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 H ₂ 0/LiBr et il présente un coût abordable qui est moindre par rapport à celui d'un système utilisant le couple NH ₃ /H ₂ 0.

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.