l'accumulateur de vapeur d'eau.

[0029] Selon un mode de réalisation, le système de production d'énergie thermique comprend deux accumulateurs de vapeur d'eau reliés en parallèle et dont les espaces au-dessus de leurs niveaux d'eaux liquides sont reliés à la première conduite, avec la seconde conduite raccordée au voisinage des fonds des deux accumulateurs de vapeur d'eau et la pompe raccordée aux fonds des deux accumulateurs de vapeur d'eau.

[0030] Selon un autre mode de réalisation, le système de production d'énergie thermique comprend deux accumulateurs de vapeur d'eau reliés en échelon en sortie du ballon séparateur eau/vapeur par l'intermédiaire respectivement de deux jeux de premières et secondes conduites pourvues des vannes commandées avec la pompe raccordée aux fonds des deux accumulateurs de vapeur d'eau par l'intermédiaire respectivement de deux vannes commandées.

[0031] Le générateur de vapeur d'eau est constitué par au moins un tube dans lequel circule de l'eau portée à l'état de vapeur par une ligne de miroirs d'une installation solaire réfléchissant le rayonnement solaire vers le tube.

[0032] Le système de production d'énergie thermique comprend un automate centralisé permettant la gestion de l'ensemble des composants du système durant les phases de stockage et de déstockage de l'énergie thermique.

[0033] L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d’exemple illustrant trois modes de réalisation de l’invention et dans lesquels : - La figure 1 représente un schéma d'un système de production d'énergie thermique suivant un premier mode de réalisation de l'invention en configuration hors stockage de vapeur d'eau dans un accumulateur de vapeur d'eau de ce système ; - la figure 2 représente le système de production d'énergie thermique du premier mode de réalisation dans une configuration relative à une première phase de stockage de vapeur d'eau dans l'accumulateur de vapeur d'eau ; - la figure 3 représente le système de production d'énergie thermique du premier mode de réalisation dans une configuration relative à une deuxième phase de stockage de vapeur d'eau dans l'accumulateur de vapeur d'eau ; - la figure 4 représente le système de production d'énergie thermique du premier mode de réalisation dans une configuration de déstockage de la vapeur d'eau provenant de l'accumulateur de vapeur d'eau ; - la figure 5 représente le système de production d'énergie thermique du premier mode de réalisation dans une configuration à l'arrêt ; - la figure 6 représente le système de production d'énergie thermique suivant un second mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 7 représente le système de production d'énergie thermique suivant un troisième mode de réalisation de l'invention.

[0034] Le système de production d'énergie thermique, qui va être décrit en référence aux figures 1 à 7, est destiné à être appliqué dans une installation solaire industrielle fonctionnant en génération directe de vapeur d'eau.

[0035] Une telle installation solaire comprend essentiellement un champ solaire constitué de lignes parallèles de modules solaires, chacun comprenant un ensemble de miroirs réfléchissant le rayonnement solaire vers un tube horizontal dans lequel circule un fluide caloporteur constitué par de l'eau portée à l'état de vapeur afin d'en récupérer l'énergie sous forme thermique.

[0036] Les différents tubes parallèles traversés par le fluide caloporteur (eau) sont raccordés à leurs entrées par une conduite commune d'arrivée de fluide (eau) et à leurs sorties par une conduite commune de sortie du fluide (eau).

[0037] La vapeur d'eau produite par ces tubes peut être transmise à une turbine à vapeur d'un ensemble turbo-alternateur en vue de produire de l'électricité.

[0038] Cependant, le système de production d'énergie thermique de l'invention peut également s'appliquer à tout autre générateur de vapeur d'eau tel que par exemple une chaudière.

[0039] Les figures 1 à 5 représentent un premier mode de réalisation du système de production d'énergie thermique de l'invention.

[0040] Ce système comprend un générateur de vapeur d'eau 1, dont la conduite de sortie 2 débouche au voisinage de la paroi de fond d'un ballon séparateur eau/vapeur 3 rempli partiellement d'eau liquide dans laquelle débouche la conduite 2.

[0041] Le partie formant espace ou ciel située au-dessus du niveau de l'eau liquide du ballon séparateur eau/vapeur 3 est raccordée à une conduite de sortie 4 permettant de fournir la vapeur d'eau provenant du ballon séparateur eau/vapeur 3 à au moins un consommateur 5, pouvant être constitué par une turbine à vapeur d'un ensemble turboalternateur fournissant de l'électricité.

[0042] Un débitmètre 6 est disposé dans la conduite de sortie 4 en amont du consommateur 5 pour mesurer le débit de vapeur d'eau fourni à ce consommateur.

[0043] La référence 7 symbolise un dispositif de mesure automatique du niveau d'eau liquide dans le ballon séparateur eau/vapeur 3 qui peut être, par exemple, du type radar, magnétique ou autre et connu en soi.

[0044] Une conduite 8 est raccordée à la paroi de fond du ballon séparateur eau/vapeur 3 en débouchant dans l'eau liquide de celui-ci et est raccordée à l'entrée du générateur de vapeur d'eau 1 par l’intermédiaire d'une pompe hydraulique 9 et d'un débitmètre 10 reliés en série.

[0045] Le système de production d'énergie thermique comprend en outre un accumulateur de vapeur d'eau 11 rempli partiellement d'eau liquide, dont le niveau d'eau peut être mesuré par un dispositif de mesure automatique 12 identique au dispositif de mesure automatique 7.

[0046] Une première conduite 13 est raccordée à la conduite de sortie 4 du ballon séparateur eau/vapeur 3 en amont du débitmètre 6 et à l’accumulateur de vapeur d'eau 11 en débouchant dans la partie formant espace ou ciel située au-dessus du niveau de l'eau liquide de cet accumulateur.

[0047] La première conduite 13 comprend reliés en série un débitmètre 14 et une vanne commandée 15, dont les fonctions seront décrites ultérieurement.

[0048] Une seconde conduite 16 est raccordée à la conduite de sortie 4 du ballon séparateur eau/vapeur 3 en amont du débitmètre 6 et à l'accumulateur de vapeur d'eau 11 en débouchant dans l'eau liquide de cet accumulateur au voisinage de la paroi de fond de celui-ci.

[0049] La conduite 16 comprend reliés en série un débitmètre 17 et une vanne commandée 18, dont les fonctions seront décrites ultérieurement.

[0050] Un clapet antiretour 15a est disposé en parallèle à la vanne commandée 15 et sa fonction sera décrite ultérieurement.

[0051] Une conduite 19 est raccordée d'une part à la paroi de fond de l'accumulateur de vapeur d'eau 11 en débouchant dans le liquide de celui-ci et d'autre part à l'entrée de la pompe hydraulique 9 par l'intermédiaire d'une autre pompe hydraulique 20 et d'un débitmètre 21 reliés en série, le débitmètre 21 étant relié en sortie de la pompe hydraulique 20.

[0052] Une autre conduite 22 est raccordée d'une part à la paroi de fond de l'accumulateur de vapeur d'eau 11 en débouchant dans le liquide de cet accumulateur et d'autre part à la conduite de sortie 8 par l'intermédiaire d'une vanne commandée 23 et d'un débitmètre 24 reliés en série.

[0053] Une conduite 25 est raccordée d'une part à une source d'alimentation en eau froide S (eau alimentaire) et d'autre part à la conduite 8 par l'intermédiaire d'une vanne commandée 26 et d'un débitmètre 27 reliés en série.

[0054] Le fonctionnement du système de protection d'énergie thermique hors stockage de vapeur d'eau va être décrit en référence à la figure 1.

[0055] A cette figure, comme symbolisé en pointillés, les vannes 15, 18, 23 ainsi que la pompe hydraulique 20 sont inactives, de sorte qu'aucune vapeur d'eau ne circule dans les première et seconde conduites 13, 16 et que de l'eau liquide n'est pas soutirée par la pompe 20 et la pompe 9 de l'accumulateur de vapeur d'eau 11 vers le générateur de vapeur 1 au travers des conduites 19, 22.

[0056] Lorsque la charge du générateur de vapeur d'eau 1 augmente, le débit de vapeur d'eau en sortie de ce générateur va augmenter et le mélange eau/vapeur est séparé dans le ballon séparateur 3, dont la vapeur d'eau produite en sortie de ce ballon est transmise par la conduite 4 au consommateur 5.

[0057] L'eau liquide du ballon séparateur eau/vapeur 3 est retournée à l'entrée du générateur de vapeur 1 par la pompe de circulation 9, qui fonctionne à un débit donné, éventuellement en fonction de la charge du générateur de vapeur d'eau 1.

[0058] En outre, la vanne 26 est commandée à sa position d'ouverture pour retourner directement à l'entrée du générateur de vapeur d'eau 1 un débit d'eau alimentaire provenant de la source S contrôlé par le débitmètre 27 et qui est régulé suivant un algorithme dépendant du débit de vapeur mesuré par le débitmètre 6, du débit d'eau alimentaire mesuré par le débitmètre 27, du niveau de liquide du ballon séparateur eau/vapeur 3 mesuré par le dispositif 7 et des conditions dans le générateur de vapeur d'eau 1 (température, pression, etc....). Cet algorithme de calcul du débit d'eau alimentaire ne dépend pas du tout du stockage de vapeur d'eau dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11.

[0059] La procédure de stockage de vapeur d'eau dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11 va être maintenant décrite en référence aux figures 2 et 3.

[0060] Le but du stockage de vapeur d'eau est d'utiliser le surplus de vapeur d'eau produit en sortie du générateur de vapeur d'eau 1 et qui correspond à la situation selon laquelle le générateur de vapeur d'eau 1 produit plus de vapeur d'eau que celle consommée par le consommateur 5.

[0061] Le stockage sera rempli lorsque la totalité de l'eau liquide contenue dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11 sera à la température maximale.

[0062] En outre, la vapeur produite par le générateur de vapeur d'eau 1 sera de la vapeur saturée, généralement à la pression maximale de fonctionnement du consommateur 5 constitué par une turbine à vapeur d'un ensemble d'un turbo-alternateur.

[0063] La figure 2 représente la première phase du stockage consistant à pressuriser l'accumulateur de vapeur d'eau 11.

[0064] A cet effet, la vanne 15 est commandée pour s'ouvrir légèrement pour injecter dans le ciel de l'accumulateur de vapeur d'eau 11 un surplus de vapeur d'eau provenant du ballon séparateur eau/vapeur 3 permettant de la sorte de pressuriser cet accumulateur jusqu'à une pression relativement proche de celle en sortie du ballon séparateur eau/vapeur 3. Plus précisément, la vapeur d'eau injectée par la vanne 15 arrive dans le ciel de vapeur de l'accumulateur de vapeur d'eau 11 et ne se mélangera pas à l'eau liquide de cet accumulateur. Une partie de la vapeur d'eau se condensera aux parois de l'accumulateur de vapeur d'eau 11 pour les chauffer jusqu'à une température de saturation et l'autre partie de la vapeur se condensera à la surface de l'eau liquide de cet accumulateur pour créer une thermocline, qui sera d'autant plus stable que le gradient de température sera élevé. Une dernière partie de la vapeur d'eau servira à la pressurisation proprement dite du ciel de vapeur dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11.

[0065] Il est à noter que le débit de vapeur d'eau, mesuré par le débitmètre 14, est régulé via l'ouverture de la vanne 15.

[0066] La pompe 20 permet de retourner un débit de liquide de l'accumulateur de vapeur d'eau 11 à l'entrée du générateur de vapeur 1 afin de maintenir sensiblement constante une masse d'eau liquide dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11 pendant l'injection de vapeur d'eau dans l'espace ou ciel de cet accumulateur.

[0067] Ainsi, la pompe 20 renvoie un débit d'eau liquide mesuré par le débitmètre 21 et qui est égal au débit de vapeur d'eau stockée dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11 et mesuré par le débitmètre 14, avec éventuellement un facteur de correction lié au niveau d'eau liquide de l'accumulateur de vapeur d'eau 11 et mesuré par le dispositif 12 pour le maintien de la masse de liquide constante dans cet accumulateur. Il est à noter que la régulation du niveau d'eau liquide de l'accumulateur 11 commence ainsi dès la première phase de stockage, mais avec des débits d'eau liquide renvoyés par la pompe 20 très faibles.

[0068] La deuxième phase du stockage est représentée en figure 3 une fois que l'accumulateur de vapeur d'eau 11 est suffisamment pressurisé.

[0069] A ce stade, la vanne dite d'admission 18 de la seconde conduite 16 est commandée à sa position d'ouverture, permettant l'admission de vapeur d'eau au fond de l'accumulateur de vapeur d'eau 11, par exemple par l'intermédiaire de buses d'injection, non représentées, raccordées à l'extrémité de la conduite 16 débouchant dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11. La vapeur d'eau injectée par la vanne d'admission 18 se condensera intégralement dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11, étant donné qu'elle rencontrera une eau sensiblement plus froide que la température de saturation. La vanne 15, en s'ouvrant ou se fermant de manière commandée, pourra ajuster la différence de pression entre le ballon séparateur eau/vapeur 3 et l'accumulateur de vapeur d'eau 11, ce qui modifiera le débit de vapeur d'eau passant par la vanne d'admission 18. La vanne 15 peut ainsi, par exemple à l'aide d'une boucle de contrôle de type PID (Proportionnel-Intégral-Dérivée), stabiliser le débit de vapeur d'eau total stocké dans l'accumulateur 11, mesuré par les deux débitmètres 14, 17, à une valeur de consigne calculée pour stocker l'ensemble de surplus de vapeur provenant du ballon séparateur eau/vapeur 3. Ainsi, la vapeur haute pression et haute température, en arrivant dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11 au fond de ce dernier, se condense instantanément et intégralement, augmentant la température de l'eau liquide contenue dans cet accumulateur.

[0070] Dans la variante qui vient d'être décrite, la vanne d'admission 18 est du type tout ou rien et dont le débit de vapeur d'eau la traversant est contrôlé par la vanne 15.

[0071] Selon une autre variante de réalisation, la vanne d'admission 18 peut être comme la vanne 15 une vanne de contrôle, de sorte que le contrôle du débit de vapeur d'eau injecté dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11 à travers les première et seconde conduites 13, 16 s’effectuera de manière partagée entre les deux vannes 15, 18.

[0072] Durant cette phase, la pompe 20 maintient un fonctionnement identique à la phase précédente, afin de maintenir une masse d'eau liquide sensiblement constante dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11.

[0073] Il est à noter que comme la pompe 20 ne sera en service que dans des situations de surplus de puissance, l'autre pompe 9 sera toujours en service lorsque la pompe 20 fonctionnera. L'eau renvoyée vers le générateur de vapeur 1 sera un mélange d'eau du ballon séparateur eau/vapeur 3, d'eau de l'accumulateur de vapeur 11 et d'eau alimentaire de la source S. Dans le générateur de vapeur 1 en vaporisation, le débit d'eau injecté en sortie du débitmètre 10 doit toujours être supérieur au débit de vapeur sortant afin de maintenir l'ensemble du générateur de vapeur 1 humide en toute circonstance. Cela signifie que le débit d'eau provenant du ballon séparateur eau/vapeur 3 et renvoyé vers le générateur de vapeur 1 sera toujours strictement positif.

[0074] La figure 4 représente la procédure de déstockage de la vapeur d'eau de l'accumulateur de vapeur d'eau 11 lors d'une baisse de la charge en sortie du ballon séparateur eau/vapeur 3 et due à une diminution de la puissance du générateur de vapeur 1 en raison de la baisse journalière de puissance solaire alors que le consommateur 5 constitué dans le cas présent par une turbine à vapeur d'un ensemble turboalternateur demandait une charge constante. Cette procédure de déstockage peut être également provoquée dans la configuration où la charge de la turbine à vapeur du turboalternateur (consommateur 5) augmente de manière telle que plus de vapeur d'eau est exigée par le consommateur que celle produite par le générateur de vapeur 1.

[0075] Lors de cette baisse de charge, la pression en sortie du ballon séparateur eau/vapeur 3 va diminuer, provoquant l'ouverture du clapet antiretour 15a, de sorte que le liquide à haute température contenu dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11 va se vaporiser en sortie de cet accumulateur, laquelle vapeur d'eau va circuler à travers la première conduite 13 pour alimenter le consommateur 5.

[0076] En outre, la vanne 23 est commandée à sa position d'ouverture pour réguler un débit d'eau liquide de l'accumulateur de vapeur d'eau 11 vers l'entrée du générateur de vapeur d'eau 1, mesuré par le débitmètre 24 et égal au débit de vapeur d'eau mesuré par le débitmètre 14 de la première conduite 13 de façon à conserver une masse d'eau sensiblement constante dans l'accumulateur 11, débit de vapeur d'eau éventuellement corrigé par le niveau mesuré par le dispositif 12.

[0077] Il est également à noter que durant cette phase de déstockage, la vanne 26 est commandée à sa position d'ouverture et le débit d'eau alimentaire injecté via la vanne 26 et mesuré par le débitmètre 24, sera supérieur au débit de vapeur d'eau produit par le générateur de vapeur 1, puisque calibré sur le débit total de vapeur d'eau mesuré par le débitmètre 6 en amont du consommateur 5.

[0078] La figure 5 représente le système de production d'énergie thermique à l'arrêt et la totalité du débit de l'eau alimentaire provenant de la source S est renvoyée dans l'accumulateur de vapeur d'eau 11 par les vannes 23, 26 commandées à leur position complètement ouverte.

[0079] Le déstockage de la vapeur d'eau va s'effectuer jusqu'à atteindre la pression minimale de déstockage, pression qui dépendra du procédé de valorisation de cette vapeur.

[0080] Il est à noter qu'un automate centralisé, non représenté, permettra la gestion de tous les composants ci-dessus décrits du système de production d'énergie thermique aussi bien pendant la phase de stockage que pendant la phase de déstockage.

[0081] La figure 6 représente un mode de réalisation selon lequel le système de production d'énergie thermique comprend deux accumulateurs de vapeur d'eau 11 reliés en échelon, chacun de ces accumulateurs étant associé aux même composants que ceux précédemment décrits en liaison avec l'accumulateur de vapeur d'eau 11 en référence aux figures 1 à 5, de sorte que lors notamment de la phase de stockage, l'un des deux accumulateurs sera chargé après que l'autre accumulateur 11 sera rempli en vapeur d'eau. Il est donc inutile de décrire à nouveau en détail les différentes phases de fonctionnement de stockage et de déstockage de ce mode de réalisation et il suffit de se référer aux phases de stockage et de déstockage précédemment décrites. La seule différence dans ce mode de réalisation est qu'il est nécessaire de rajouter deux vannes commandées 30 situées respectivement dans deux conduites 31 raccordées d'une part aux fonds des deux accumulateurs 11 et d'autre part à l'entrée de la pompe 20 pour permettre le bon fonctionnement en série des deux accumulateurs 11.

[0082] La figure 7 représente un troisième mode de réalisation du système de production d'énergie thermique de l'invention selon lequel deux accumulateurs de vapeur d'eau 11 sont reliés en parallèle auquel cas ils seront chargés simultanément en vapeur d'eau. Selon ce mode de réalisation, la première conduite 13 est raccordée par deux conduites 13a, 13b respectivement dans les ciels des deux accumulateurs de vapeur 11 situés au-dessus de leurs niveaux d'eau respectifs et la seconde conduite 16 est raccordée à deux conduites 16a, 16b débouchant respectivement au voisinage des parois de fond des deux accumulateurs 11 remplis partiellement d'eau. Pour le fonctionnement notamment en phases de stockage et de déstockage, il suffit de se reporter au mode de réalisation décrit en référence aux figures 1 à 5 et dont les composants sont les mêmes que ceux du troisième mode de réalisation.

[0083] Le système de production d'énergie thermique des modes de réalisation tels que représentés aux figures 6 et 7 se trouve dans la configuration de stockage correspondant à celle de la figure 3.

[0084] Le système de production d'énergie thermique ci-dessus décrit dans ses différents modes de réalisation permet d'une manière simple le stockage de l'énergie thermique en provenance d'un générateur de vapeur, tel qu'une chaudière ou des tubes horizontaux d'une installation solaire dans lesquels circule un fluide caloporteur (eau) à réchauffer par le rayonnement solaire. Ce système permet le stockage de la vapeur d'eau sans transfert de masse d'un réservoir froid à un réservoir chaud, évitant de la sorte le surdimensionnement des équipements de valorisation énergétique ou l'installation d'équipements supplémentaires dédiés à la fonction de stockage.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Système de production d'énergie thermique, caractérisé en ce qu’il comprend un générateur de vapeur d’eau haute pression et haute température (1) ; un ballon séparateur eau/vapeur (3) relié en sortie du générateur de vapeur d’eau (1); un consommateur de vapeur d’eau (5) relié en sortie du ballon séparateur eau/vapeur (3); au moins un accumulateur de vapeur d’eau (11) contenant de l’eau liquide et relié à la sortie du ballon séparateur eau/vapeur (3) en amont de l’entrée du consommateur de vapeur d’eau (5) par l’intermédiaire de deux conduites parallèles respectivement une première conduite (13) débouchant dans l’accumulateur de vapeur d’eau (11) dans l’espace au-dessus du niveau de l’eau liquide et comportant une vanne commandée (15) pouvant être ouverte pour injecter dans l’espace de l’accumulateur de vapeur d’eau (11) un surplus de vapeur d’eau provenant du ballon séparateur eau/vapeur (3) permettant de pressuriser l’accumulateur de vapeur d'eau (11) jusqu’à une pression relativement proche de celle du ballon séparateur eau/vapeur (3) et une seconde conduite (16) débouchant dans l’eau liquide au voisinage du fond de l’accumulateur de vapeur d’eau (11) et comportant une vanne commandée (18) pouvant être ouverte lorsque l’accumulateur de vapeur d’eau (11) est à la pression proche de celle du ballon séparateur eau/vapeur (3) pour injecter un surplus de vapeur d’eau provenant de ce ballon dans l’eau liquide de l’accumulateur de vapeur d'eau (11) avec augmentation de la température de l’eau liquide ; et une pompe (20) raccordée au fond de l’accumulateur de vapeur d’eau (11) permettant de retourner un débit d’eau liquide de l’accumulateur de vapeur d’eau (11) à l’entrée du générateur de vapeur d’eau (1) afin de maintenir une masse d’eau liquide constante dans l’accumulateur de vapeur (11) d’eau pendant l’injection de vapeur dans l’espace et au fond de l’accumulateur de vapeur d’eau (11) au travers des première et seconde conduites (13,16).
2. 2. Système de production d’énergie thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde conduites (13,16) comprennent respectivement deux débitmètres (14,17) permettant de mesurer le débit de vapeur d’eau dans ces deux conduites et la vanne (15) située dans la première conduite (13) est commandée pour contrôler le débit de vapeur d’eau passant principalement par la vanne (18) de la seconde conduite (16) et stabiliser le débit de vapeur d’eau total stocké dans l’accumulateur de vapeur d’eau (11) mesuré par les deux débitmètres (14,17) à une valeur de consigne calculée pour stocker l’ensemble du surplus de vapeur d’eau provenant du ballon séparateur eau/vapeur (3).
3. 3. Système de production d’énergie thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde conduites (13,16) comprennent respectivement deux débitmètres 14,17) permettant de mesurer le débit de vapeur d’eau dans ces deux conduites et les deux vannes (15,18) des première et seconde conduites (13,16) sont commandées pour contrôler le débit de vapeur d’eau passant dans ces deux conduites et stabiliser le débit de vapeur d’eau total stocké dans l’accumulateur de vapeur d’eau (11) mesuré par les deux débitmètres (14,17) à une valeur de consigne calculée pour stocker l’ensemble du surplus de vapeur d’eau provenant du ballon séparateur eau/vapeur (3).
4. 4. Système de production d’énergie thermique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la pompe (20) est reliée à l’entrée du générateur de vapeur d’eau (1) par l’intermédiaire d’un débitmètre (21) permettant de mesurer le débit d’eau liquide retourné de l’accumulateur de vapeur d’eau (11) au générateur de vapeur d’eau (1) égal au débit de vapeur d’eau stockée dans l’accumulateur de vapeur d’eau (11) et mesuré par les deux débitmètres (14,17) des première et seconde conduites (13,16) pour maintenir constante la masse d’eau liquide dans l’accumulateur de vapeur d’eau (11).
5. 5. Système de production d’énergie thermique selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde conduite (16) débouche dans l’accumulateur de vapeur d’eau (11) par l’intermédiaire de buses d’injection.
6. 6. Système de production d’énergie thermique selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’un clapet antiretour (15a) est disposé en parallèle à la vanne commandée (15) de la première conduite (15) pour assurer la circulation de vapeur d’eau provenant de l’accumulateur de vapeur d’eau (11) vers le consommateur de vapeur d’eau (5) lors d’une baisse de pression en sortie du ballon séparateur eau/vapeur (3) due à une baisse de charge du générateur de vapeur d’eau (1).
7. 7. Système de production d’énergie thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’une conduite (22) relie le fond de l’accumulateur de vapeur d’eau (11) à l’entrée du générateur de vapeur d’eau (1) par l’intermédiaire d’une pompe (9) et comprend en série une vanne commandée (23) et un débitmètre (24) pouvant être ouverte pour réguler un débit d’eau liquide de l’accumulateur de vapeur d’eau (11) vers l’entrée du générateur de vapeur d’eau (1) mesuré par le débitmètre (24) et égal au débit de vapeur d’eau mesuré par le débitmètre (14) de la première conduite (13) lors de la baisse de pression en sortie du ballon séparateur eau/vapeur (3) de manière à conserver une masse d'eau liquide constante dans l’accumulateur de vapeur d’eau (11).
8. 8. Système de production d’énergie thermique selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend deux accumulateurs de vapeur (11) d’eau reliés en parallèle et dont les espaces au-dessus de leurs niveaux d’eau liquide sont reliés à la première conduite (13), avec la seconde conduite (16) raccordée au voisinage des fonds des deux accumulateurs de vapeur d’eau (11) et la pompe (20) raccordée aux fonds des deux accumulateurs de vapeur d’eau. (11)
9. 9. Système de production d’énergie thermique selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend deux accumulateurs de vapeur d’eau (11) reliés en échelon en sortie du ballon séparateur eau/vapeur (3) par l’intermédiaire respectivement de deux jeux de premières et secondes conduites (13,16) pourvues des vannes commandées (15,18) avec la pompe (20) raccordée aux fonds des deux accumulateurs de vapeur d’eau (11) par l’intermédiaire respectivement de deux vannes commandées (30).
10. 10. Système de production d’énergie thermique selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ie générateur de vapeur d’eau (1) est constitué par au moins un tube dans lequel circule de l’eau portée à l’état de vapeur par une ligne de miroirs d’une installation solaire réfléchissant le rayonnement solaire vers le tube.
11. 11. Système de production d’énergie thermique selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend un automate centralisé permettant la gestion de l’ensemble des composants (15, 18, 23, 26, 30) du système durant les phases de stockage et de déstockage de l’énergie thermique.