Brevet FR2137698A1 — publié le 19721229

La présente invention concerne un procédé et un système pour injecter de la vapeur dans des turbines à gaz. Le principe de l'injection de vapeur dans la chambre de combustion d'une turbine à gaz est connu depuis longtemps, par 5 exemple d'après les brevets des Etats-Unis d'Amérique N°s 2 678 531 et 3 353 360 . Le fonctionnement des turbines à gaz suivant le mode à injection de vapeur permet d'obtenir une plus grande puissance de sortie du fait de l'augmentation de l'écoulement pondéral dans la turbine et du fait de la plus 1o grande chaleur spécifique du fluide de fonctionnement . On obtient également un meilleur rendement du fait qu'on obtient cet écoulement pondéral sans dépense supplémentaire d'énergie dans le compresseur et on peut produire la vapeur servant à l'injection en utilisant des pertes calorifiques ou la chaleur des gaz 15 d'échappement qui ne serait pas utilisée autrement efficacement. Dans le système suivant l'invention, on a prévu des moyens de commande pour utiliser les quantités maximales de vapeur qui peuvent être admises dans le fonctionnement de turbines à gaz comportant das composants de géométrie constante dans dif— 2o férentes conditions de marche. On a prévu les moyens facultatifs suivants : des moyens pour maintenir automatiquement un taux de compression de cycle constant (rapport entre la pression de décharge du compresseur et la pres&ion ambiante) dans toutes les conditions ambiantes ; des moyens de commande agissant en fonc-25 tion de la température détectée pour régler automatiquement l'injection de vapeur dans des domaines de températures ambiantes basses et élevées, afin d'éviter des panaches de fumée ,et une formation de condensât acide ou bien des moyens de commande agissant à la fois en fonction de la température et de l'humidi-3o té détectées pour établir automatiquement une injection optimale de vapeur dans toutes les conditions de température et d'humidité. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée 35 à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : La FIG. 1 représente schématiquement un mode de réalisation d'un système suivant l'invention pour régler automatiquement l'injection de vapeur utilisée dans une turbine à gaz à écoule-4o ment continu et à géométrie fixe ; 72 16656 2 2137693 La FIG-, 2 représente un seaond mode de réalisation du générateur de tension de commande représenté sur la FIG. 1 et utilisant la température ambiante comme paramètre de commande ; La FIG. 3 représente une autre variante du générateur de 5 tension de commande de la FIG. 1 utilisant comme paramètres de commande à la fois la température ambiante et l'humidité ambiante Les FIGS. h et 5 sont des graphiques donnant respectivement la puissance de sortie et le rendement thermique en fonction de la température ambiante pour une gamme de températures d'en-1o trée de turbine et indiquant ensemble les performances d'une turbine à gaz ; La FIG. 6 représente un système d'injection de vapeur à commande automatique suivant l'invention dans lequel, en complé ment au système d'injection de vapeur de la FIG. 1, on produit 15 également de la vapeur grâce à la chaleur contenue dans le courant de réfrigération d'une turbine refroidie par liquide et dans le garnissage de la chambre de combustion ; et La FIG. 7 représente schématiquement un système dans lequel on produit de la vapeur à un taux sensiblement fixe et on 2o utilise un générateur de tension de commande suivant l'invention pour régler l'admission de vapeur dans la chambre de combustion. Bien qu'on ait utilisé par le passé le principe de l'injection de vapeur dans des turbines à gaz, aucune solution n'a été apportée aux problèmes rencontrés dans le domaine de l'injec-25 tion de vapeur. Ces problèmes concernent l'émission de panaches de fumée visibles à des températures ambiantes basses et la condensation d'acide sulfurique quand l'installation fonctionne dans des conditions de haute température ambiante et de faible température de cheminée. L'émission de panaches de fumée visibles 3o et/ou de gaz d'échappement contenant des gouttelettes d'acide est inacceptable du fait des conditions de plus en plus sévères imposées à la qualité de l'environnement. En outre, on doit empêcher la corrosion engendrée dans le système d'échappement d'une turbine à gaz par la formation d'acide sulfurique. Il est 35 extrêmement souhaitable pour des considérations de pollution de l'environnement de régler le taux d'injection de vapeur afin d'ob tenir des gaz d'échappement écologiquement acceptables, mais on a constaté que cette possibilité de commande permettait encore 72 16656 3 2137698 d'améliorer le fonctionnement des turbines à gaz utilisant une injection de vapeur. Des recherches effectuées au cours de la mise au point de l'invention ont montré qu'une injection de vapeur réduit l'émis-5 sion d'oxyde nitrique par dilution de l'air de combustion et par réduction de la température maximale de flamme. Cette réduction de la température de flamme est favorable du fait que la majeure partie de l'oxyde nitrique se forme à des températures supérieures à 1860° C environ. 1o Dans le procédé d'injection de vapeur, on peut utiliser de la vapeur à haute pression pour atomiser de l'huile combustible lourde et pour éliminer la dépense et la consommation d'énergie du compresseur d'appoint servant à fournir l'air d'ato misation. L'énergie d'atomisation utilisée pour améliorer la 15 combustion est théoriquement illimitée lorsqu'on emploie comme fluide d'atomisation de la vapeur produite par récupération de chaleur. Lorsqu'on utilise de la vapeur à haute pression comme fluide d'atomisation, on obtient également des avantages supplémentaires en ce qu'on atténue l'inconvénient résultant de la 2o formation de dépôt dans la turbine et dans la chaudière de récupération de chaleur. En outre, en concentrant l'écoulement de vapeur dans la zone primaire de la chambre de combustion, on peut aussi réduire plus efficacement l'émission d'oxyde nitrique On a également trouvé, pendant les recherches mentionnées 25 plus haut que, bien que des turbines à gaz puissent fonctionner sans panaches de fumée visibles à des températures ambiantes supérieures à Zb°C environ en utilisant des débits de vapeur très importants, le- problème de la condensation d'acide sulfurique dans la cheminée (du fait que ce condensât corrosif à action 3o perturbatrice existe dans les gaz d'échappement s'écoulant dans la cheminée) reste toujours posé. En outre, la formation de pana ches de fumée visibles à des températures ambiantes inférieures à 2k° C introduit encore des difficultés. On peut éliminer ces deux conditions perturbatrices par la mise en pratique d'au 35 moins une des différentes caractéristiques de l'invention. La FIG. 1 représente schématiquement une turbine à gaz 10 comportant des composants de géométrie fixe, à savoir un compres seur 11, une chambre de combustion 12 et une turbine 13. On a 72 16656 k 2137698 pourvu la turbine à gaz 10 d'un système d'injection de vapeur comportant une commande suivant l'invention. Le système d'injection de vapeur comprend un séparateur de vapeur 1k (qui peut par exemple être du type à tambour), un 5 conduit 16 amenant le mélange d'eau chaude et de vapeur jusqu'au séparateur de vapeur un conduit 17 canalisant la vapeur sor tant du séparateur 14 vers la chambre de combustion 12, un conduit 18 qui évacue l'eau à l'état liquide vers la pompe alimentaire 19} un conduit 20 qui canalise l'eau vers la chaudière 21, 1o un conduit d'alimentation en eau 22 pour assurer le complément en eau et un tuyau d'évacuation 23 commandé par une soupape. On peut remplacer le séparateur de vapeur 14 par un ensemble formé par une cuve d'évaporation et une soupape de réduction de pression, comme décrit dans le brevet américain N° 3 353 360. 15 Lors du fonctionnement suivant le mode à injection de vapeur, le compresseur 11 aspire de l'air atmosphérique et le refoule sous une pression bien supérieure à la pression atmosphé rique dans la chambre de combustion 12. Le combustible arrive à la chambre 12 par l'intermédiaire d'une entrée 2k et on injecte 2o de la vapeur dans la chambre 12 par l'intermédiaire d'un conduit 17- On peut utiliser de l'air à haute pression ou de la vapeur (ou un mélange approprié de ces fluides) pour atomiser le combus tible dans la chambre 12. La combustion du combustible dans la chambre 12 produit des gaz chauds qui passent dans la turbine 13 25 où ils se détendent en fournissant une énergie mécanique dont une partie entraîne le compresseur 11 par l'intermédiaire d'un arbre 26 et dont une autre partie est disponible pour entraîner une charge/par l'intermédiaire d'un arbre 27. Un générateur de tension de commande 31 se compose de la 3o source de tension préréglée 32, d'un transducteur de pression 33 et d'un circuit comparateur 3k. Ces composants sont reliés électriquement comme indiqué sur les figures. En fonctionnement, la source de tension 32 applique de façon continue une tension de polarisation constante E^ au circuit comparateur 3b, tandis que 35 le transducteur de pression 33 applique de façon continue une tension Ep au circuit comparateur 3k, Ep étant proportionnelle à la pression de décharge du compresseur transmise au transducteur de pression 33 par l'intermédiaire d'un conduit 36. On règle le 72 16656 5 2137698 circuit comparateur 3^ de telle sorte que, pour une tension Ep correspondant à une pression de décharge du compresseur égale à la valeur choisie du taux de compression de cycle défini comme décrit plus haut, la tension de polarisation E^ soit juste com— 5 pensée. En cas de variation de la pression de décharge du compresseur, la tension Ep n'est plus égale à la tension de polarisation Eq et la différence de tension correspond à la tension de commande (E^) qui est produite (et amplifiée si nécessaire) puis 1o appliquée à une unité de dérivation 37 (comportant un dispositif d'actioimement mu par un moteur (37a), par exemple un dispositif d'actionnement de registre, de façon à modifier la position de la chicane 37b et par conséquent à faire varier le débit de gaz d'échappement passant dans la chaudière 21 pour réduire et 15 éliminer ensuite cette différence. Ainsi, si la tension Ep est temporairement supérieure à la tension de polarisation EQ, il se produit une tension négative de commande E^ qui ramène le dispositif d'actionnement 37a de l'unité de dérivation dans la position initiale pour réduire le débit de gaz d'échappement sortant 2o de la turbine 13 et passant dans le tuyau 38, dans l'unité de dérivation 375 dans le tuyau 38a et dans la chaudière 21. Cette variation se traduit par une diminution de la quantité de vapeur engendrée dans la chaudière 21 et séparée dans le séparateur 14, en diminuant ainsi la quantité de vapeur entrant dans la chambre 25 de combustion 12. S'il se produit la situation inverse (Ep inférieure à Eq), il en résulte une tension positive de commande E^ et le dispositif d'actionnement 37a de l'unité de dérivation est à nouveau réglé pour augmenter le débit de fluide passant dans la chaudière 21 et pour réduire le débit de gaz d'échappement 3o passant dans le conduit 39 et le mélangeur avant d'arriver à la cheminée 50. Les variations du débit de vapeur ainsi obtenues réduisent et éliminent la tension de commande E£ en faisant varier le taux de compression dans le compresseur 11 par modification du débit pondéral passant à une température fixe dans la 35 turbine de géométrie fixe. Le cas échéant, une partie de la vapeur injectée est introduite à l'extrémité de tête de la chambre de combustion, tandis que le complément de la vapeur est introduit en aval de la tête. 72 16656 6 2137698 Une vanne 25 branchée dans le tuyau de vapeur 17 est commandée d'une manière classique (par exemple par détection de la vitesse de rotation de l'arbre 27) pour compenser de fortes aug mentations ou diminutions de la charge 100 de la turbine à gaz. 5 La vanne 25 peut être une vanne du type à étranglement/coupure ou bien une vanne de dérivation. XI existe au moins deux types de situations dans lesquelles on doit éliminer complètement les panaches de fumée visibles et la corrosion dans le système d'échappement pour des températures 1o d'entrée de turbine inférieures à la température à laquelle se produit automatiquement l'injection de vapeur qui maintient le taux de compression constant. Dans de telles situations, le générateur de tension de commande n'assure pas un réglage suffisamment précis. On peut alors utiliser l'un ou l'autre des géné-15 rateurs de tension de commande des FIGS. 2 et 3 pour assurer un réglage tel que l'on crée (et injecte) la quantité maximale de vapeur afin d'obtenir la puissance et le rendement thermique maximaux dans la gamme présélectionnée de températures ambiantes. On va indiquer dans la suite des exemples des types précités de 2o situations. a/ Lorsqu'on désire faire fonctionner la machine à une température d'entrée de la turbine inférieure à la température maximale correspondante (bien que cette condition de fonctionnement reste dans les capacités de la machine) afin de réduire la -25 puissance de sortie tout en fonctionnant dans ce régime pour un débit de vapeur et un rendement maximaux, et b/ Lorsque l'ensemble compresseur/turbine est agencé de telle sorte que la turbine ne puisse pas tolérer une température d'entrée aussi élevée que celle nécessaire pour le maintien du 3o taux maximal de compression par injection de vapeur dans toute la gamme présélectionnée de températures ambiantes. Le dispositif de la FIG. 2 fournit une tension pour produire automatiquement de la vapeur en fonction de la température ambiante, alors que le dispositif de la FIG. 3 fournit une ten-35 sion pour produire automatiquement de la vapeur en fonction de la température ambiante et de l'humidité relative ambiante (RH). Tous les composants intervenant dans tous les dispositifs de commande décrits sont des éléments disponibles dans le commerce . 72 1665 f-- 7 2137698" Le dispositif 41 représenté sur la FIG. 2 est interchangeable avec le générateur de tension de commande de la FIG. 1. Un transducteur de pression 42 est relié hydrauliquement par 11 intermédiaire d'un conduit 36 à la décharge du compresseur. Une 5 tension Ep ayant une valeur proportionnelle à la pression de décharge du compresseur est appliquée au circuit comparateur 43 comme décrit plus haut. Un détecteur de température 44 (par exemple un thermocouple ou un transmetteur de température tel que l'appareil fabriqué sous la marque "GE/MAC" suivant le type 1° 550 par la "General Electric Company") est placé à proximité de l'entrée de compresseur et produit une tension E correspondant aux conditions de température ambiante. Le détecteur de température 44 est relié électriquement à un générateur de fonction 46 (par exemple l'appareil fabriqué sous la marque "GE/MAC", type 15 166, par "General Electric Company") de manière à lui appliquer la tension E^ . Dans le générateur de fonction 46 (réglé pour une condition d'humidité relative de 100%), une tension de polarisation Eq est engendrée sous la forme d'une fonction de la tension et il en résulte qu'elle représente l'effet de la 2o température ambiante dans la gamme présélectionnée et pour une humidité relative de 100^. Les tensions E^ et Ep sont appliquées au circuit comparateur 43 de la manière décrite plus haut pour le circuit comparateur 34. La valeur de la tension (tension de commande E_ ) détermine le réglage de l'unité motorisée de déri-ii/ 25 vation 37 de la même manière que décrit plus haut. En conséquence, si la température ambiante diminue en dessous de la valeur où l'on peut maintenir un taux de compression constant par injection de vapeur sans formation de panaches visibles, il se produit une compensation automatique du taux 3o d'injection de vapeur du fait que le signal électrique de commande E est automatiquement lié à la pression de décharge choisie ht du compresseur et compensée pour de faibles températures ambiantes. En conséquence, la tension de commande E^ régie (par l'intermédiaire du dispositif d'actionnement 37a de l'unité de dérivation) 35 le taux d'injection de la vapeur fournie à la chambre de combustion 12 afin d'éviter des panaches de fumée visibles dans les gaz d'échappement. De même, au cas où la température ambiante augmente au delà de la valeur à laquelle on peut maintenir un taux 72 16656 6 2137698 de compression constant par injection de vapeur sans formation de condensât acide dans les gaz d'échappement, la tension de commande E^ assure automatiquement et correctement le réglage de l'injection de vapeur dans la chambre de combustion 12 pour 5 éliminer la condition d'acidité. Ce mode de fonctionnement est satisfaisant pour toutes les valeurs d'humidité relatives.ambiantes ,mais il faut cependant introduire plus de vapeur pour des humidités ambiantes inférieures à 100% . • " ' " .. . . -Le générateur de tension de commande ^5"F/comprend un 1o transducteur de pression 52 dont le signal électrique de sortie (tension Ep) passe dans un circuit comparateur 53» comme décrit plus haut, ce signal Ep étant comparé au signal de polarisation Eq, cette dernière tension comprenant, dans la fonction de commande automatique, les paramètres de température ambiante et d'hu-15 midité ambiante. Il est prévu un détecteur de température 55 et un détecteur d'humidité (par exemple du type à surface échan-geuse d'ions, utilisé dans un circuit à pont pourvu d'un système de compensation des effets de la température à thermistance) qu'on place dans ou à proximité de l'entrée du compresseur et 2o qui produisent respectivement des signaux électriques E et E . 1 KH On régie le détecteur d'humidité 5^ de telle sorte que, pour une humidité relative de 100%, la tension de sortie E soit nulle Jtvii et que, pour une humidité relative nulle, elle soit égale à l'unité. Le détecteur de température 55 est relié électriquement à 25 chacun des générateurs de fonction 56 et 57» Le générateur de fonction 56 produit une tension E'Q qui est une fonction de E,^ (et par conséquent de la température ambiante) pour une humidité relative de 100%. Le générateur de fonction 56 est relié à la jonction de sommation 58 qui est elle-même reliée au circuit 3o comparateur 53• Le signal électrique E^ appliqué au générateur de fonction 57 produit la tension désignée par AEQ . Ce signal électrique (tension ÛEq) représente une tension de correction nécessaire pour la température ambiante et pour une humidité nulle ou bien 35 il indique en fait le taux d'injection de vapeur, qui doit être utilisé dans ces conditions. La tension est ensuite encore modifiée (comme cela sera décrit dans la suite) dans un circuit d'interpolation 59 (par exemple un multiplicateur de tension fa- 72 16656 9 2137698 -briqué sous la marque 564s, par "General Electric Company") de façon à représenter l'humidité ambiante réelle détectée par le détecteur 5^. La tension E „ produite par le détecteur 5^- repré— x\xi sente l'humidité ambiante réelle et elle indique la fraction de 5 la tension AE^ qui peut intervenir dans la tension de polarisation appliquée au circuit comparateur 53. Comme indiqué sur les dessins, les deux tensions et AEq sont appliquées à un circuit d'interpolation 59» Le circuit d'interpolation 59 multiplie électriquement la tension AE par 1o la tension E et le produit des tensions (tension AE' ) repré-Kji \J sente l'accroissement du taux d'injection de vapeur qu'on peut tolérer pour la température ambiante et pour l'humidité relative ambiante par rapport au taux d'injection de vapeur admissible pour la condition correspondant à la température ambiante et à 15 100% d'humidité relative. Le circuit d'interpolation 59 est relié à la jonction de sommation 58 à laquelle sont appliqués les signaux électriques E'^ (représentant le taux d'injection de vapeur pour la température ambiante et pour une humidité relative de 100%) et AE'0 (représentant l'accroissement du taux d'injection 2o de vapeur pour l'humidité ambiante correspondante). La jonction de sommation 58 produit, lors de la réception des signaux E'q et AE'q , une tension de polarisation résultante Eq qui est transmise au circuit comparateur 53» Le signal E sortant du cir- ii, cuit comparateur 53 commande le dispositif d'actionnement 37a de 25 la même manière que décrit plus haut, ce qui permet d'obtenir automatiquement un fonctionnement optimal pour toutes les températures ambiantes (dans la gamme présélectionnée) et pour toutes les humidités relatives ambiantes. Bien que les dispositifs de commande représentés sur les 3o dessins aient une nature électrique, il va de soi que l'invention se rapporte également à des structures hydrauliques, pneumatiques et mécaniques qui sont analogues au dispositif électrique représenté. Dans chaque cas, il est nécessaire de produire un signal qui est lié quantitativement au taux de compression et de 35 produire par inter-relation un signal de polarisation. Ce signal de polarisation peut avoir une valeur constante ou variable,soit en fonction de la température ambiante, soit en fonction de la température ambiante et de l'humidité ambiante. 72 16656 2137698 On peut utiliser un des trois générateurs de tension de commande décrits plus haut pour commander l'injection de vapeur dans une turbine à gaz donnée. On détermine le choix du type de générateur à l'aide des caractéristiques de la turbine à gaz con-5 sidérée, dans le domaine de températures ambiantes et d'humidité relative dans laquel la machine doit fonctionner et par l'adaptation optimale de la puissance de sortie et du rendement à l'humidité relative. Les caractéristiques importantes de la turbine à gaz sont 1o le graphique de performances du compresseur (représenté par des courbes donnant le taux de compression en fonction du débit d'air pour différentes vitesses), qui définit la limite de calage en fonction de la vitesse, et la section de la tuyère du premier étage de la turbine. La section de la tuyère de la turbine doit 15 être suffisamment grande pour que le compresseur ne cale pas pour la température maximale à l'entrée de la turbine et pour la température minimale d'air ambiant, conditions dans lesquelles le débit d'air et le taux de compression du compresseur atteignent des valeurs élevées du fait de la forte densité de l'air 2o entrant. En conséquence, pour des températures ambiantes élevées, on peut tolérer une augmentation du débit pondéral pour la turbine sans risque de calage du compresseur. La première phase de sélection d'un générateur de tension de commande pour une turbine à gaz donnée consiste à choisir une 25 température d'entrée de la turbine et un débit de vapeur permettant d'établir l'équilibre souhaité entre la puissance de sortie et le rendement au point de fonctionnement nominal. Des températures élevées à l'entrée.de la turbine établissent une puissance maximale à la sortie (FIG. 4). Des températures assez 3o basses à l'entrée de la turbine et un débit de vapeur élevé augmentent le rendement thermique (FIG. 5) en l'amenant au point où la température d'échappement est trop basse pour engendrer la quantité requise de vapeur ou bien où la réduction d'énergie disponible du fait de la diminution de la température à l'entrée 35 de la turbine n'est plus compensée par l'augmentation d'énergie disponible résultant de l'accroissement admissible de la quantité de vapeur ajoutée. La combinaison précitée de la température à l'entrée de la turbine et du débit de vapeur est choisie de 72 16656 2137698 manière à augmenter le taux de compression à la valeur maximale que peut fournir le compresseur avec une marge de calage appropriée . La phase suivante intervenant dans le choix du système de 5 commande consiste à étudier les performances dè la turbine à gaz dans le domaine envisagé de températures ambiantes. L'objectif consiste à maintenir des performances optimales dans un domaine aussi large que possible de conditions ambiantes'que l'on peut s'attendre à rencontrer. On résout au mieux ce problème en main-1o tenant la température à l'entrée de la turbine à une valéur constante à l'aide d'un système classique de mesure de la température d'échappement et de réglage du débit de combustible et en maintenant le taux de compression constamment à sa valeur maximale par réglage du taux d'injection de vapeur. On voit que, 15 pour des composants donnés de la turbine à gaz et une température donnée à l'entrée de la turbine, on peut obtenir un fonctionnement avec un taux de compression constant dans toute la gamme de températures ambiantes attendues. Dans ce cas, il suffit d'utiliser le générateur de tension de commande 31. 2o Lorsqu'on constate que, pour de faibles températures am biantes et pour une humidité relative de 100$, la teneur en eau des gaz d'échappement est telle qu'il se produit des panaches de fumée visibles ou bien que, pour de hautes températures ambiantes et une humidité relative de 100$, il se produit une conden-25 sations acide du fait d'un débit de vapeur excessif et d'une température de cheminée trop basse, il est nécessaire de limiter le débit de vapeur dans la chambre de combustion à des températures basses, à des températures élevées, ou bien dans les deux plages de températures. On peut réaliser cette limitation du débit de 3o vapeur, qui réduit le taux de compression et les performances de la turbine à gaz dans des conditions ambiantes extrêmes, à l'aide du générateur de tension de commande 41. Lorsqu'on désire exploiter avantageusement le fait qu'une faible humidité relative ambiante réduit la tendance à la formation de panaches de fumée 35 ou de condensation acide dans la cheminée, on peut élargir le domaine des maxima de débits de vapeur et de performances dans des conditions de faible humidité relative en utilisant le générateur de tension de commande 51• Dans tous les cas, on désire 72 16656 12 2137698 obtenir le débit maximal de vapeur tenant compte des limites imposées par la formation de panaches de fumée, par le risque de calage du compresseur et par le risque de condensation acide, à la température d'entrée de la turbine choisie. Des températures 5 élevées à l'entrée de la turbine élargissent la gamme des températures ambiantes dans laquelle il est possible de faire fonctionner la turbine à gaz à un taux de compression maximal et constant. On a mis en évidence sur les FIGS. 4 et 5 les limites de fonctionnement d'une turbine à gaz pour différentes températures 1o à l'entrée de la turbine. Ainsi, pour un fonctionnement à chacune des températures d'entrée de la turbine indiquées, la limite de calage du compresseur est comprise entre les points a et b, la limite de formation de panaches de fumée est située du côté du point a correspondant aux faibles températures ambiantes, 15 tandis que la limite de condensation acide est située du côté du point b correspondant aux hautes températures ambiantes. Lors d'un fonctionnement entre les points a et b, le taux de compression est constant. La famille de courbes ainsi obtenues met en outre en évidence la variation importante du rendement thermique 2o et de la puissance de sortie entre un mode de fonctionnement avec injection de vapeur et un mode de fonctionnement sans injection de vapeur. L'établissement des données nécessaires au tracé d'un graphique de performances de la turbine tel que celui des FXGS.h 25 et 5 (considérées ensemble) nécessite des opérations considérables de calcul et par conséquent on utilise dans ce cas un ordinateur, par exemple en partage de temps, pour obtenir la meilleure efficacité. La mise au point d'un programme d'ordinateur approprié ferait intervenir les phases- suivantes ; 3o a/ le choix d'une gamme de températures . à 1'éntrée de la turbine établissant l'équilibre souhaité entre le rendement thermique et la puissance de sortie de la turbine à gaz, b/ le choix à partir du graphique de performances du compresseur d'une gamme de taux de compression de fonctionnement pour la 35 turbine à gaz le long de la courbe correspondant à une vitesse de 100$, le taux de compression maximal étant le taux de compression que le compresseur peut fournir sans calage et le tâux de compression minimal étant le taux de compression correspondant à l'absence d'injection de vapeur pour une 4o température ambiante minimale, 72 16656 13 2137698 c/ le choix d'une gamme de températures ambiantes de fonctionnement , d/ le calcul de la gamme des températures d'entrée de la turbine à utiliser en employant des relations connues faisant interve 5 nir les propriétés du gaz (pour différentes températures et compositions de vapeur) et le rendement de la turbine (sous la forme d'une fonction du rapport de pression, de la tempéra ture à l'entrée de la turbine, de la composition de la vapeur et de la composition du combustible), 1o e/ le choix d'une gamme de débits de vapeur à injecter dans le gaz, f/ le calcul d'un graphique représentant le rendement de la turbine en fonction des paramètres dans les trois gammes choisies (rapport de pression, température à l'entrée de la tur-15 bine et injection de vapeur), g/ le choix d'une certaine valeur de la température à l'entrée de la turbine dans la gamme de températures calculées, h/ le choix d'une température ambiante et d'une humidité relative égale à 0 ou 100$, 2o i/ le calcul du rendement du compresseur pour les conditions ambiantes choisies de manière à déterminer le taux de compres sion maximal du compresseur, j/ le calcul de la quantité de vapeur et de combustible nécessaires pour créer ce taux de compression maximal à la tempé-25 rature d'entrée de la turbine .choisie, k/ la détermination du rendement de la turbine à partir du graphique de performances de la turbine pour la température choisie à l'entrée de la turbine, le taux de compression maximal et les propriétés du gaz, 3o l/ le calcul de la température d'échappement de la turbine (en tenant compte des effets de refroidissement et de dilution du flux de gaz ) , m/ le calcul de la température dans la cheminée en considérant tout prélèvement de chaleur des gaz d'échappement, en connais 35 sant la température de la cheminée et en déterminant s'il se produit line corrosion dans la cheminée (condensation acide) et 72 16656 2137698 rt/ la détermination de la production d'un panache de fumée visible dans les conditions choisies de fonctionnement pour la température ambiante et l'humidité relative choisies par calcul de l'humidité relative contenue dans le gaz sortant 5 de la cheminée avec l'air ambiant et soumis à des dilutions successives. Si on a déterminé qu'il se produit une condensation acide ou bien un panache de fumée visible, on en conclut que la quantité de vapeur injectée est trop forte. Dans ce cas, on doit 1o répéter la procédure en utilisant un débit de vapeur plus faible et en examinant les variations (diminution du taux de compression) qui accompagnent la réduction de la quantité de vapeur injectée. Lorsqu'il ne se produit pas de condensation acide ni de 15 panache de fumée visible, on répète les phases mentionnées plus haut en utilisant un ensemble différent de conditions ambiantes Lorsqu'on a examiné un nombre suffisamment graaid d'ensembles de conditions ambiantes (par exemple pour des augmentations successives de température de 10° C environ), on trace une courbe 2o représentant le rendement thermique et la puissance de sortie de la turbine à gaz pour la température d'entrée de la turbine choisie, comme décrit plus haut. Ensuite, on répète la procédure de manière à obtenir une famille de courbes de rendement thermique et de puissance de sortie de turbine (FIGS. h et 5) 25 pour différentes températures d'entrée de la turbine (à savoir pour des augmentations successives de 50° C environ). Ce graphique fournit la possibilité de choisir à volonté une température d'entrée de la turbine permettant de trouver une combinaison optimale du rendement thermique et de la puissance de 3o sortie d'une turbine à gaz (en correspondance avec les capacités de la machine). Après avoir déterminé ce graphique de performances, on peut appliquer la méthode décrite plus haut pour la détermination des différentes options. Si la turbine à gaz peut fonctionner à une vitesse in-35 férieur à 100$, on peut monter un tachymètre dont'le signal de sortie est proportionnel à la vitesse en vue de détecter la vitesse du compresseur et d'ajuster la valeur du taux de compression (comme cela va être décrit dans la suite) pour repré- 72 16656 15 2137698 -senter- des variations de la vitesse. Dans une turbine à gaz de construction connue, la gamme des températures ambiantes choisies peut être assez étroite, à savoir 30° C environ, ou bien assez large, à savoir 55° C environ, en fonction de la température 5 choisie à l'entrée de la turbine. Plus la température d'entrée de la turbine est élevée, plus la gamme des températures ambiantes utilisables est grande. Par exemple, dans une turbine à gaz General Electric MS7000, on obtient pour une température à l'entrée de la turbine correspondant au maximum admissible, une 1o gamme de températures ambiantes utilisables, qùl élimine les panaches de fumée visibles ou la condensation acide dans les gaz d'échappement, de 55° C (à savoir de -18 à +37° C) pour une 2 * pression d'entrée de 1 kg/cm . L'invention présente l'avantage que, après que les déter-15 minations mentionnées ci-dessus ont été réalisées, le taux d'injection de vapeur (exprimé par exemple en kg de vapeur/heure) reste le seul paramètre de commande qui soit nécessaire pour obtenir simultanément : a/ la puissance et le rendement maximaux de la machine dans la 2o gamme choisie de températures ambiantes de fonctionnement, une absence de panache de fumée visible, et c/ une absence de condensation acide. L'invention fait, par conséquent, intervenir des moyens sélectifs permettant un réglage du taux d'injection de vapeur. 25 Ces dispositifs ont des capacités variables pour tenir compte de. l'étendue de la gamme des températures ambiantes lorsqu'on ne maintient pas le taux de compression constant. Dans son agencement le plus simple (qui correspond au générateur de signaux de commande 31)j on doit maintenir constant le taux de compression 3o choisi et la turbine fonctionne à la température d'entrée constante qu'on a choisie. On peut obtenir une augmentation du rendement en utilisant de la vapeur surchauffée moyennant une légère augmentation du taux de production de l'oxyde nitrique. On peut encore améliorer 35 puissance spécifique de sortie et le rendement par augmentation de la température à l'entrée de la turbine. On peut résoudre ce problème en utilisant un refroidissement interne. On a décrit des systèmes de refroidissement interne par liquide dans 72.16656 16 2137698 les brevets des Etats-Unis d'Amérique N°s 3 446 481 et 3 446 482. Ce refroidissement interne se traduit évidemment par des pertes calorifiques dans le flux de gaz. Cependant, en utilisant cette chaleur perdue pour produire de la vapeur destinée à être irgsctée 5 ultérieurement dans la turbine à gaz, en addition à celle engendrée par les gaz d'échappement de la turbine, on peut compenser environ 7C °/o de la réduction de rendement due aux pertes calorifiques, . . Les parties, d'une turbine refroidie par liquide fonction-1o nent en réalité comme une chaudière dans la séquence de refroidissement. Le liquide de réfrigération peut circuler dans un circuit- complètement fermé ou bien, dans le cas où le réfrigérant est constitué par de l'eau, dans un circuit ouvert à partir duquel on peut évacuer la vapeur engendrée et la remplacer par de 15 l'eau d'appoint. La première disposition présente l'avantage de réduire au minimum la teneur en substances contaminantes et elle a été représentée sur la FXG. 6. La turbine à gaz 60 comprend un compresseur 61, une chambre de combustion 62 et une turbine 63 refroidies par un 2o.liquide. En addition au dispositif d'injection de vapeur et au dispositif de commande correspondant représentés sur les FXGS. 1 à 3, on utilise le liquide de réfrigération de la turbine 63 et de la chambre de combustion 62 comme sources de génération de vapeur. Le taux de génération de vapeur à partir de ces 25 sources supplémentaires est fixé par le degré de refroidissement imposé et.il est sensiblement constant. Bien que le taux de génération de vapeur (et l'injection de vapeur) ne soit pas assujetti au dispositif de commande de la vapeur produite à partir des gaz d'échappement, cela ne pose pas de difficulté du fait 3o qu'on peut régler la température à l'entrée d'une turbine refroidie par un liquide à une valeur suffisamment élevée pour correspondre de façon appropriée au taux maximal de génération de vapeur à partir du liquide de réfrigération de la turbine 63 et à partir du réfrigérant du garnissage de la chambre de combustion 35 62 sans qu'il se forme de panache de fumée visible ou de condensât acide. Comme dans la disposition représentée sur la FIG. 1, le conduit de dérivation 64 reçoit des gaz d'échappement provenant 72 16656 17 2137698 de la turbine 63 par l'intermédiaire du tuyau 66. Un dispositif d'actionnement mû par un moteur 64a est excité par une tension de commande E^ fournie par un générateur de tension de commande 67 et il détermine la position du registre 64b en réponse à la 5 tension E^ .La position du registre 64b détermine la proportion des gaz d'échappement qui passe par l'intermédiaire de l'unité de dérivation 64 et du tuyau 66a dans la chaudière 68 et la proportion des gaz d'échappement qui passe par l'intermédiaire de l'unité de dérivation 64 et du tuyau 71 dans un mélangeur 69. 1o Le générateur de tension de commande 67 peut correspondre à l'un des dispositifs 31» 41 ou 51 décrits plus haut. En conséquence, de l'eau refoulée par la pompe 72 dans le tuyau 73 s'écoule dans le garnissage 74 de la chambre de combustion, dans 1'échangeur de chaleur 76 et dans la chaudière 68..I1 15 peut se produire de la vapeur dans 1'échangeur de chaleur 76 et dans le garnissage 74 ainsi que dans la chaudière 68 en fonction du réglage du registre 64b. Le mélange de vapeur et d'eau parvient au séparateur de vapeur 77 où le liquide et la vapeur sont séparés, le liquide s'écoulant par l'intermédiaire du 2o tuyau 78 jusqu'à la pompe alimentaire 72. Un tuyau 79 commandé par une vanne et relié au conduit 78 est utilisé pour évacuer les matières contaminantes. La vapeur sortant du séparateur 77 est canalisée jusqu'à la chambre de combustion 62 par l'intermédiaire du tuyau 81. Une 25 vanne 82 branchée dans le tuyau de vapeur 81 est commandée d'une manière classique pour compenser de fortes augmentations ou réductions de la charge de la turbine à gaz. Du combustible est fourni à la chambre de combustion 62 par l'intermédiaire d'un tuyau 83 et de l'air comprimé est fourni à cette chambre 62 par 3o le compresseur 61 pour brûler le combustible, les gaz chauds engendrés s'écoulant jusqu'à la turbine 63 refroidie par un liquide. Dans une autre réalisation (non représentée), au lieu d'utiliser un circuit complètement fermé pour le réfrigérant 35 liquide de la turbine et au lieu de faire passer l'eau dans le tuyau 73 relié à 1'échangeur de chaleur 74, le circuit de refroidissement de la turbine fait partie du système d'injection de vapeur. 72 16656 1 2137698 Le cas échéant, on peut utiliser en partie ou en totalité les gaz d'échappement de la turbine pour produire de la vapeur à un débit sensiblement constant, auquel cas le dispositif de réglage est placé entre le générateur de vapeur et la chambre de 5 combustion avec laquelle il est en communication. Le générateur de tension de commande est alors utilisé pour commander l'admission de vapeur dans la chambre de combustion, la vapeur non injectée dans la chambre 62 étant dérivée pour d'autres applications, par exemple dans des installations de traitement ou à des 1o fins de chauffage de volumes. On a représenté une telle disposition sur la FIG. 7 cm des éléments Identiques à ceux de la FIG. 1 sont affectés des mêmes références numériques. Un répartiteur d'écoulement 91 comportant un registre réglable est branché entre les tuyaux d'échappement 38 et 38a. Le registre est 15 placé de telle sorte que la quantité de gaz d'échappement passant dans la chaudière 21 soit suffisante pour produire de la vapeur au débit maximal d'utilisation. Le générateur de tension de commande 92 est une variante des générateurs 31 > 41 , 51 décrits plus haut et il commande l'admission de vapeur dans la 2o chambre de combustion 12 par réglage de l'unité de dérivation 93 dans laquelle un registre 93t> est réglé en position par un dispositif d'actionnement mu par un moteur 93a. On évacue la vapeur non utilisée en vue d'une autre utilisation par l'intermédiaire du tuyau pb. Lorsqu'une quantité trop grande de vapeur 25 a été produite pour l'injection de vapeur et pour d'autres utilisations, la position du registre du répartiteur d'écoulement 91 est modifiée. Le réglage correct du répartiteur d'écoulement 9' dépend par conséquent des conditions imposées pour la vapeur d'injec-30 tion et pour d'autres utilisations et la quantité de vapeur engendrée en excès par rapport à la valeur nécessaire pour l'injection a une influence sur la température des fumées dans la cheminée. Si la température des fumées dans la cheminée est réduite à une valeur trop faible, la quantité de vapeur pouvant 35 être injectée à des températures ambiantes faibles et élevées sans formation de panaches de fumée visibles ou de condensât acide est réduite. On utilise par conséquent un signal de commande produit par un détecteur de température de gaz 96 installé 72 16656 19 2137698 dans la cheminée de manière à engendrer un signal supplémentaire appliqué au générateur de tension de commandé 92 dont le signal de sortie intervient dans la tension de polarisation EQ de la même manière que les signaux de sortie du détecteur d'humidité 5 5k et du circuit- d'interpolation 59 interviennent dans le signal Eq du générateur de tension de commande 51- En variante, on peut augmenter la température des gaz dé cheminée et on peut produire une quantité supplémentaire de vapeur en utilisant un brûleur supplémentaire (non représenté) qui 1o est installé entre - le répartiteur d'écoulement 91 et là chaudière 21 . ■ ' On peut rencontrer des conditions dans lesquelles il est préférable d'utiliser pour vaporiser l'eau une source d'énergie thermique autre que les gaz d'échappement de la turbine ou les 15 liquides de réfrigération. Dans ce cas, on peut placer la source de vapeur en communication avec la chambre de combustion et on utilise un générateur de tension de commande suivant l'invention pour régler l'allure à laquelle on fournit l'énergie thermique pour obtenir de la vapeur (comme sur lés FIGS. 1 et 6) ou bien 2o pour régler l'admission de vapeur dans la chambre de combustion (comme sur la FIG. 7 ) • En utilisant les dispositifs suivant l'invention pour commander automatiquement l'injection de vapeur, oh améliore très sensiblement les performances du fait qu'on peut établir des 25 conditions optimales d'injection de vapeur à différents degrés dans des turbines à gaz classiques comportant des composants de géométrie fixe, en fonction de la solution choisie. On peut incorporer les dispositifs de commande suivant l'invention soit à des machines existantes, soit à de nouvelles 3o machines, comme cela a été décrit précédemment. 72 16656 20 2137698 REVENDICATIONS 1 - Procédé de commande d'un groupe à turbine à gaz dont le fonctionnement consiste à produire de la vapeur â partir d'eau liquide, à comprimer de l'air atmosphérique à une pression supra- 5 atmosphérique, à. faire passer l'air comprimé dans une zone de combustion où du combustible est introduit et où s'effectue une combustion continue, à faire passer la vapeur produite dans ladite zone d-e combustion et à faire passer des gaz chauds sortant de façon continue de ladite zone de combustion dans une zone de dê-10 tente où l'énergie mécanique fournie est bien plus grande que l'énergie mécanique absorbée dans la phase de compression, procédé caractérisé en ce qu'on commande automatiquement le débit de vapeur destinée à la zone de combustion à l'aide d'un signal de commande, ledit signal de commande dépendant des valeurs respec-15 tives d'un signal de polarisation et d'un signal représentant le taux de compression. 2 - Procédé de commande d'un groupe à turbine à gaz suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de polarisation est un signal de tension constante. 20 3 - Procédé de commande d'un groupe à turbine à gaz sui vant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de polarisation est lié quantitativement à la température ambiante. 4 - Procédé de commande d'un groupe à turbine à gaz suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de pola- 25 risation est lié quantitativement à la fois à la température ambiante et à l'humidité ambiante. 5 - Système d'injection de vapeur pour un groupe à turbine à gaz comprenant une turbine entraînant un compresseur qui alimente en air comprimé une chambre à combustion avec laquelle il 30 communique, et des moyens communiquant avec la chambre de combustion pour l'alimenter en combustible en vue d'y faire brûler celui-ci avec de l'air pour produire des gaz chauds transmis à la turbine, ledit système d'injection comprenant un dispositif de génération de vapeur communiquant avec la chambre de combus-35 tion de manière à lui fournir de la vapeur, ledit système d'injection de vapeur mettant en oeuvre le procédé suivant l'une des revendications 1 à 4 et étant caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de signaux de commande en communication fluidique avec 72 16656 21 2137698 le compresseur et des moyens reliés audit générateur de signaux de commande et réagissant à son signal de commande pour régler la quantité d'énergie thermique fournie au dispositif de génération de vapeur. 5 6 - Système suivant la revendication 5» caractérisé en ce que ledit dispositif de génération de vapeur est en communication fluidique avec le système d'échappement de la turbine et en ce que lesdits moyens de réglage déterminent le débit de gaz d'échappement fourni audit dispositif de génération de vapeur. 1o 7 - Système suivant l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le dispositif de génération de vapeur comprend un premier générateur de vapeur communiquant avec le système d'échappement de la turbine et un second générateur de vapeur branché en série avec le premier générateur de vapeur, 15 seuls les gaz d'échappement fournis au premier générateur de vapeur étant réglables par lesdits moyens de réglage. 8 — Système suivant l'une des revendications 5>6 ou 7j caractérisé en ce que la turbine est refroidie par un liquide et en ce que le dispositif de génération de vapeur est placé en 2o relation d'échange de chaleur avec le circuit de refroidissement de la turbine. 9 - Système suivant l'une des revendications 5 ou 8, caractérisé en ce que le générateur de signaux de commande comprend des moyens de comparaison de signaux électriques compor— 25 tant une première et une seconde entrée et une sortie qui est reliée électriquement auxdits moyens de réglage, des moyens reliés électriquement à ladite première entrée et placés en communication fluidique avec le compresseur de manière à être sensibles à sa pression de décharge et à produire un signal lié 3o quantitativement à ladite pression et des moyens reliés électriquement à ladite seconde entrée pour lui appliquer un signal de polarisation, lesdits moyens de comparaison fournissant un signal de commande aux moyens de réglage par l'intermédiaire de ladite sortie lorsque la relation entre ledit signal de polari-35 sation et ledit signal de réaction à une pression de décharge s'écarte d'une valeur prédéterminée . 72 16656 2137698 10 - Système suivant la revendication 9> caractérisé en ce que lesdits moyens d'application d'un signal de polarisation sont constitués par une source de tension fixe. 11 - Système suivant la revendication 9j caractérisé en 5 ce que les moyens d'application d'un signal de polarisation comprennent un générateur de tension et un détecteur de température produisant à sa sortie un signal électrique qui est lié quantitativement à la température détectée, ledit détecteur de température étant placé dans uneposition adjacente à l'entrée du 1o compresseur et étant relié électriquement audit générateur de tension, ledit générateur de tension étant relié électriquement à la seconde entrée et le signal de polarisation engendré par ce dernier étant lié quantitativement au signal fourni par le détecteur de température. 15 12 - Système suivant la revendication 9j caractérisé en ce que les moyens d'application d'un signal de polarisation comprennent un détecteur de température produisant à sa sortie un signal électrique lié quantitativement à la température détectée, un premier et un second générateurs de tension reliés 20 électriquement par leurs entrées respectives audit détecteur de température, un détecteur d'humidité fournissant à sa sortie un signal électrique lié quantitativement à l'humidité relative détectée, un multiplicateur de tension comportant des entrées séparées qui sont reliées électriquement respectivement aux 25 sorties du second générateur de tension et du détecteur d'humidité, et en ce que les sorties du premier générateur de tension et du multiplicateur de tension sont reliées électriquement à une jonction de sommation produisant un signal de polarisation qui est appliqué aux moyens de comparaison, ledit détecteur de 3o température et ledit détecteur d'humidité étant placés dans les positions adjacentes à l'entrée du compresseur. 13 - Système suivant la revendication 9j caractérisé en ce que les moyens de détection et de génération d'un signal de réaction à une pression sont constitués par un transducteur de 35 pression. 14 - Système suivant l'une des revendications 5 ou 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de réglage sont constitués par un dispositif de dérivation d'écoulement comportant un dispositif d'actionnement mu par un moteur et communiquant avec le ko dispositif de génération de vapeur. 72 16656 23 2137698 15 - Système suivant l'une des revendications 6 ou 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de réglage sont constitués par une unité de dérivation d'écoulement comportant un dispositif d'actionnement mu par un moteur et communiquant avec la 5 sortie de la turbine. 16 - Système suivant la revendication 5» caractérisé en ce que lesdits moyens reliés aux générateurs de signaux de commande comprennent des moyeris pour régler l'admission de-vapeur dans la chambre de combustion, lesdits moyens de réglage 1o étant en communication fluidique à la fois avec le dispositif de génération de vapeur et la chambre de combustion et réagissant automatiquement audit signal de commande. 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