EP2951420A1 - Installation a turbine a gaz et procede de regulation de ladite installation. - Google Patents

Installation a turbine a gaz et procede de regulation de ladite installation.

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Publication number
EP2951420A1
EP2951420A1 EP14703056.3A EP14703056A EP2951420A1 EP 2951420 A1 EP2951420 A1 EP 2951420A1 EP 14703056 A EP14703056 A EP 14703056A EP 2951420 A1 EP2951420 A1 EP 2951420A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
temperature
inlet
supply line
compressor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14703056.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Khalil SAIKALY
Benjamin LAULAN
Damien MENARD
Delphine THOREL
Sofiene KACHROUDI
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Dalkia SA
Original Assignee
Dalkia SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Dalkia SA filed Critical Dalkia SA
Publication of EP2951420A1 publication Critical patent/EP2951420A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F02C7/14—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel
    • F02C7/141—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid
    • F02C7/143—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid before or between the compressor stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/601—Fluid transfer using an ejector or a jet pump
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier
    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbines and in particular to improving the energy efficiency of installations with a gas turbine.
  • the present invention relates to the production of electricity by co-generation in stationary.
  • the possible cooling is limited by external conditions: the amount of water that can contain air is limited. For example, in a humid environment, one can (almost) not cool.
  • the machine consumes a lot of electricity: to produce lkWh of cold, it consumes between 0.2 and 0.4 kWh of electricity.
  • the present invention aims to provide a gas turbine installation to overcome the disadvantages of the prior art and in particular to allow an increase in mechanical power, and possibly the available thermal power supplied by a gas turbine with a possible adaptation to variations in climatic conditions in the environment in which the installation is located.
  • the present invention relates to a gas turbine plant which implements cooling CTIAC refrigerating machine with ejector. More specifically, it proposes a gas turbine installation, characterized in that it comprises:
  • a refrigerating machine operating with a fluid a liquid, for example water, or a gas or more generally a fluid able to change phase, which is liquid or gaseous as a function of its position in the machine
  • a fluid a liquid, for example water, or a gas or more generally a fluid able to change phase, which is liquid or gaseous as a function of its position in the machine
  • a low pressure circuit with an evaporator fed by an expansion element and forming a first cold source, an intermediate pressure circuit with an ejector and a condenser placed downstream of said ejector,
  • a gas turbine with a compressor supplied with air by an air supply line and whose outlet is connected to the inlet of a combustion chamber supplied with fuel (for example natural gas), the outlet of the combustion chamber being connected with the inlet of a turbine having an outlet with exhaust gases flowing in an exhaust pipe,
  • fuel for example natural gas
  • the CTIAC by ejector refrigerating machine according to the invention makes it possible to cool the air at the inlet of the turbine to any temperature value, in the limit of the phenomena of condensation and icing, whatever the external conditions (temperature, humidity ..), although the performances (COP or coefficient of thermal and electrical performance) of such a system vary with the external conditions.
  • the CTIAC ejector refrigerating machine according to the invention operates from the heat discharges of a gas turbine, and its power consumption is almost negligible. Furthermore, the CTIAC by ejector refrigerating machine according to the invention operates from low temperature thermal discharges of a gas turbine, up to about 80 ° C.
  • the ejector refrigeration machine CTIAC according to the invention is more flexible than an absorption system using the H 2 0 / LiBr couple and it has an affordable cost which is less than that of a system using the ejector.
  • an ejector overcomes the disadvantages of conventional cooling systems of a gas turbine: there is no limitation of cooling related to external conditions, little power consumption (comparable to absorption) , and the implementation of this technique is cheaper and more flexible than for absorption.
  • either the exhaust pipe forms the source of heat or it participates as one of the components of the heat source.
  • the present invention relates to a control method adapted for a gas turbine installation as described above.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an installation with a gas turbine according to the invention
  • FIGS. 2 to 5 represent alternative embodiments of the gas turbine installation according to the invention
  • FIGS. 6 to 8 represent several possible configurations for the implementation of the gas turbine installation according to the invention within a heating network
  • FIGS. 9 to 18 are diagrams showing different control methods according to the invention applicable to these gas turbine plants.
  • This refrigerating machine 100 is an ejector system, composed of the following elements:
  • An ejector 102 it plays the role of "thermal compressor”.
  • the high pressure flow of a high pressure circuit 110 accelerated at the inlet of the ejector 102, sucks the low pressure flow of a low pressure circuit 120. These two streams mix to form a flow at intermediate pressure of an intermediate pressure circuit 130.
  • the intermediate pressure circuit 130 is the intermediate pressure circuit 130:
  • a condenser 104 at the outlet of the ejector 102, the intermediate pressure stream is cooled in order to condense it. This exchange is typically with a source at room temperature.
  • An expansion member 106 a portion of this intermediate pressure stream is expanded.
  • An evaporator 108 the low pressure stream obtained is reheated and evaporated. This low pressure steam then enters the ejector 102. This heat exchange corresponds to the cold produced. This heat exchange is carried out with a heat source typically at room temperature (10 to 30 ° C).
  • a pump 112 the rest of the intermediate pressure stream is compressed by the pump 112. This pump 112, operating on liquid, consumes little electricity.
  • a generator 114 the high pressure stream obtained is reheated and evaporated. This high-pressure steam then enters the ejector 102. This heat exchange is carried out with a heat source typically between 80 and 120 ° C. According to the invention, as can be seen in FIG. 1, this refrigerating machine 100 is associated with a gas turbine engine 200, while operating as previously described.
  • the gas turbine 200 comprises a compressor 202, a combustion chamber 204, a turbine 206 and a gas turbine generator 208 adapted to drive the main shaft of the turbine 206 and the compressor 202.
  • the combustion chamber 204 is supplied with fuel by a fuel supply line 211.
  • the exhaust gases of the turbine 206 flow in an exhaust pipe 212.
  • the air of the air supply line 210 for cooling enters the gas turbine 200 at the compressor 202, and allows upstream of the gas turbine 200 to evaporate the fluid of the low pressure circuit. 120 passing through the evaporator 108.
  • a cogeneration heat exchanger the latter is placed upstream of the said generator 114 on the exhaust pipe 212.
  • the fluid of the intermediate pressure circuit 130 is condensed by the heater type condenser 104.
  • the installation that is the subject of the invention cools air that enters, via the air supply line 210, into the compressor 202 connected to the turbine 206.
  • This air leaves the compressor, and is mixed with a fuel (eg natural gas) arriving through the fuel supply line 211 into the combustion chamber 204.
  • a fuel eg natural gas
  • the fumes obtained are expanded in the turbine 206, which drives the air compressor 202 and the alternator forming the gas turbine generator 208.
  • the fumes enter the cogeneration heat exchanger, if it exists, in which they are cooled. (case not shown in Figure 1).
  • the fumes are cooled in the generator 114 of the ejector system formed of the refrigerating machine 100. Finally, the fumes are released into the atmosphere.
  • This configuration of FIG. 1, in which the exhaust pipe 212 forms the heat source of the high pressure circuit 110 and the air supply pipe 210 is subjected to said first cold source (formed in this example of the evaporator 108) constitutes a first embodiment of the first aspect of the invention.
  • FIGS. 2 to 4 the installation of FIG. 1, formed of the refrigerating machine 100 associated with the gas turbine engine 200, is configured according to another arrangement forming a second embodiment of the first aspect. of the invention.
  • the generator 114 instead of placing the generator 114 directly on the exhaust pipe 212 containing the fumes, the generator 114 is placed on an intermediate water loop 220 between an existing recovery boiler 222 (Located on the flue gas exhaust line 212) and a customer-side exchanger 224 which is connected to the hot water or steam distribution network to the customer (distribution water loop 226).
  • an existing recovery boiler 222 Located on the flue gas exhaust line 212
  • a customer-side exchanger 224 which is connected to the hot water or steam distribution network to the customer (distribution water loop 226).
  • the installation according to the invention further comprises an intermediate water loop 220 also belonging to said heat source and comprising a recovery boiler 222 traversed by the exhaust pipe 212, and an exchanger 224 (customer-side exchanger) capable of supplying heat to another distribution water loop 226.
  • an intermediate water loop 220 also belonging to said heat source and comprising a recovery boiler 222 traversed by the exhaust pipe 212, and an exchanger 224 (customer-side exchanger) capable of supplying heat to another distribution water loop 226.
  • connection of the installation according to this second embodiment of the first aspect of the invention can be carried out according to several variants.
  • this connection is called “in parallel” and the installation further comprises a water pipe 230 forming a bypass of the intermediate water loop 220 at the location of a outlet 231 located downstream of the recovery boiler 222 passing through the generator 114 to form said source of heat to which said generator 114 of the refrigerating machine 100 is subjected and opening into the intermediate water loop 220 downstream of said exchanger 224 of the intermediate water loop 220 (socket 232 in Figure 2).
  • this connection is called "in series”.
  • the installation further comprises a water pipe 230 'forming a bypass of the intermediate water loop 220 at the location of a plug 232 located downstream of said exchanger 224 intermediate water loop 220 passing through the generator 114 to form said heat source to which is subjected said generator 114 of the refrigerating machine 100 and opening into the intermediate water loop 220 downstream of said outlet 232 and upstream of the recovery boiler 222, at a plug 233.
  • the installation further comprises a water pipe 230 "forming a bypass of the intermediate water loop 220 at the location of a socket 231 located downstream of the boiler recovery 222 passing through the generator 114 to form said heat source which is subjected to said generator 114 of the refrigerating machine 100 and opening into the intermediate water loop 220 upstream of said exchanger 224 of the water loop intermediate 220, at a jack 234.
  • the temperatures in the intermediate water loop 220 change, the flow rate can remain the same.
  • the investment is lower; on the other hand, the operating conditions of the exchanger 224 on the client side are modified.
  • anti-icing or de-icing
  • de-icing allows when the outside temperature is too low (and the humidity too high) to reheat even when the turbine returns.
  • said gas turbine further comprises a deicing system 240 forming a second cold source and the air supply pipe 210 is subjected to said second source of cold.
  • the deicing system 240 comprises a water supply line 242 and a heat exchanger 244.
  • the ejector 102 can use this exchanger 244 to cool the air when the temperatures are too high (and therefore when the defrosting system 240 is not currently used): the ejector 102 cools the passing water in this exchanger 244 of the defrosting system 240.
  • the idea is to install the evaporator 108 of the refrigerating machine 100 on the pipe 242 of water.
  • the water of this water supply pipe is "hot” in winter, in order to defrost the air of the pipe 210 and is cold (that is to say cooled by the refrigerating machine 100) in summer, when it's warmer
  • FIG. 5 This configuration of FIG. 5 can of course be coupled with those previously described in FIGS. 2 to 4.
  • an adjustable valve 300 (also called “diverter”) makes it possible to adjust the flow coming out of the exhaust pipe 212 on the chimneys 302 and 304.
  • an adjustable valve 300 also called “diverter” makes it possible to adjust the flow coming out of the exhaust pipe 212 on the chimneys 302 and 304.
  • no heat recovery is made in the first chimney 302 of which the fumes come out very hot, but with a flow rate that is often low in the exhaust pipe 312 of the first chimney 302.
  • the heat recovery in particular for the cogeneration, is carried out in the second chimney 304 through the recovery boiler 222, with flow rates being higher.
  • the fumes then come out warmer than those leaving the first chimney 302.
  • FIGS. 6 to 8 illustrating several possible configurations for the implementation of the gas turbine installation according to the invention (100 and 200) within a heating network comprising a water loop dispenser 226 connected to an intermediate water loop 220 by a customer-side exchanger 224 and a recovery boiler 222.
  • the exhaust pipe 212 comprises at least a first chimney 302 and a second chimney 304 for exhausting the flue gases, the second chimney being placed downstream of the first chimney with, between the first chimney 302 and the second chimney 302.
  • the exhaust pipe 314 of the second chimney 304 passes firstly through the recovery boiler 222 which is placed on the intermediate water loop 220, downstream of the exchanger 224 on the client side.
  • the exhaust pipe 212 comprises at least a first chimney 302 and a second chimney 304 for the exhaust of the fumes, the second chimney 304 being placed downstream of the first chimney 302. with, between the first chimney 302 and the second chimney 304, an exhaust regulating valve 300, and the fumes exiting the second chimney 304 through the exhaust pipe of the second chimney 314, passing through said recovery boiler 222.
  • This application makes it possible to value the heat that is rarely used today (heat from gas turbines below 100 ° C), and to use it to increase the electric power produced by the turbine 206.
  • the installation according to the present invention is accompanied by an optimal regulation allowing to operate all year round (that is to say whatever the external conditions and the electrical and thermal load constraints imposed on the turbine 206 ).
  • the applicant has established a regulation, based on experimental results obtained on a prototype, which is based on taking into account the heat available in the fumes exiting the turbine. gas 200 through the exhaust pipe 212, a limitation of the minimum temperature of the air admitted to the inlet of the gas turbine 200 in the air supply pipe 210 (minimum value Tf depending on the conditions external) and an optimal operating model of the ejector system 100.
  • the ejector system 100 is controlled through two variables: the speed of rotation V of the pump 112 and the degree of opening 0 of the expansion device 106 (solenoid valve).
  • the objective of the control of the system is to cool as much as possible the air entering the turbine 206 (within the limits of the technical operating conditions of the turbine 206) by ensuring the best possible performance of the ejector system 100, and taking into account the constraints that are the ambient temperature Tamb and the heat available in the fumes CHdispo, either in the exhaust pipe 212 ( Figures 1 to 5), or at the outlet of the chimney 302 or 304 ( Figures 6 to 8) ), namely in the exhaust duct of the first chimney 312 or in the exhaust duct of the second chimney 314.
  • a method for regulating a gas turbine installation in which a regulation of said refrigerating machine (ejector system 100 ) by regulating the speed V of said pump 112 and the opening level (O) of said expansion member 106, from a set temperature (TCair) for the air of said air supply line 210 located downstream of the cold source (Tf), namely at the inlet of the compressor 202, using a double PID regulator.
  • a regulation of said refrigerating machine by regulating the speed V of said pump 112 and the opening level (O) of said expansion member 106, from a set temperature (TCair) for the air of said air supply line 210 located downstream of the cold source (Tf), namely at the inlet of the compressor 202, using a double PID regulator.
  • a method of regulating a gas turbine installation in which regulation of said refrigerating machine 100 is carried out by regulating the speed V of said pump 112 and the opening level O of said expansion element 106, from a set temperature (TCair) for the air of said air supply pipe 210 situated downstream of the cold source (Tf), using an optimal and / or robust control multi-variable taking into account the ambient air temperature Tamb, the heat available in the CHdispo exhaust (energy in J or power in W) and the actual temperature of the air in the air supply line 210 at the inlet of the compressor 202 (realized Tf). It is therefore an optimization of the input values of the ejector system 100.
  • this type of ejector system 100 can be regulated for example by using a multi-variable control based on an operating model of this system.
  • the regulation will then consist in an optimization of the input values (pump speed V 112 and opening O of the expansion device 106) by knowing the measured values of the output (cooled air temperature Tf achieved) and the stresses ( external temperature Tamb and heat available in CHdispo fumes).
  • the optimization calculation consists of an inversion of the model chosen to represent the ejector system 100.
  • This model can take different forms:
  • This model can take the form of state equations.
  • a deterministic model that is to say a set of equations (and a calculation algorithm) linking together the different parameters (notably realized Tf, Tamb, CHdispo, V and O .).
  • This model is often expressed in the form of state equations.
  • primary of said refrigerating machine 100 by regulating (with PIDs for example) the speed V of said pump 112 and the opening level 0 of said expansion member 106, from the setpoint of at least two primary control parameters selected among parameters of the refrigerating machine 100 comprising the temperature of the fluid during the change of state in the evaporator (Tevap), the temperature of the fluid during the change of state in the generator (Tg), the flow of fluid in the low pressure circuit (ml or primary flow), the fluid flow in the high pressure circuit (m2 or secondary flow), the difference (Lift) between the temperature at the change state condition in the condenser (Tcond) and during the change of state in the evaporator (Tevap) and the ratio between the fluid flow rate (ml) in the low pressure circuit 110 and the fluid flow rate (m2)
  • Low level regulation allows to directly control the pump 112 (speed V) and the expansion member 106 (the opening level O of the expansion member 106, which is usually a valve).
  • the outputs of the primary control are therefore control variables, in this case the speed of the pump 112 (V) and the opening level of the expansion member 106 (O).
  • the definition of this primary regulation must include a model (simple) linking the quantities measured at the speed of the pump 106 (V) and the opening of the expansion member 106 (0).
  • the "secondary” regulation makes it possible to calculate, using the measurements of the stresses imposed on the system comprising the gas turbine engine 200 and the refrigerating machine 100, the "primary" regulation instructions.
  • FIG. 12 shows a variant of the third embodiment of the second aspect, in which the secondary regulation regulating system is a PID regulator system based on a set temperature (TCair) for the air of said air supply line 210 located downstream of the cold source, namely at the inlet of the compressor 202.
  • TCair set temperature
  • Outputs refers to the results obtained, which serve here as reference for the regulation of the ejector (primary regulation).
  • the secondary regulating system comprises a first mathematical model of the ejector system 100 which supplies the setpoint of the fluid flow at the generator output (optimal ml) from a first series of quantities including the temperature of the ambient air Tamb.
  • the first model calculates the optimal point, that is to say without any constraint taken into account. Its only input is the outside temperature Tamb (or the condensing temperature of the water that depends directly on the outside temperature Tamb).
  • the secondary regulation further comprises a third mathematical model of the ejector system (100), called the “ejector model 3", located downstream of the first mathematical model of the ejector system called “model of the ejector 1", which provides a variety of information on the optimal operating point of the installation from a third set of magnitudes including the actual air temperature of the air supply line 210 at the inlet of the compressor 202 (Tf achieved) and the set temperature (TCair) for the air of said air supply line 210 calculated by the first mathematical model.
  • a third mathematical model of the ejector system 100
  • model 3 located downstream of the first mathematical model of the ejector system
  • model of the ejector 1 which provides a variety of information on the optimal operating point of the installation from a third set of magnitudes including the actual air temperature of the air supply line 210 at the inlet of the compressor 202 (Tf achieved) and the set temperature (TCair) for the air of said air supply line 210 calculated by the first mathematical model.
  • a control calculation for example a PID
  • a control calculation is added to the output of the first model of the ejector, which takes into account the difference between the actual air temperature of the air supply line. (210) at the inlet of the compressor (202) after cooling (Tf achieved) and the set temperature (TCair) calculated by the first mathematical model.
  • the secondary regulating regulating system further takes into account the humidity of the ambient air Hamb to determine the minimum value of the air temperature of the air supply line 210 at the inlet of the compressor (Tf minimum) and the regulating system of the secondary regulation further comprises a third mathematical model of the ejector system 100 which provides several information on the optimal operating point of the installation from a third series of quantities including the actual air temperature of the air supply line 210 at the compressor inlet (Tf achieved) and the minimum acceptable air temperature at the turbine inlet 206 (TARmin).
  • the third model calculates the operation of the system taking into account the air cooling limit temperature (which can be fixed or calculated) or more generally the minimum acceptable air temperature at the inlet of the turbine (TARmin) .
  • Its input data are: the operation of the ejector system 100 without this constraint (therefore the result of the first model and in particular the cooled air temperature reached according to the operating point of the first model of the ejector is Tf achieved) and the air cooling limit temperature TARmin.
  • the secondary regulating system also takes into account quantities representative of the exhaust gases (such as inlet temperature and / or flow rate and / or heat capacity) and furthermore comprises a second mathematical model of the ejector system 100, called "Ejector model 2", which provides an optimal value of the air temperature of the air supply line at the compressor inlet (optimal Tf), from a second series of quantities comprising the heat available in the exhaust gases (CHdispo), the temperature of the fluid in the condenser (Tcond) and the flow rate of fluid at the generator outlet (ml achieved).
  • quantities representative of the exhaust gases such as inlet temperature and / or flow rate and / or heat capacity
  • the second mathematical model calculates the second point of operation of the system taking into account the available heat in the CHdispo exhaust. Its input data are: the operation of the ejector system 100 without this constraint (hence the result of the first model) and the heat available in the exhaust gas (CHdispo) (exhaust pipe 212). To do this, we perform upstream of this second mathematical model, the comparison between the heat consumed at the first point of operation of the system, with the maximum possible power, namely the heat actually available in the exhaust gases (fumes) CHdispo.
  • a method of regulating a gas turbine installation as described above, in which the regulating system of the secondary regulation further comprises a third mathematical model of the ejector system (100), located downstream of the second mathematical model of the ejector system, which provides several information on the optimal operating point of the installation from a third series of quantities including the actual air temperature of the air supply line (210) at the inlet of the compressor (202) (Tf achieved) and the set temperature (TCair) for the air of said air supply line 210 calculated by the first mathematical model.
  • a control calculation for example a PID
  • a control calculation is added to the output of the second model of the ejector, which takes into account the difference between the actual air temperature of the air supply line. (210) at the compressor inlet (202) after cooling (realized Tf) and the set temperature (TCair) calculated by the second mathematical model.
  • the secondary regulating regulating system further takes into account a minimum predetermined temperature value of the air of the air supply line 210 at the inlet of the compressor 202 (minimum Tf fixed) and the maximum between said optimum value of the air temperature of the air supply line 210 at the inlet of the compressor 202 (optimal Tf) and a predetermined minimum value of the air temperature of the pipe 210 at the inlet of the compressor 202 (Tf minimum), said maximum being the largest value between optimal Tf and minimum Tf and forming the actual temperature of the air of driving supply air 210 to the inlet of the compressor 202 (Tf achieved), and wherein the secondary regulating regulator system further comprises a third mathematical model of the ejector system 100 which provides several information on the optimal operating point of the installation from a third series of quantities
  • TARmin Tf minimum and corresponds to the air temperature after cooling by the ejector system (refrigerating machine 100): in effect TARmin is the minimum cooled air temperature acceptable at the input of the turbine 206 and minimum Tf is the minimum predetermined value of the air temperature of the air supply line 210 at the inlet of the compressor 202.
  • the second mathematical model calculates the first operating point of the system taking into account the available heat CHdispo. Its input data are: the operation of the ejector system 100 without this constraint (hence the result of the first model) and the heat available in them in the exhaust (CHdispo) (exhaust pipe 212). To do this, it is performed upstream of this second mathematical model, the comparison between the heat consumed at the first operating point of the system, with the maximum possible power, namely the heat actually available in the exhaust gas (fumes) CHdispo .
  • the secondary regulation regulating system furthermore takes into account the humidity of the ambient air Hamb to determine the minimum value of the air temperature of the air supply line 210 at the inlet of the compressor 202 (minimum Tf) and the maximum between said optimum value of the air temperature of the air supply line 210 at the inlet of the compressor 202 (optimal Tf) and a predetermined minimum value of the air temperature of the air supply line 210 at the inlet of compressor 202 (minimum fixed Tf), said maximum being the largest value between Tf and optimal Tf and forming the actual air temperature of the air supply line 210 to the inlet of the compressor 202 (Tf achieved), and wherein the secondary regulating regulator system further comprises a third model mathematical system of the ejector system 100 which provides several information on the optimal operating point of the installation from a third series of quantities including the actual air temperature of the
  • the second mathematical model calculates the second operating point of the system taking into account the available heat CHdispo. Its input data are: the operation of the ejector system 100 without this constraint (hence the result of the first model) and the heat available in the exhaust gas (CHdispo) (exhaust pipe 212). To do this, it is performed upstream of this second mathematical model, the comparison between the heat consumed at the first operating point of the system, with the maximum possible power, namely the heat actually available in the exhaust gas (fumes) CHdispo .
  • a method for regulating a gas turbine installation as described above, in said information on the optimal operating point of the the installation comprises at least one of the fluid flow rate at the outlet of the evaporator 108 (m2 produced), the ratio (w) between the fluid flow rate at the outlet of the evaporator 108 (m2 produced) and the flow rate of generator output fluid 114 (ml produced), the evaporator state change temperature 108 (Tevap), the difference (Lift) between the condenser state change temperature 104 (Tcond) and the temperature of the change of state of the evaporator 108 (Tevap), the pressure at the generator 114 (Pg) and the pressure at the evaporator 108 (Pevap).
  • the second mathematical model calculates the second point of operation of the system taking into account the heat available CHdispo. Its input data are: the operation of the ejector system 100 without this constraint (hence the result of the first model) and the heat available in them in the exhaust (CHdispo) (exhaust pipe 212). To do this, it is performed upstream of this second mathematical model, the comparison between the heat consumed at the first operating point of the system, with the maximum possible power, namely the heat actually available in the exhaust gas (fumes) CHdispo , and
  • the third model placed downstream of the second model, calculates the operation of the system taking into account the air cooling limit temperature (which can be fixed or calculated) or more generally the minimum air temperature acceptable to the inlet of the turbine (TARmin). Its input data are: the operation of the ejector system 100 with the actual heat stress available in the CHdispo exhaust gas (hence the result of the second model) and the TARmin air cooling limit temperature.
  • a method for regulating a gas turbine installation as previously described according to the fourth embodiment of the second aspect, in which the secondary regulating system furthermore takes into account a predetermined minimum air temperature value of the air supply line at the inlet of the compressor (minimum T f) and in which the secondary regulating regulating system comprises in addition a third mathematical model of the ejector system 100Q which provides several information on the optimal operating point of the installation from a third series of quantities including the actual temperature of the air of the air supply line to the compressor inlet (Tf achieved) and the minimum acceptable air temperature at the inlet of the turbine (TARmi not).
  • the third model calculates the operation of the system taking into account the air cooling limit temperature (which can be fixed or calculated) or more generally the minimum acceptable air temperature at the inlet of the turbine (TARmin) .
  • Its input data is: the operation of the ejector system 100 without this constraint (therefore the result of the first model or the second model and in particular the cooled air temperature reached according to the operating point of the first model of the ejector is Tf achieved) and the cooling limit temperature of air TARmin.
  • the constraints are taken into account via a comparison between the operating points previously calculated and the constraint.
  • the second model it will be verified whether the heat consumed by the ejector system 100 without constraints (therefore the result of the first model) is less than the available heat CHdispo. Otherwise, we will restrict the operation of the system to reduce heat consumption: the stress will be exerted first on the primary flow ml.
  • two setpoint variables are used: one on the generator side 114 and one on the evaporator side 108.
  • Tevap and Tg two temperatures
  • Pevap and Pg two pressures
  • flow rates ml and m2
  • the lift (Tcond - Tevap) and the training rate (w m2 / ml) are "performance indicators" which, when used together, contain enough information to serve as set variables.
  • said third mathematical model of the ejector system (100) is corrected by adding to the optimal operating point of installing the difference between the actual air temperature of the air supply line (210) to the compressor inlet (202) after cooling (realized Tf) and the set temperature (TCair) calculated by the third mathematical model and taking into account the minimum acceptable air temperature at the inlet of the turbine (206) (TAR min).
  • This additional closed-loop arrangement makes it possible to correct the regulations described with reference to FIGS. 13 to 18 which, without these elements represented in dotted lines, have the particularity of being in an open loop: that is to say that it There is no return of the actual operation of the installation according to the first aspect of the invention and formed of the gas turbine unit 200 and the refrigerating machine 100.
  • this additional arrangement prevents a drift on the system or that the first mathematical model and / or the second mathematical model of the refrigerating machine 100 forming the ejector system is (are) (or becomes (are)) mis-calibrated (s), and thus errors in the regulation, by which one can reach the desired operating point.
  • the heat capacity of the dry air is constant with the temperature
  • the cost of the ejector system is linear with the cold power to be supplied
  • the electrical consumption of the ejector is linear with the cooling power supplied,
  • the power loss of the turbine due to the pressure drop in the evaporator depends on the cooling performed and the power of the turbine,
  • the airflow to be cooled is linear with the consumption of natural gas
  • the system is regulated according to the method described previously with reference to FIG.
  • the performance of the system depends little on external conditions: the system is efficient whatever the climate considered. Indeed, the performances of the system (in particular COP or coefficient of thermal and electric performance remain fairly constant for all external conditions (thanks to the optimal regulation applied) .
  • the differences of gain of electric power are more due to the potential gain related to the climate the performance of the system itself: any CTIAC system is more interesting in a hot climate than in a cold climate.

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Abstract

L'invention concerne une installation avec turbine à gaz, comportant : - une machine frigorifique (100) comprenant : ° un circuit de haute pression (110) avec un générateur (114) alimenté par une pompe (112) et soumis à une source de chaleur, ° un circuit de basse pression (120) avec un évaporateur (108) alimenté par un organe de détente (106) et formant une première source de froid, ° un circuit de pression intermédiaire (130) avec un éjecteur (102) et un condenseur (104) placé en aval dudit éjecteur (102), - une turbine à gaz (200) avec un compresseur (202), dans laquelle la conduite d'alimentation en air (210) du compresseur est soumise à une source de froid et la conduite d'échappement (212) des gaz d'échappement appartient à ladite source de chaleur. Application à la production d'électricité par co-génération en stationnaire.

Description

Installation à turbine à gaz et procédé de régulation de ladite installation La présente invention concerne le domaine des turbines à gaz et en particulier l'amélioration du rendement énergétique des installations avec turbine à gaz. En particulier, mais de façon non limitative, la présente invention concerne la production d'électricité par co- génération en stationnaire.
Dans le domaine précité, de nombreuses techniques de refroidissement à l'air à l'entrée d'une turbine à gaz (CTIAC pour « Combustion Turbine InletAir Cooling ») ont été décrites.
Dans ces techniques de refroidissement à l'air à l'entrée d'une turbine à gaz on rencontre un certain nombre de problèmes.
Ainsi, pour les systèmes par aspersion d'eau (« fogging et evaporative cooler») le refroidissement possible est limité par les conditions extérieures : la quantité d'eau que peut contenir l'air est limitée. Par exemple, dans un environnement humide, on ne peut (presque) pas refroidir.
Pour les systèmes à compression mécanique, il n'y a pas de limitation du refroidissement liée aux conditions extérieures. Par contre, la machine consomme beaucoup d'électricité : pour produire lkWh de froid, elle consomme entre 0.2 et 0.4 kWh d'électricité.
Egalement, avec les systèmes à absorption, il n'y a pas de limitation du refroidissement liée aux conditions extérieures et la machine consomme peu d'électricité : pour produire lkWh de froid, elle consomme entre 0.07 et 0.1 kWh d'électricité. Par contre, ces machines sont chères et souvent peu souples d'utilisation.
La présente invention a pour objectif de fournir une installation à turbine à gaz permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier permettre une augmentation de la puissance mécanique, et éventuellement de la puissance thermique, disponible fournie par une turbine à gaz avec une adaptation possible aux variations de conditions climatiques de l'environnement dans lequel se trouve ladite installation.
A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention concerne une installation à turbine à gaz qui met en œuvre un refroidissement CTIAC par machine frigorifique avec éjecteur. Plus précisément, on propose une installation avec turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte :
- une machine frigorifique fonctionnant avec un fluide (un liquide, par exemple de l'eau, ou un gaz ou plus généralement un fluide apte à changer de phase, laquelle est liquide ou gazeuse en fonction de sa position dans la machine), comprenant :
° un circuit de haute pression avec un générateur alimenté par une pompe et soumis à une source de chaleur ,
° un circuit de basse pression avec un évaporateur alimenté par un organe de détente et formant une première source de froid, ° un circuit de pression intermédiaire avec un éjecteur et un condenseur placé en aval dudit éjecteur,
dans laquelle le fluide sortant du générateur et le fluide sortant de l'évaporateur alimentent ledit éjecteur et le fluide sortant du condenseur alimente ladite pompe et ledit organe de détente,
- une turbine à gaz avec un compresseur alimenté en air par une conduite d'alimentation en air et dont la sortie est reliée à l'entrée d'une chambre de combustion alimentée en carburant (par exemple du gaz naturel), la sortie de la chambre de combustion étant reliée avec l'entrée d'une turbine présentant une sortie avec des gaz d'échappement circulant dans une conduite d'échappement,
dans laquelle la conduite d'alimentation en air est soumise à une source de froid et la conduite d'échappement appartient à ladite source de chaleur.
Le CTIAC par machine frigorifique à éjecteur selon l'invention permet de refroidir l'air à l'entrée de la turbine jusqu'à n'importe quelle valeur de température, dans la limite des phénomènes de condensation et de givrage, quelles que soient les conditions extérieures (température, humidité..), bien que les performances (COP ou coefficient de performance thermique et électrique) d'un tel système varient avec les conditions extérieures.
En outre, le CTIAC par machine frigorifique à éjecteur selon l'invention fonctionne à partir des rejets thermiques d'une turbine à gaz, et sa consommation en énergie électrique est quasiment négligeable. Par ailleurs, le CTIAC par machine frigorifique à éjecteur selon l'invention fonctionne à partir des rejets thermiques basses températures d'une turbine à gaz, jusqu'à environ 80°C.
De plus, le CTIAC par machine frigorifique à éjecteur selon l'invention est plus souple qu'un système à absorption utilisant le couple H20/LiBr et il présente un coût abordable qui est moindre par rapport à celui d'un système utilisant le couple NH3/H20.
Ainsi, le recours à un éjecteur permet de surmonter les inconvénients des systèmes de refroidissement classiques d'une turbine à gaz: il n'y a pas de limitation du refroidissement liée aux conditions extérieures, peu de consommation électrique (comparable à l'absorption), et la mise en œuvre de cette technique est moins chère et plus souple que pour l'absorption.
Un éjecteur tel que celui décrit dans le document WO 2011/006251 peut être utilisé dans le cadre de la présente invention.
Dans ce qui précède, soit la conduite d'échappement forme la source de chaleur soit elle participe comme l'un des composants de la source de chaleur.
Par ailleurs, selon un second aspect, la présente invention concerne un procédé de régulation adapté pour une installation avec turbine à gaz telle que décrite précédemment.
L'application d'un tel procédé de régulation sur une installation à turbine à gaz qui met en œuvre un refroidissement CTIAC par machine frigorifique avec éjecteur permet de s'adapter aux variations des conditions extérieures, aux variations des sollicitations sur le système (demande thermique, demande électrique), tout en assurant un fonctionnement optimal de l'éjecteur.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique montrant une installation avec turbine à gaz selon l'invention,
- les figures 2 à 5 représentent des variantes de réalisation de l'installation avec turbine à gaz selon l'invention, - les figures 6 à 8 représentent plusieurs configurations possibles pour la mise en œuvre de l'installation avec turbine à gaz selon l'invention au sein d'un réseau de chauffage, et
- les figures 9 à 18 sont des diagrammes présentant différents procédés de régulation selon l'invention applicables à ces installations avec turbine à gaz.
Sur les figures 1 à 8, on trouve en premier lieu, une machine frigorifique 100 utilisée au sein de l'installation avec turbine à gaz selon l'invention.
Cette machine frigorifique 100 est un système à éjecteur, composé des éléments suivants :
Un éjecteur 102 : il joue le rôle de « compresseur thermique ». Le flux de haute pression d'un circuit à haute pression 110, accéléré à l'entrée de l'éjecteur 102, aspire le flux de basse pression d'un circuit à basse pression 120. Ces deux flux se mélangent pour former un flux à pression intermédiaire d'un circuit à pression intermédiaire 130.
• le circuit à pression intermédiaire 130 :
o un condenseur 104 : à la sortie de l'éjecteur 102, le flux à pression intermédiaire est refroidi afin de le condenser. Cet échange se fait typiquement avec une source à température ambiante.
• Le circuit à basse pression 120 :
o Un organe de détente 106 : une partie de ce flux à pression intermédiaire est détendue.
o Un évaporateur 108 : le flux basse pression obtenu est réchauffé et s'évapore. Cette vapeur basse pression rentre ensuite dans l'éjecteur 102. Cet échange de chaleur correspond au froid produit. Cet échange de chaleur est réalisé avec une source de chaleur typiquement à température ambiante (10 à 30°C).
• Le circuit à haute pression 110 :
o une pompe 112 : le reste du flux à pression intermédiaire est comprimé par la pompe 112. Cette pompe 112, fonctionnant sur du liquide, consomme peu d'électricité.
o un générateur 114 : le flux haute pression obtenu est réchauffé et s'évapore. Cette vapeur haute pression rentre ensuite dans l'éjecteur 102. Cet échange de chaleur est réalisé avec une source de chaleur typiquement entre 80 et 120°C. Selon l'invention, comme on peut le voir sur la figure 1, cette machine frigorifique 100 est associée avec une turbine à gaz 200, tout en fonctionnant comme précédemment décrit.
La turbine à gaz 200 comporte un compresseur 202, une chambre de combustion 204, une turbine 206 et un générateur de turbine à gaz 208 apte à entraîner l'arbre principal de la turbine 206 et du compresseur 202.
La chambre de combustion 204 est alimentée en carburant par une conduite d'alimentation en carburant 211.
Les gaz d'échappement de la turbine 206 circulent dans une conduite d'échappement 212.
L'air de la conduite d'alimentation en air 210 servant à refroidir, entre dans la turbine à gaz 200, au niveau du compresseur 202, et permet en amont de la turbine à gaz 200 d'évaporer le fluide du circuit à basse pression 120 en passant dans l'évaporateur 108. Les fumées sortant de la turbine 206 par la conduite d'échappement 212, et qui sont à refroidir, permettent d'évaporer le fluide à haute pression au niveau du générateur 114, par échange de chaleur au niveau du générateur 114. Si l'installation comprend en outre (cas de figure non représenté) un échangeur de cogénération, ce dernier est placé en amont du générateur précité 114 sur la conduite d'échappement 212.
Le fluide du circuit à pression intermédiaire 130 est condensé par le condenseur 104 de type aérotherme.
Ainsi, l'installation objet de l'invention refroidit de l'air qui entre, par la conduite d'alimentation en air 210, dans le compresseur 202 lié à la turbine 206. Cet air ressort par le compresseur, et est mélangé à un carburant (par exemple du gaz naturel) arrivant par la conduite d'alimentation en carburant 211 dans la chambre de combustion 204. Puis, la combustion a lieu. Les fumées obtenues sont détendues dans la turbine 206, qui entraine le compresseur à air 202 et l'alternateur formant le générateur de turbine à gaz 208. Les fumées rentrent dans l'échangeur à cogénération, s'il existe, dans lequel elles sont refroidies (cas de figure non représenté sur la figure 1). Puis, les fumées se refroidissent dans le générateur 114 du système éjecteur formé de la machine frigorifique 100. Enfin, les fumées sont relâchées dans l'atmosphère. Cette configuration de la figure 1, dans laquelle la conduite d'échappement 212 forme la source de chaleur du circuit de haute pression 110 et la conduite d'alimentation en air 210 est soumise à ladite première source de froid (formée dans cet exemple de l'évaporateur 108), constitue un premier mode de réalisation du premier aspect de l'invention
Si l'on se réfère maintenant aux figures 2 à 4, l'installation de la figure 1, formée de la machine frigorifique 100 associée à la turbine à gaz 200, est configurée selon un autre agencement formant un deuxième mode de réalisation du premier aspect de l'invention.
II s'agit du cas d'une cogénération: au lieu de placer le générateur 114 directement sur la conduite d'échappement 212 contenant les fumées, le générateur 114 est placé sur une boucle d'eau intermédiaire 220 entre une chaudière de récupération 222 existante (placée sur la conduite d'échappement 212 des fumées) et un échangeur 224 côté client qui est relié au réseau de distribution d'eau chaude ou de vapeur vers le client (boucle d'eau de distribution 226).
Ainsi, dans ce cas, on comprend que l'installation selon l'invention comprend en outre une boucle d'eau intermédiaire 220 appartenant également à ladite source de chaleur et comprenant une chaudière de récupération 222 traversée par la conduite d'échappement 212, et un échangeur 224 (échangeur côté client) apte à fournir de la chaleur vers une autre boucle d'eau de distribution 226.
Le branchement de ("installation selon ce deuxième mode de réalisation du premier aspect de l'invention peut s'effectuer selon plusieurs variantes.
Selon une première variante, visible sur la figure 2, ce branchement est dit «en parallèle » et l'installation comporte en outre une conduite d'eau 230 formant une dérivation de la boucle d'eau intermédiaire 220 à l'emplacement d'une prise 231 située en aval de la chaudière de récupération 222 en passant dans le générateur 114 afin de former ladite source de chaleur à laquelle est soumise ledit générateur 114 de la machine frigorifique 100 et en débouchant dans la boucle d'eau intermédiaire 220 en aval dudit échangeur 224 de la boucle d'eau intermédiaire 220 (prise 232 sur la figure 2).
Dans ce cas, les températures dans la boucle intermédiaire
220 restent les mêmes, seul le débit d'eau circulant est modifiée. Il peut être nécessaire de changer la pompe de circulation d'eau (non représentée) de la boucle intermédiaire 220. Par contre, les conditions de fonctionnement de l'échangeur 224 côté client restent identiques à celles en l'absence de la conduite d'eau 230 formant la dérivation de la boucle d'eau intermédiaire 220.
Selon une deuxième variante et une troisième variante, ce branchement est dit «en série».
Selon cette deuxième variante, visible sur la figure 3, l'installation comporte en outre une conduite d'eau 230' formant une dérivation de la boucle d'eau intermédiaire 220 à l'emplacement d'une prise 232 située en aval dudit échangeur 224 de la boucle d'eau intermédiaire 220 en passant dans le générateur 114 afin de former ladite source de chaleur à laquelle est soumise ledit générateur 114 de la machine frigorifique 100 et en débouchant dans la boucle d'eau intermédiaire 220 en aval de ladite prise 232 et en amont de la chaudière de récupération 222, au niveau d'une prise 233.
Selon cette troisième variante, visible sur la figure 4, l'installation comporte en outre une conduite d'eau 230" formant une dérivation de la boucle d'eau intermédiaire 220 à l'emplacement d'une prise 231 située en aval de la chaudière de récupération 222 en passant dans le générateur 114 afin de former ladite source de chaleur à laquelle est soumise ledit générateur 114 de la machine frigorifique 100 et en débouchant dans la boucle d'eau intermédiaire 220 en amont dudit échangeur 224 de la boucle d'eau intermédiaire 220, au niveau d'une prise 234.
Selon cette deuxième variante et cette troisième variante, les températures dans la boucle d'eau intermédiaire 220 changent, le débit peut rester identique. L'investissement est plus faible ; par contre les conditions de fonctionnement de l'échangeur 224 côté client sont modifiées.
On se rapporte maintenant à la figure 5 présentant une alternative de réalisation appliquée au premier mode de réalisation de la figure 1, et qui serait applicable aux variantes des figures 2, 3 et 4 précédemment décrites.
En effet, sur certaines turbines, surtout sur les sites où les températures hivernales sont souvent froides (proche ou moins de 0°C), il existe un système, dit « anti-icing » (ou dégivrage), qui permet lorsque la température extérieure est trop faible (et l'humidité trop élevée) de réchauffer Pair à rentrée de la turbine.
Dans ce cas, ladite turbine à gaz comporte en outre un système de dégivrage 240 formant une deuxième source de froid et la conduite d'alimentation en air 210 est soumise à ladite deuxième source de froid.
Dans le cas de la figure 5, on voit que le système de dégivrage 240 comporte une conduite d'alimentation en eau 242 et un échangeur 244
Dans ce cas, il existe déjà un échangeur de chaleur 244 sur le flux d'air à l'entrée de la turbine à gaz 200, à savoir sur la conduite d'alimentation en air 210.
Egalement, l'éjecteur 102 peut se servir de cet échangeur 244 pour refroidir l'air lorsque les températures sont trop élevées (et donc lorsque le système de dégivrage 240 n'est actuellement pas utilisé) : l'éjecteur 102 refroidit l'eau passant dans cet échangeur 244 du système de dégivrage 240. L'idée est d'installer l'évaporateur 108 de la machine frigorifique 100 sur la conduite 242 d'eau. L'eau de cette conduite d'alimentation en eau est « chaude » en hiver, afin de dégivrer l'air de la conduite 210 et elle est froide (c'est-à-dire refroidie par la machine frigorifique 100) en été, lorsqu'il fait plus chaud.
Cette configuration de la figure 5 peut bien sûr être couplée avec celles décrites précédemment aux figures 2 à 4.
Sur de nombreuses turbines à gaz, il n'y a pas une seule cheminée mais deux cheminées d'évacuations des gaz d'échappement. En effet, comme il est visible sur les figures 6 à 8, une vanne réglable 300 (encore appelée « diverter») permet d'ajuster le débit sortant de la conduite d'échappement 212 sur les cheminées 302 et 304. Ainsi, dans la pratique actuelle, aucune récupération de chaleur n'est faite dans la première cheminée 302 de laquelle les fumées sortent très chaudes, mais avec un débit qui est souvent faible dans la conduite d'évacuation 312 de la première cheminée 302.
Ainsi, actuellement, la récupération de chaleur, notamment pour la cogénération, est effectuée dans la seconde cheminée 304 à travers la chaudière de récupération 222, avec des débits sont plus importants dans la conduite d'évacuation 314 de cette seconde cheminée 304. Cependant, dans cette seconde cheminée 304, les fumées sortent alors moins chaudes que celles sortant de la première cheminée 302.
On va se tourner vers les figures 6 à 8 illustrant plusieurs configurations possibles pour la mise en œuvre de l'installation avec turbine à gaz selon l'invention (100 et 200) au sein d'un réseau de chauffage comprenant une boucle d'eau de distribution 226 reliée à une boucle d'eau intermédiaire 220 par un échangeur 224 côté client et une chaudière de récupération 222.
On peut alors en effet placer le système à éjecteur 100 à trois endroits différents :
• Sur la première cheminée 302 (figure 6) : la conduite d'évacuation 312 de la première cheminée 302 passe dans le générateur 114, tandis que la conduite d'évacuation 314 de la seconde cheminée 304 est dirigée sur la chaudière de récupération 222.
Dans ce cas, la conduite d'échappement 212 comporte au moins une première cheminée 302 et une deuxième cheminée 304 pour l'échappement des fumées, la deuxième cheminée étant placée en aval de la première cheminée avec, entre la première cheminée 302 et la deuxième cheminée 304, une vanne de réglage d'échappement 300, et les fumées sortent de la première cheminée 302, par la conduite d'évacuation 312 de la première cheminée 302, forment ladite source de chaleur.
• Sur la seconde cheminée 304, après la chaudière de récupération 222. Le système à éjecteur 100 ne sera pas mis avant la chaudière de récupération 222 pour éviter de ne pas pouvoir remplir le besoin client (la chaleur utilisée par le système à éjecteur 100 doit être de la chaleur non valorisée par le client), selon la figure 7. Dans ce cas, la conduite d'évacuation 314 de la seconde cheminée 304 traverse en premier lieu la chaudière de récupération 222, puis en aval de la chaudière de récupération 222, le générateur 114 du système à éjecteur 100. Dans cette situation, ladite boucle d'eau intermédiaire 220 forme ladite source de chaleur puisque ladite boucle d'eau intermédiaire 220 est reliée via la chaudière de récupération 222 au générateur de vapeur 114 du circuit de haute pression 110.
· Sur la boucle d'eau chaude intermédiaire 220, après la chaudière de récupération 222. Il y a toujours trois configurations réalisables: en parallèle, en série sur l'aller et en série sur le retour. Seule la configuration en parallèle est ici représentée sur la figure 8 : la conduite d'évacuation 314 de la seconde cheminée 304 traverse en premier lieu la chaudière de récupération 222 qui est placée sur la boucle d'eau intermédiaire 220, en aval de l'échangeur 224 côté client. Dans ce cas, et d'une façon plus générale, la conduite d'échappement 212 comporte au moins une première cheminée 302 et une deuxième cheminée 304 pour l'échappement des fumées, la deuxième cheminée 304 étant placée en aval de la première cheminée 302 avec, entre la première cheminée 302 et la deuxième cheminée 304, une vanne de réglage d'échappement 300, et les fumées sortant de la seconde cheminée 304 par la conduite d'évacuation de la seconde cheminée 314, traversent ladite chaudière de récupération 222.
Dans le cas de la configuration en parallèle illustrée sur la figure 8, on retrouve la conduite d'eau 230 formant une dérivation de la boucle d'eau intermédiaire 220 à l'emplacement d'une prise 231 située en aval de la chaudière de récupération 222 en passant dans le générateur 114 afin de former ladite source de chaleur à laquelle est soumise ledit générateur 114 de la machine frigorifique 100 et en débouchant dans la boucle d'eau intermédiaire 220 en aval dudit échangeur 224 de la boucle d'eau intermédiaire 220 (prise 232 sur la figure 8).
Cette application permet de valoriser la chaleur rarement valorisée aujourd'hui (chaleur des turbines à gaz en-dessous de 100°C), et de l'utiliser pour augmenter la puissance électrique produite par la turbine 206.
L'installation selon la présente invention s'accompagne d'une régulation optimale permettant de fonctionner durant toute l'année (c'est- à-dire quelles que soient les conditions extérieures et les contraintes de charge électrique et thermique imposées à la turbine 206).
En effet, selon un deuxième aspect de l'invention, le demandeur a établi une régulation, basée sur des résultats expérimentaux obtenus sur un prototype, qui s'appuie sur la prise en compte de la chaleur disponible dans les fumées sortant de la turbine à gaz 200 par la conduite d'échappement 212, une limitation de la température minimale de l'air autorisée à l'entrée de la turbine à gaz 200 dans la conduite d'alimentation en air 210 (valeur Tf minimale dépendant des conditions extérieures) et un modèle de fonctionnement optimal du système à éjecteur 100.
D'une façon générale, comme il apparaît sur les figures 9 et 10, le système à éjecteur 100 se commande à travers deux variables : la vitesse de rotation V de la pompe 112 et le degré d'ouverture 0 de l'organe de détente 106 (électrovanne).
L'objectif de la commande du système est de refroidir au maximum l'air rentrant dans la turbine 206 (dans la limite des conditions techniques d'opération de la turbine 206) en assurant les meilleures performances possible du système à éjecteur 100, et en prenant en compte les contraintes que sont la température ambiante Tamb et la chaleur disponible dans les fumées CHdispo, soit dans la conduite d'échappement 212 (figures 1 à 5), soit à la sortie de la cheminée 302 ou 304 (figures 6 à 8), à savoir dans la conduite d'évacuation de la première cheminée 312 ou dans la conduite d'évacuation de la seconde cheminée 314.
Selon un premier mode de réalisation du second aspect, illustré sur la figure 9, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite, dans lequel on réalise une régulation de ladite machine frigorifique (système à éjecteur 100) en régulant la vitesse V de ladite pompe 112 et le niveau d'ouverture (O) dudit organe de détente 106, à partir d'une température de consigne (TCair) pour l'air de ladite conduite d'alimentation en air 210 située en aval de la source de froid (Tf), à savoir à l'entrée du compresseur 202, en utilisant un double régulateur PID.
Dans ce cas, il faut décorréler l'influence des deux paramètres d'entrée (ici la vitesse V de la pompe 112 et l'ouverture O de l'organe de détente 106) et utiliser un régulateur PID sur chaque entrée, à savoir un premier régulateur PID 402 à l'entrée de la pompe 112 pour régler sa vitesse V et un deuxième régulateur PID 404 à l'entrée de l'organe de détente 106 pour régler son degré d'ouverture O.
Selon un deuxième mode de réalisation du second aspect, illustré sur la figure 10, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite, dans lequel on réalise une régulation de ladite machine frigorifique 100 en régulant la vitesse V de ladite pompe 112 et le niveau d'ouverture O dudit organe de détente 106, à partir d'une température de consigne (TCair) pour l'air de ladite conduite d'alimentation en air 210 située en aval de la source de froid (Tf), en utilisant une commande optimale et/ou robuste multi-variable prenant en considération la température de l'air ambiant Tamb, la chaleur disponible dans les gaz d'échappement CHdispo (énergie en J ou puissance en W) et la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf réalisée). Il s'agit donc d'une optimisation des valeurs d'entrée du système à éjecteur 100.
Ainsi, ce type de système à éjecteur 100 peut être régulé par exemple en utilisant une commande multi-variable basée sur un modèle de fonctionnement de ce système. La régulation consistera alors en une optimisation des valeurs d'entrée (vitesse V de pompe 112 et ouverture O de l'organe de détente 106) en connaissant les valeurs mesurées de la sortie (température d'air refroidie Tf réalisée) et des contraintes (température extérieure Tamb et chaleur disponible dans les fumées CHdispo).
Le calcul d'optimisation consiste en une inversion du modèle choisi pour représenter le système à éjecteur 100.
Ce modèle peut prendre différentes formes différentes :
- un ensemble d'abaques reliant les performances du système et la température d'air refroidie Tf réalisée, à la température extérieure Tamb, à la chaleur disponible dans les fumées CHdispo, à la vitesse V de la pompe 112 et à l'ouverture O de l'organe de détente 106.
- un modèle identifié à partir d'un ensemble (suffisamment important) de mesures effectuées sur le système à éjecteur 100. Ce modèle peut prendre la forme d'équations d'état.
- un modèle déterministe, c'est à dire un ensemble d'équations (et un algorithme de calcul) reliant entre eux les différents paramètres (notamment Tf réalisée, Tamb, CHdispo, V et O....). Ce modèle est souvent exprimé sous la forme d'équations d'état.
La solution à choisir entre ces trois possibilités dépend des données disponibles, de la fréquence de rafraîchissement des valeurs d'entrée nécessaire et de la possibilité, ou non, d'avoir des modèles physiques déterministes. En effet, ces solutions demandent des temps de calcul plus ou moins importants : par exemple, l'utilisation d'abaques permet un calcul très rapide (quelques secondes), alors que l'utilisation d'un modèle déterministe demande beaucoup plus de temps (jusqu'à quelques minutes)
Selon un troisième mode de réalisation du second aspect, illustré sur la figure 11, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite selon le deuxième mode de réalisation du second aspect, dans lequel on réalise une régulation primaire de ladite machine frigorifique 100 en régulant (par des PIDs par exemple) la vitesse V de ladite pompe 112 et le niveau d'ouverture 0 dudit organe de détente 106, à partir de la consigne d'au moins deux paramètres de régulation primaire choisis parmi des paramètres de la machine frigorifique 100 comprenant la température du fluide lors du changement d'état dans l'évaporateur (Tévap), la température du fluide lors du changement d'état dans le générateur (Tg), le débit de fluide dans le circuit de basse pression (ml ou débit primaire), le débit de fluide dans le circuit de haute pression (m2 ou débit secondaire), la différence (Lift) entre la température lors du changement d'état dans le condenseur (Tcond) et lors du changement d'état dans l'évaporateur (Tévap) et le rapport entre le débit de fluide (ml) dans le circuit de basse pression 110 et le débit de fluide (m2) dans le circuit de haute pression 120 (appelé taux d'entraînement w), et
- on réalise une régulation secondaire de ladite machine frigorifique 100 dans laquelle on utilise un système régulateur pour calculer les valeurs de consigne desdits paramètres de régulation primaire choisis.
La régulation « primaire », que nous pouvons aussi appeler
«régulation de bas niveau », permet de commander directement la pompe 112 (vitesse V) et l'organe de détente 106 (le niveau d'ouverture O de l'organe de détente 106, qui est en général une vanne). Les sorties de la régulation primaire sont donc des grandeurs de commande, en l'occurrence la vitesse de la pompe 112 (V) et le niveau d'ouverture de l'organe de détente 106 (O). En entrée, la régulation primaire présente deux mesures et deux consignes calculées par la régulation «secondaire ». Ces deux mesures et ces deux consignes doivent correspondre à la même paire de paramètres. Par exemple, si une des consignes est la température d'évaporation Tévap, il faut que cette température soit mesurée. Il est aussi possible d'utiliser un outil mathématique (appelée observateur) qui permet de déduire d'autres mesures la valeur de la température d'évaporation actuelle. Dans le cas où on utilise le lift (Tcond - Tévap) et/ou le taux d'entraînement (w =m2/ml), un observateur est indispensable (on ne peut mesurer directement ces grandeurs).
La définition de cette régulation primaire doit intégrer un modèle (simple) liant les grandeurs mesurées à la vitesse de la pompe 106 (V) et à l'ouverture de l'organe de détente 106 (0).
La régulation « secondaire » permet de calculer, à l'aide des mesures des contraintes imposées au système comprenant la turbine à gaz 200 et la machine frigorifique 100, les consignes de la régulation « primaire ».
Sur la figure 12, on a représenté une variante du troisième mode de réalisation du second aspect, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire est un système régulateur PID à partir d'une température de consigne (TCair) pour l'air de ladite conduite d'alimentation en air 210 située en aval de la source de froid, à savoir à l'entrée du compresseur 202.
Sur les figures 13 à 18 :
- « Entrées » désigne les mesures ou les données nécessaires au fonctionnement de la régulation.
- « Sorties » désigne les résultats obtenus, qui servent ici de consigne pour la régulation de l'éjecteur (régulation primaire).
- « Corrélations » désigne des données expérimentales ou bibliographiques reliant l'humidité extérieure Hamb à la température minimale de sécurité permettant d'éviter tout givrage dans la turbine (Tf minimale).
Selon un quatrième mode de réalisation du second aspect, illustré sur la figure 13 en traits pleins, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite selon le troisième mode de réalisation du second aspect, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte un premier modèle mathématique du système à éjecteur 100 qui fournit la consigne de débit de fluide en sortie de générateur (ml optimal) à partir d'une première série de grandeurs comprenant la température de l'air ambiant Tamb.
Le premier modèle calcule le point optimal, c'est-à-dire sans aucune contrainte prise en compte. Sa seule donnée d'entrée est la température extérieure Tamb (ou la température de condensation de l'eau qui dépend directement de la température extérieure Tamb).
Selon une variante du quatrième mode de réalisation du second aspect, illustrée sur la figure 13 avec les éléments supplémentaires en traits pointillés, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur (100), appelé « modèle de l'éjecteur 3 », situé en aval du premier modèle mathématique du système à éjecteur appelé « modèle de l'éjecteur 1 », qui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf réalisée) et la température de consigne (TCair) pour l'air de ladite conduite d'alimentation en air 210 calculée par le premier modèle mathématique.
Dans ce cas, on ajoute donc un calcul de régulation (par exemple un PID) à la sortie du premier modèle de l'éjecteur, qui prend en compte la différence entre la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) après refroidissement (Tf réalisée) et la température de consigne (TCair) calculée par le premier modèle mathématique.
Selon une autre variante du quatrième mode de réalisation du second aspect, illustré sur la figure 16 en traits pleins, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite selon le troisième mode de réalisation du second aspect, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire prend en compte en outre l'humidité de l'air ambiant Hamb pour déterminer la valeur minimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur (Tf minimale) et le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur 100 qui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur (Tf réalisée) et la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine 206 (TARmin).
Le troisième modèle calcule le fonctionnement du système en prenant en compte la température limite de refroidissement de l'air (qui peut être fixe ou calculée) ou plus généralement la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine (TARmin). Ses données d'entrée sont : le fonctionnement du système à éjecteur 100 sans cette contrainte (donc le résultat du premier modèle et notamment la température d'air refroidie atteint selon le point de fonctionnement du premier modèle de l'éjecteur soit Tf réalisée) et la température limite de refroidissement de l'air TARmin.
Selon un cinquième mode de réalisation du second aspect, illustré sur la figure 14 en traits pleins, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite selon le quatrième mode de réalisation du second aspect, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire prend en compte en outre des grandeurs représentatives des gaz d'échappement (telles que température en entrée et/ou débit et/ou capacité calorifique) et comporte en outre un deuxième modèle mathématique du système à éjecteur 100, appelé « modèle de l'éjecteur 2 », qui fournit une valeur optimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air à l'entrée du compresseur (Tf optimale), à partir d'une deuxième série de grandeurs comprenant la chaleur disponible dans les gaz d'échappement (CHdispo), la température du fluide dans le condenseur (Tcond) et le débit de fluide en sortie de générateur (ml réalisé).
Le deuxième modèle mathématique calcule le deuxième point de fonctionnement du système en prenant en compte la chaleur disponible dans les gaz d'échappement CHdispo. Ses données d'entrée sont : le fonctionnement du système à éjecteur 100 sans cette contrainte (donc le résultat du premier modèle) et la chaleur disponible dans les gaz d'échappement (CHdispo) (conduite d'échappement 212). Pour ce faire, on effectue en amont de ce deuxième modèle mathématique, la comparaison entre la chaleur consommée au premier point de fonctionnement du système, avec la puissance maximale possible, à savoir la chaleur réellement disponible dans les gaz d'échappement (fumées) CHdispo.
Selon une première variante du cinquième mode de réalisation du second aspect, illustré sur la figure 14 avec les éléments supplémentaires en traits pointillés, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur (100), situé en aval du deuxième modèle mathématique du système à éjecteur, qui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) (Tf réalisée) et la température de consigne (TCair) pour l'air de ladite conduite d'alimentation en air 210 calculée par le premier modèle mathématique.
Dans ce cas, on ajoute donc un calcul de régulation (par exemple un PID) à la sortie du deuxième modèle de l'éjecteur, qui prend en compte la différence entre la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) après refroidissement (Tf réalisée) et la température de consigne (TCair) calculée par le deuxième modèle mathématique.
Selon une deuxième variante du cinquième mode de réalisation du second aspect, illustré sur la figure 17 en traits pleins, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite en relation avec la figure 14 et selon le cinquième mode de réalisation du second aspect, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire prend en compte en outre une valeur prédéterminée minimale de température de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf minimale fixe) et le maximum entre ladite valeur optimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf optimale) et une valeur prédéterminée minimale de température de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf minimale), ledit maximum étant la plus grande valeur entre Tf optimale et Tf minimale et formant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf réalisée), et dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur 100 qui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur (Tf réalisée) et la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine 206 (TARmin).
A noter que dans la plupart des cas TARmin = Tf minimale et correspond à la température de Pair après refroidissement par le système à éjecteur (machine frigorifique 100) : en effet TARmin est la température de l'air refroidi minimale acceptable à l'entrée de la turbine 206 et Tf minimale est la valeur prédéterminée minimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202.
Le deuxième modèle mathématique calcule le premier point fonctionnement du système en prenant en compte la chaleur disponible CHdispo. Ses données d'entrée sont : le fonctionnement du système à éjecteur 100 sans cette contrainte (donc le résultat du premier modèle) et la chaleur disponible dans les dans les gaz d'échappement (CHdispo) (conduite d'échappement 212). Pour ce faire, on effectue en amont de ce deuxième modèle mathématique, la comparaison entre la chaleur consommée au premier point de fonctionnement du système, avec la puissance maximale possible, à savoir la chaleur réellement disponible dans les gaz d'échappement (fumées) CHdispo.
Selon une troisième variante du cinquième mode de réalisation du second aspect, illustré sur la figure 18 en traits pleins, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire prend en compte en outre l'humidité de l'air ambiant Hamb pour déterminer la valeur minimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf minimale) et le maximum entre ladite valeur optimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf optimale) et une valeur prédéterminée minimale de température de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf minimale fixe), ledit maximum étant la plus grande valeur entre Tf optimale et Tf minimale et formant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf réalisée), et dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur 100 qui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air 210 à l'entrée du compresseur 202 (Tf réalisée) et la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine 206 (TARmin).
Le deuxième modèle mathématique calcule le deuxième point de fonctionnement du système en prenant en compte la chaleur disponible CHdispo. Ses données d'entrée sont : le fonctionnement du système à éjecteur 100 sans cette contrainte (donc le résultat du premier modèle) et la chaleur disponible dans les gaz d'échappement (CHdispo) (conduite d'échappement 212). Pour ce faire, on effectue en amont de ce deuxième modèle mathématique, la comparaison entre la chaleur consommée au premier point de fonctionnement du système, avec la puissance maximale possible, à savoir la chaleur réellement disponible dans les gaz d'échappement (fumées) CHdispo.
Selon une alternative de la deuxième ou de la troisième variante du cinquième mode de réalisation du second aspect, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite, dans lesdites informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation comprennent au moins une des informations parmi le débit de fluide en sortie de l'évaporateur 108 (m2 réalisé), le rapport (w) entre le débit de fluide en sortie de l'évaporateur 108 (m2 réalisé) et le débit de fluide en sortie de générateur 114 (ml réalisé), la température de changement d'état de l'évaporateur 108 (Tévap), la différence (Lift) entre la température de changement d'état du condenseur 104 (Tcond) et la température de changement d'état de l'évaporateur 108 (Tévap), la pression au générateur 114 (Pg) et la pression à l'évaporateur 108 (Pévap).
Ainsi, comme on le voit sur la figure 18 :
- Le deuxième modèle mathématique calcule le deuxième point de fonctionnement du système en prenant en compte la chaleur disponible CHdispo. Ses données d'entrée sont : le fonctionnement du système à éjecteur 100 sans cette contrainte (donc le résultat du premier modèle) et la chaleur disponible dans les dans les gaz d'échappement (CHdispo) (conduite d'échappement 212). Pour ce faire, on effectue en amont de ce deuxième modèle mathématique, la comparaison entre la chaleur consommée au premier point de fonctionnement du système, avec la puissance maximale possible, à savoir la chaleur réellement disponible dans les gaz d'échappement (fumées) CHdispo, et
- le troisième modèle, placé en aval du deuxième modèle, calcule le fonctionnement du système en prenant en compte la température limite de refroidissement de l'air (qui peut être fixe ou calculée) ou plus généralement la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine (TARmin). Ses données d'entrée sont : le fonctionnement du système à éjecteur 100 avec la contrainte de la chaleur réellement disponible dans les gaz d'échappement CHdispo (donc le résultat du deuxième modèle) et la température limite de refroidissement de l'air TARmin.
Selon un sixième mode de réalisation du second aspect, illustré sur la figure 15 en traits pleins, on propose un procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz telle que précédemment décrite selon le quatrième mode de réalisation du second aspect, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire prend en compte en outre une valeur prédéterminée minimale de température de l'air de la conduite d'alimentation en air à l'entrée du compresseur (Tf minimale) et dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur lOOQqui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air à l'entrée du compresseur (Tf réalisée) et la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine (TARmin).
Le troisième modèle calcule le fonctionnement du système en prenant en compte la température limite de refroidissement de l'air (qui peut être fixe ou calculée) ou plus généralement la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine (TARmin). Ses données d'entrée sont : le fonctionnement du système à éjecteur 100 sans cette contrainte (donc le résultat du premier modèle ou du second modèle et notamment la température d'air refroidie atteint selon le point de fonctionnement du premier modèle de l'éjecteur soit Tf réalisée) et la température limite de refroidissement de l'air TARmin.
Les prises en compte des contraintes se font via une comparaison entre les points de fonctionnement calculés précédemment et la contrainte.
Par exemple, dans le second modèle, on va vérifier si la chaleur consommée par le système à éjecteur 100 sans contraintes (donc le résultat du premier modèle) est inférieure à la chaleur disponible CHdispo. Sinon, on va restreindre le fonctionnement du système pour diminuer la consommation de chaleur : la contrainte va s'exercer d'abord sur le débit primaire ml.
De même, dans le troisième modèle, on va vérifier si la température du froid produit dans le système à éjecteur 100 sans cette contrainte (Tf optimale résultat du premier ou du second modèle) est supérieure à la température limite (TARmin). Sinon, on va restreindre le fonctionnement du système à éjecteur 100 pour diminuer la production de froid : ce qui va augmenter la température du froid produit (Tf réalisée), diminuer le débit secondaire m2.
De préférence, on utilise deux variables de consigne (ou informations sur les points de consigne) : une sur le côté générateur 114 et une sur le côté évaporateur 108. Généralement, mais ce n'est pas obligatoire, on va prendre des variables de même type : deux températures (Tévap et Tg donc) ou deux pressions (Pévap et Pg) ou deux débits (ml et m2).
Le lift (Tcond - Tévap) et le taux d'entraînement (w =m2/ml) sont des « indicateurs de performance » qui, utilisés ensemble, contiennent suffisamment d'informations pour servir de variables de consigne.
Selon une alternative de réalisation du second aspect de l'invention, applicables aux procédés de régulation décrits précédemment en relation avec les figures 13 à 18, ledit troisième modèle mathématique du système à éjecteur (100) est corrigé par ajout au point de fonctionnement optimal de l'installation de la différence entre la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) après refroidissement (Tf réalisée) et la température de consigne (TCair) calculée par le troisième modèle mathématique et prenant en compte la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine (206) (TAR min).
En effet, comme on le voit sur les figures 13 à 18 en considérant les éléments en traits pointillés, on ajoute avant le troisième modèle de l'éjecteur un retour de la mesure de la température de l'air refroidi (Tf réalisée) résultant de l'application des consignes précédemment établies pour l'installation selon le premier aspect de l'invention , formée de l'ensemble turbine à gaz 200 et machine frigorifique 100, au moyen d'un calcul de régulation (par exemple PID) qui fournit la température de consigne (TCair) à l'entrée du troisième modèle de l'éjecteur.
Cette disposition supplémentaire en boucle fermée permet de corriger les régulations décrites en relation avec les figures 13 à 18 qui sans ces éléments représentés en traits pointillés, ont la particularité d'être en boucle ouverte : c'est-à-dire qu'il n'y a pas de retour du fonctionnement réel de l'installation selon le premier aspect de l'invention et formé de l'ensemble turbine à gaz 200 et machine frigorifique 100. Ainsi, grâce à cette disposition supplémentaire, on empêche une dérive sur le système ou que le premier modèle mathématique et/ou le deuxième modèle mathématique de la machine frigorifique 100 formant le système à éjecteur soi(en)t (ou devienne(nt)) mal calibré(s), et donc on évite des erreurs sur la régulation, ce par quoi on peut atteindre le point de fonctionnement souhaité.
Afin d'évaluer les gains obtenus par un tel système, des calculs ont été réalisés sur des données correspondant à différents climats pour une turbine de 4.5MW.
Ces calculs s'appuient sur plusieurs hypothèses : - L'humidité de l'air n'est pas prise en compte,
La capacité calorifique de l'air sec est constante avec la température,
Le cout du système éjecteur est linéaire avec la puissance en froid à fournir,
- La consommation électrique de l'éjecteur est linéaire avec la puissance en froid fournie, La perte de puissance de la turbine due aux pertes de charge dans l'évaporateur dépend du refroidissement effectué et de la puissance de la turbine,
Le débit d'air à refroidir est linéaire avec la consommation de gaz naturel,
Le système est régulé selon la méthode décrite précédemment en relation avec la figure 18.
Ces calculs montrent qu'il est possible d'obtenir un gain autour de 2.1% par rapport à la puissance sans CTIAC sur une telle turbine pour un fonctionnement de novembre à mars (de 0.4% à 8.6% selon le climat) ou de 5.1% sur l'ensemble de l'année (de 3% à 10.5% selon le climat). Le système éjecteur (machine frigorifique 100) consomme autour de 5.3% du gain de puissance obtenue.
Ces résultats ont été obtenus pour plusieurs climats différents : humides ou secs, chauds ou tempérés. Nos calculs montrent que l'invention est intéressante quel que soit le climat : aussi bien à Abu Dhabi, qu'à Marseille, Bucarest ou Varsovie.
Les résultats obtenus montrent également :
Une consommation électrique supérieure à un système à absorption mais inférieure à un système à compression mécanique,
Un gain comparable au système à absorption ou à compression mécanique,
La performance du système dépend peu des conditions extérieures : le système est performant quel que soit le climat considéré. En effet, les performances du système (en particulier COP ou coefficient de performance thermique et électrique restent assez constantes pour toutes conditions extérieures (grâce à la régulation optimale appliquée). Les différences de gain de puissance électrique sont plus dues au gain potentiel lié au climat qu'aux performances du système lui-même : tout système de CTIAC est plus intéressant dans un climat chaud que dans un climat froid.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation avec turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte :
- une machine frigorifique (100) fonctionnant avec un fluide, comprenant :
° un circuit de haute pression (110) avec un générateur
(114) alimenté par une pompe (112) et soumis à une source de chaleur ,
° un circuit de basse pression (120) avec un évaporateur (108) alimenté par un organe de détente (106) et formant une première source de froid,
° un circuit de pression intermédiaire (130) avec un éjecteur (102) et un condenseur (104) placé en aval dudit éjecteur (102), dans laquelle le fluide sortant du générateur (114) et le fluide sortant de l'évaporateur (108) alimentent ledit éjecteur (102) et le fluide sortant du condenseur (104) alimente ladite pompe (112) et ledit organe de détente (106),
- une turbine à gaz (200) avec un compresseur (202) alimenté en air par une conduite d'alimentation en air (210) et dont la sortie est reliée à l'entrée d'une chambre de combustion (204) alimentée en carburant, la sortie de la chambre de combustion (204) étant reliée avec l'entrée d'une turbine (206) présentant une sortie avec des gaz d'échappement circulant dans une conduite d'échappement (212),
dans laquelle la conduite d'alimentation en air (210) est soumise à une source de froid et la conduite d'échappement (212) appartient à ladite source de chaleur.
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une boucle d'eau intermédiaire (220) appartenant à ladite source de chaleur et comprenant une chaudière de récupération (222) traversée par la conduite d'échappement (212), et un échangeur (224) apte à fournir de la chaleur vers une autre boucle d'eau de distribution (226).
3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une conduite d'eau (230) formant une dérivation de la boucle d'eau intermédiaire (220) à l'emplacement d'une prise (231) située en aval de la chaudière de récupération (222) en passant dans le générateur (114) afin de former ladite source de chaleur à laquelle est soumise ledit générateur (114) de la machine frigorifique (100) et en débouchant dans la boucle d'eau intermédiaire (220) en aval dudit échangeur (224) de la boucle d'eau intermédiaire (220).
4. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une conduite d'eau (2300 formant une dérivation de la boucle d'eau intermédiaire (220) à l'emplacement d'une prise (232) située en aval dudit échangeur (224) de la boucle d'eau intermédiaire (220) en passant dans le générateur (114) afin de former ladite source de chaleur à laquelle est soumise ledit générateur (114) de la machine frigorifique (100) et en débouchant dans la boucle d'eau intermédiaire (220) en aval de ladite prise (232) et en amont de la chaudière de récupération (222).
5. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une conduite d'eau (230") formant une dérivation de la boucle d'eau intermédiaire (220) à l'emplacement d'une prise (231) située en aval de la chaudière de récupération (222) en passant dans le générateur (114) afin de former ladite source de chaleur à laquelle est soumise ledit générateur (114) de la machine frigorifique (100) et en débouchant dans la boucle d'eau intermédiaire (220) en amont dudit échangeur (224) de la boucle d'eau intermédiaire (220).
6. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite turbine à gaz comporte un système de dégivrage (240) formant une deuxième source de froid et en ce que la conduite d'alimentation en air (210) est soumise à ladite deuxième source de froid.
7. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la conduite d'alimentation en air (210) est soumise à ladite première source de froid.
8. Installation selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la conduite d'échappement (212) comporte au moins une première cheminée (302) et une deuxième cheminée (304) pour l'échappement des fumées, la deuxième cheminée (304) étant placée en aval de la première cheminée (302) avec, entre la première cheminée (302) et la deuxième cheminée (304) une vanne de réglage d'échappement (300), et en ce que les fumées sortant de la première cheminée (302) forment ladite source de chaleur.
9. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite boucle d'eau intermédiaire 220 forme ladite source de chaleur.
10. Installation selon la revendication 3, 4 ou 5, caractérisée en ce que la conduite d'échappement (212) comporte au moins une première cheminée (302) et une deuxième cheminée (304) pour l'échappement des fumées, la deuxième cheminée (304) étant placée en aval de la première cheminée (302) avec, entre la première cheminée (302) et la deuxième cheminée (304), une vanne de réglage d'échappement (300), et en ce que les fumées sortant de la seconde cheminée (304) traversent ladite chaudière de récupération (222).
11. Procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- on réalise une régulation de ladite machine frigorifique
(100) en régulant la vitesse (V) de ladite pompe (112) et le niveau d'ouverture (O) dudit organe de détente (106), à partir d'une température de consigne (TCair) pour l'air de ladite conduite d'alimentation en air (210) située en aval de la source de froid (Tf), en utilisant un double régulateur PID.
12. Procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel :
- on réalise une régulation de ladite machine frigorifique (100) en régulant la vitesse (V) de ladite pompe (112) et le niveau d'ouverture (O) dudit organe de détente (106), à partir d'une température de consigne (TCair) pour l'air de ladite conduite d'alimentation en air située en aval de la source de froid (Tf), par optimisation de commande multi-variable prenant en considération la température de l'air ambiant (Tamb), la chaleur disponible dans les gaz d'échappement (CHdispo) et la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) (Tf réalisée).
13. Procédé de régulation d'une installation avec turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel :
- on réalise une régulation primaire de ladite machine frigorifique (100) en régulant la vitesse (V) de ladite pompe (112) et le niveau d'ouverture (V) dudit organe de détente (106), à partir de la consigne d'au moins deux paramètres de régulation primaire choisis parmi des paramètres de la machine frigorifique (100) comprenant la température du fluide lors du changement d'état dans l'évaporateur (108) (Tévap) , la température du fluide lors du changement d'état dans le générateur (114) (Tg), le débit de fluide dans le circuit de basse pression (120) (ml ou débit primaire), le débit de fluide dans le circuit de haute pression (110) (m2 ou débit secondaire), la différence (Lift) entre la température lors du changement d'état dans le condenseur (Tcond) et lors du changement d'état dans l'évaporateur (Tévap) et le rapport (w) entre le débit de fluide dans le circuit de basse pression (ml) et le débit de fluide dans le circuit de haute pression (m2), et
- on réalise une régulation secondaire de ladite machine frigorifique dans laquelle on utilise un système régulateur pour calculer les valeurs de consigne desdits paramètres de régulation primaire choisis.
14. . Procédé de régulation selon la revendication 13, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire est un système régulateur PID à partir d'une température de consigne (TCair) pour l'air de ladite conduite d'alimentation en air (210) située en aval de la source de froid.
15. Procédé de régulation selon la revendication 13, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte un premier modèle mathématique du système à éjecteur (100) qui fournit la consigne de débit de fluide en sortie de générateur (ml optimal) à partir d'une première série de grandeurs comprenant la température de l'air ambiant (Tamb).
16. Procédé de régulation selon la revendication 15, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire prend en compte en outre des grandeurs représentatives des gaz d'échappement et comporte en outre un deuxième modèle mathématique du système à éjecteur 100 qui fournit une valeur optimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air à l'entrée du compresseur (Tf optimale), à partir d'une deuxième série de grandeurs comprenant la chaleur disponible dans les gaz d'échappement (CHdispo), la température du fluide dans le condenseur (Tcond) et le débit de fluide en sortie de générateur (ml réalisé).
17. . Procédé de régulation selon la revendication 15 ou 16, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur (100) qui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) (Tf réalisée) et la température de consigne (TCair) pour l'air de ladite conduite d'alimentation en air 210 calculée par le premier modèle mathématique.
18. Procédé de régulation selon la revendication 15, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire prend en compte en outre une valeur prédéterminée minimale de température de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (Tf minimale) et dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur (100) qui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) (Tf réalisée) et la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine (206) (TARmin).
19. Procédé de régulation selon la revendication 15, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire prend en compte en outre l'humidité de l'air ambiant (Hamb) pour déterminer la valeur minimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air à l'entrée du compresseur (202) (Tf minimale) et le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur 100 qui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air à l'entrée du compresseur (202) (Tf réalisée) et la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine (206) (TARmin).
20. Procédé de régulation selon la revendication 16, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire prend en compte en outre une valeur prédéterminée minimale de température de l'air de la conduite d'alimentation en air à l'entrée du compresseur (Tf minimale) et le maximum entre ladite valeur optimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air à l'entrée du compresseur (202) (Tf optimale) et une valeur prédéterminée minimale de température de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) (Tf minimale), ledit maximum formant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (Tf réalisée), et dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur 100 qui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur(202) (Tf réalisée) et la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine (206) (TARmin).
21. Procédé de régulation selon la revendication 16, dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire prend en compte en outre l'humidité de l'air ambiant pour déterminer la valeur minimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) (Tf minimale) et le maximum entre ladite valeur optimale de la température de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) (Tf optimale) et une valeur prédéterminée minimale de température de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) (Tf minimale), le maximum formant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) (Tf réalisée), et dans lequel le système régulateur de la régulation secondaire comporte en outre un troisième modèle mathématique du système à éjecteur 100 qui fournit plusieurs informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation à partir d'une troisième série de grandeurs comprenant la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) (Tf réalisée) et la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine (TARmin).
22. Procédé de régulation selon la revendication 20 ou la revendication 21, caractérisé en ce en ce que lesdites informations sur le point de fonctionnement optimal de l'installation comprennent au moins une des informations parmi le débit de fluide en sortie de l'évaporateur (108) (m2 réalisé), le rapport (w) entre le débit de fluide en sortie de l'évaporateur (108) (m2 réalisé) et le débit de fluide en sortie de générateur (114) (ml réalisé), la température de changement d'état de l'évaporateur (108) (Tévap), la différence (Lift) entre la température de changement d'état du condenseur (104) (Tcond) et la température de changement d'état de l'évaporateur (108) (Tévap), la pression au générateur (114) (Pg) et la pression à l'évaporateur (108) (Pévap).
23. Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 18 à 22, dans lequel ledit troisième modèle mathématique du système à éjecteur (100) est corrigé par ajout au point de fonctionnement optimal de l'installation de la différence entre la température réelle de l'air de la conduite d'alimentation en air (210) à l'entrée du compresseur (202) après refroidissement (Tf réalisée) et la température de consigne (TCair) calculée par le troisième modèle mathématique et prenant en compte la température minimale de l'air acceptable à l'entrée de la turbine (206) (TAR min).
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