Brevet FR2130415A1 — publié le 19721103

La présente invention est relative à un système qui dévie d'un surchauf-feur au moins une partie de la vapeur produite par une chaudière pour en régler la quantité à surchauffer et, par conséquent, la température de la vapeur fournie. 5 Les installations de turbines à gaz et à vapeur combinées sont appelées à fonctionner dans une gamme très étendue de conditions. Une plage de variation typique de température se situe entre 50°C et -40°C. Cette plage de variation crée un sérieux problème en ce qui concerne le maintien à une valeur constante du débit et de la température de la vapeur pénétrant dans la turbine. Quand la 10 température ambiante diminue, la circulation d'air à travers la turbine à gaz augmente et inversement. Le débit d'air à travers la turbine à gaz affecte directement la quantité et la température de la vapeur produite pour entraîner la turbine à vapeur car l'échappement de la première est utilisé pour chauffer le générateur de vapeur 15 destiné à alimenter la seconde. La quantité de vapeur produite pour entraîner la turbine doit être réglée car cette dernière est conçue pour recevoir une quantité fixée de vapeur à une température déterminée dont le dépassement peut provoquer sa destruction. Il existe plusieurs méthodes de réglage de la quantité et de la température 20 de la vapeur produite par le générateur de vapeur. Si celui-ci possède des brûleurs auxiliaires, une des méthodes consiste à régler la température de chauffe de ces derniers. Comme expliqué précédemment, par une journée relativement chaude, le débit d'air à travers la turbine à gaz et, par conséquent, celui des gaz d'échappement, 25 est diminué. C'est pourquoi il y a une diminution de la chaleur disponible au générateur de vapeur et une diminution correspondante de la température et de la quantité de vapeur allant à la turbine à vapeur. Pour tenter de maintenir un débit de vapeur constant à une température fixée, la température de chauffe des brûleurs auxiliaires du générateur de vapeur est augnentée. Cependant, dans cer-30 taines conditions de température ambiante élevée, la limite supérieure de température de la turbine à vapeur ou du serpentin du surchauffeur est atteinte avant que la vapeur atteigne la combinaison souhaitée de débit et de température et, de ce fait, le débit constant de vapeur souhaité ne peut être maintenu sans endommager sérieusement la turbine à vapeur. 35 Par une Tournée froide, le débit à travers la turbine à gaz est augmenté et le débit des gaz d'échappement augmente, entraînant une augmentation correspondante de la quantité de vapeur destinée à la turbine à vapeur. Pour tenter à nouveau de maintenir le débit dans les limites compatibles avec la turbine à vapeur, la température de chauffe des brûleurs auxiliaires du générateur de va-40 peur doit être diminuée. Par conséquent, une plus grande quantité de vapeur est 72 09498 2 2130415 produite à une température plus basse. Cependant, plus la température est basse, plus il y a d'humidité dans la vapeur et, sous certaines conditions de basse température ambiante, la teneur en humidité de la vapeur dépasse les niveaux permis dans la turbine, ce qui constitue un danger potentiel de sérieux dommages 5 aux aubes de turbine. Une autre tentative de commander la quantité et la température de la vapeur allant à la turbine, consiste à dévier une partie des gaz d'échappement de la turbine à gaz du surchauffeur du générateur de vapeur ou avant qu'ils n'atteignent le générateur de vapeur. Cependant, ces déviations des gaz d'échappement 10 se traduisent par une réduction sensible de puissance et de rendement du cycle combiné. Une autre façon de régler la température consiste à utiliser un réfrigérant consistant en un dispositif qui introduit de l'eau dans le circuit de la vapeur et réduire ainsi la température de celle-ci entre le surchauffeur et la turbine. 15 L'eau refroidit la vapeur selon la quantité injectée et est elle-même vaporisée. Les inconvénients d'un tel dispositif viennent du fait qu'on doit utiliser de l'eau pure qui est relativement coûteuse ou qui peut n'être pas disponible. Si on utilise l'eau ordinaire, un résidu d'évaporation se dépose sur le trajet de la vapeur. De plus, un tel dispositif n'est utilisé que pour réduire la tempéra-20 ture de la vapeur allant vers la turbine et non pour l'augmenter. Le but principal de la présente invention est donc de fournir un système pour régler efficacement la température et la quantité de vapeur quittant le générateur, le dit système fonctionnant dans une large gamme de conditions de température ambiante. 25 A cet effet, la présente invention réside en une installation de turbine à gaz ayant un échappement raccordé à un dispositif surchauffeur de vapeur, comprenant un moyen pour fournir de la vapeur à celui-ci et un moyen pour en extraire la vapeur surchauffée, caractérisée par un moyen de dérivation permettant à une partie de la dite vapeur de contourner au moins une partie du dit disposi-30 tif surchauffeur, pour réaliser l'ajustement de la température de la vapeur surchauffée. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés. Sur les dessins: - La figure 1 est une représentation schématique d'une centrale combinée com-35 prenant une turbine à vapeur et une turbine a gaz, ayant un dispositif de con- tournement du surchauffeur d'un générateur de vapeur, réalisée suivant les principes de la présente invention et, - La figure 2 est une vue fragmentaire montrant une autre réalisation d'un dispositif de contournement du surchauffeur. 40 La figure 1 représente une centrale à cycle combiné du type ayant une 72 09498 3 2130415 installation 10 de turbine à gaz entraînant un générateur électrique 11, et une installation 13 de turbine à vapeur entraînant un générateur électrique 14. Des centrales de ce type sont bien connues des spécialistes. Comme montré à la figure 1, l'installation 10 comprend un compresseur d'air 16 entraîné par une turbi-5 ne à gaz 17, par l'intermédiaire d'un arbre 18, et une chambre à combustion 19 pour fournir les produits gazeux moteurs chauds de combustion à la turbine à gaz 17. Le compresseur 16 est pourvu d'une prise d'admission, comme indiqué par la flèche 21, de l'air dans le dit compresseur où il est comprimé puis dirigé vers la chambre à combustion 19 pour assurer la comburation du combustible à 1' 10 intérieur de celle-ci. Après détente dans la turbine 17, le gaz d'échappement chaud est dirigé vers un générateur de vapeur 24 utilisant la chaleur résiduelle. Le générateur de vapeur 24 comprend une section d'entrée 25 communiquant avec la turbine à gaz 17 et une section 27 d'échappement dans l'atmosphère. Les gaz chauds pénètrent par la section d'entrée 25 et s'échappent refroidis par la sec-15 tion de sortie 27. Les gaz d'échappement de la turbine à gaz de l'installation 10 contiennent une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur qui est habituellement utilisée dans les centrales à cycle combiné de ce type pour transformer un liquide, par exemple de l'eau, en vapeur surchauffée, pour actionner la turbine à vapeur de l'installation 13. Le générateur de vapeur 24 récupère donc 20 utilement de la chaleur qui, autrement, serait perdue. L'installation 13 de turbine à vapeur comprend, comme indiqué à la figure 1, une turbine à haute pression 26 et une turbine à basse pression 28 à double écoulement, les turbines 26 et 28 étant raccordées en tandem par un arbre commun 29 pour entraîner la génératrice 14. Lors du fonctionnement de 1'installati-25 on 14, la vapeur surchauffée venant du générateur de vapeur 24, s'écoule par le conduit de sortie 31 en passant par une vanne principale 32 de réglage d'entrée dans la turbine à haute pression 26. La vapeur à basse pression à la sortie de la turbine à haute pression 26 passe alors par des conduits 34 et 35 vers la turbine à basse pression 28. Après son passage à travers celle-ci, la vapeur est 30 dirigée vers un condensateur 134 où elle est condensée. L'eau du condensateur 134 est pompée à travers une conduite 36 par une pompe 37. L'eau s'écoule à travers une soupape de retenue 38 et une soupape de réglage 40 vers un désaérateur 42. Le condensât est pulvérisé dans le désaërateur 42 à travers un ajutage afin d'en extraire l'oxygène et autres gaz. Le conden-35 sat désaéré s'écoule vers le bas à travers des plaques perforées 44, en forme de plateau, où il est récupéré sur la plaque inférieure et dirigé vers la chaudière à basse pression 46 située à la partie plus froide du générateur de vapeur 24. En même temps, de la vapeur à basse pression peut également être envoyée dans le désaérateur 42 avec le condensât venant de la conduite 36. La vapeur 40 venant d'une conduite 50 à basse pression, peut être extraite de la sortie de 72 09498 4 2130415 la turbine à haute pression 26 par une conduite 34 en passant par une soupape de retenue 51 pour préchauffer le condensât pulvérisé dans le désaérateur 42. La chaudière à basse pression 46 est constituée d'une cuve supérieure 53, d'une cuve inférieure 54, d'un conduit 55a et d'un conduit 55b raccordant les 5 cuves inférieure et supérieure. Quand l'eau s'écoule de la cuve supérieure 53 à travers le conduit 55a dans la cuve inférieure 54 et retourne à la cuve supérieure 53 par le conduit 55b, elle est chauffée par les gaz d'échappement circulant à travers le générateur de vapeur 24. Il est souhaitable de faire fonctionner la chaudière 46 au-dessus du point de rosée des vapeurs condensables des li-10 quides corrosifs provenant des produits gazeux de combustion comme expliqué dans le brevet US. 3 177 659. De la vapeur est produite dans la partie supérieure de la cuve supérieure 53 et s'engage dans le désaérateur 42 pour compléter le préchauffage du condensât pénétrant dans ce dernier. Un détecteur 57 du niveau de l'eau dans la cuve 15 supérieure 53 maintient celui-ci à une hauteur convenable en commandant le débit du condensât passant par la soupape de réglage 40. L'eau chauffée dans la cuve 53 est ensuite pompée par une pompe 57 d'alimentation de chaudière vers un serpentin 59 d'éconoraiseur disposé dans le générateur de vapeur 24. 20 Une partie de l'eau chauffée s'écoule du serpentin 59 d'économiseur par une conduite 62 pour rejoindre la conduite 36 après la soupape de retenue 38. Il est préférable de ne pas produire de vapeur dans le serpentin 59 de l'économiseur, ce qui peut être évité comme expliqué en détail dans la demande US. No. 99 094 du 17 décembre 1970. 25 L'autre partie de l'eau chauffée s'écoule par la conduite 64 en traversant une soupape 65, disposée sur le trajet de la conduite 64, vers la chaudière 67 à haute pression. La chaudière à haute pression 67 est constituée d'une cuve supérieure 69, d'une cuve inférieure 70 et de plusieurs conduits 71a et 71b raccordant les cuves supérieure et inférieure. La vapeur est engendrée dans la 30 chaudière à haute pression 67. Le niveau d'eau dans la cuve supérieure 69 est détecté par un détecteur 73 adéquat, qui commande la quantité d'eau passant par la soupape 65 afin de régler ce niveau. La vapeur engendrée dans la cuve supérieure 69 à haute pression s'écoule par la conduite d'entrée 74 vers un serpentin 75 de surchauffeur surdimensionné, le serpentin 75 se trouvant dans la par-35 tie la plus chaude du générateur de vapeur 24. La sortie du serpentin 75 de surchauffeur est raccordée â la conduite d'entrée de vapeur 31 de la turbine 26. Comme indiqué à la figure 1, un premier collecteur 77 est prévu dans la conduite d'entrée 74 du surchauffeur et un second collecteur 79 est prévu à la sortie du serpentin 75 afin que plusieurs serpentins de surchauffe puissent être raccordés 40 entre les premier et second collecteurs pour augmenter au maximum l'efficacité 72 09498 5 2130415 du transfert de chaleur. Suivant la présente invention, on a prévu une conduite de dérivation 80. La conduite de dérivation 60 est disposée entre la conduite 74 et la conduite 31. Une soupape 82 est disposée dans le trajet de la conduite 80. La conduite 80 5 et la soupape 82 dérivent une partie de la vapeur directement dans la conduite 31, ce qui fait que cette partie de vapeur évite le collecteur 77 et le serpentin 75. On constatera que, pendant le fonctionnement, quand les gaz d'échappement de la turbine à gaz 17 pénètrent dans le générateur de vapeur 27, les gaz les 10 plus chauds passent sur le serpentin 75. Avant que la vapeur ne pénètre dans le serpentin 75 par la conduite 74, elle peut d'abord en être partiellement déviée par la conduite de dérivation 80 et par la soupape 82, la quantité de vapeur déviée étant fonction du degré d'ouverture de la soupape 82. Il faut noter que la soupape 82 est agencée de manière qu'une certaine quantité de vapeur passe tou-15 jours par le serpentin 75, la quantité minimum circulant à travers celui-ci é-tant calculée pour éviter sa surchauffe. La température moyenne finale de la vapeur dans la conduite 31 est fonction de la température et de la quantité de vapeur saturée circulant dans la conduite de dérivation 80, et de la température et de la quantité de vapeur surchauffée circulant à travers le serpentin 75. Par 20 conséquent, la température moyenne de la vapeur pénétrant dans l'installation 13 de turbine à vapeur peut être réglée en commandant la quantité de vapeur saturée contournant le serpentin 75 de surchauffeur. Par un jour froid, quand le débit à travers la turbine à gaz de l'installation 10 est augmenté, le débit des gaz d'échappement de la turbine à gaz 17 est 25 également augmenté tandis que la température des gaz d'échappement diminue. Par conséquent, il y a une baisse de la température résultante de la vapeur quittant le serpentin 75 et s'écoulant par la conduite 31 vers la turbine à vapeur 26 de l'installation 13. Pour maintenir la température voulue et le débit souhaité de la vapeur dans la conduite 31, une petite fraction de la vapeur circulant dans 30 la conduite 74 est déviée par la conduite de dérivation 80, une plus grande quantité de vapeur pouvant s'écouler dans le serpentin 75 du surchauffeur surdi-mensionné quand la soupape 82 est fermée. Le serpentin 75 de surchauffeur est également surdimensionné pour qu'une quantité suffisante de vapeur puisse être surchauffée pendant les conditions de température ambiante froide de façon à 35 maintenir à l'installation 13 la température de vapeur souhaitée. De même par une chaude journée, le débit à travers la turbine à gaz 17 de l'installation 10 est diminué ainsi que celui des gaz d'échappement. Par conséquent, la température de vapeur se trouvant dans le serpentin 75 augmente, de sorte que la température de la vapeur surchauffee allant vers l'installation 13 de turbines à vapeur 40 devient plus élevée que sa température calculée. Dans ce cas, la soupape de 72 09498 6 2130415 dérivation se trouvant dans le trajet de la conduite 80 est ouverte de manière qu'une plus faible quantité de vapeur circule à travers le serpentin 75 de surchauffeur et que, par conséquent, une plus petite quantité de vapeur surchauffée circule dans la conduite 31 vers la turbine à vapeur 26. 5 La figure 2 représente une seconde réalisation du système de contournement du surchauffeur pour un générateur de vapeur. Les installations des turbines à gaz et à vapeur ne sont pas représentées du fait qu'elles sont très semblables ou identiques à celles représentées à la figure 1. Suivant l'invention, le serpentin surdimensionné 95 du surchauffeur est 10 fractionné et, est à titre d'exemple, représenté comme étant divisé en deux parties: une partie 95a à température plus élevée et une partie 95b à température plus basse. Des collecteurs 98 et 99, semblables aux collecteurs 77 et 79 de la figure 1, sont prévus à l'entrée et à la sortie de la partie 95b à température plus basse du serpentin 95. Une conduite de dérivation 100 munie d'une soupape 15 101, relie la conduite d'entrée 96 à la sortie de la partie 95b à température plus basse du serpentin 95 de surchauffeur. La sortie de la partie de serpentin 95b à température plus basse et la conduite de dérivation 100 se rejoignent au début de la conduite 103. La vapeur surchauffée circulant dans la partie 95b du serpentin 95 et la vapeur saturée circulant dans la conduite de dérivation 100, 20 s'écoulent dans un troisième collecteur 104. La vapeur circule ensuite dans la partie 95a du serpentin 95 et dans un quatrième collecteur 105. Il peut y avoir plusieurs parties de serpentin 95a entre les collecteurs 104 et 105. La vapeur surchauffée circule dans une conduite 88 pour fournir de la vapeur surchauffée à l'installation de turbine à vapeur. On a également prévu plusieurs brûleurs 25 auxiliaires 106 pour fournir un supplément de chaleur à la vapeur se trouvant dans le générateur de vapeur 85. Dans cette réalisation, la vapeur saturée venant d'une chaudière à haute pression s'écoule à travers une conduite 96 et est partiellement dérivée par la conduite de dérivation 100. L'autre partie de la vapeur s'écoule dans la partie 30 95b du serpentin 95 de surchauffeur. La quantité de vapeur dérivée par la conduite 100 est réglée par le degré d'ouverture de la soupape 101. Il n'y a pas de déviation de vapeur de la partie 95a du serpentin 95 afin de protéger cette dernière d'une surchauffe. Comme mentionné précédemment dans la description de la première réalisation, 35 quand le débit à travers la turbine à gaz est diminué lors de journées chaudes, la température de la vapeur circulant à travers la turbine â vapeur (non représentée) est proportionnellement augmentée. Par conséquent, en ouvrant la soupape de dérivation 101, une plus grande quantité de vapeur circulant dans la conduite 96 est détournée de la partie 95b du serpentin 95 et une plus petite quantité de 40 vapeur surchauffée arrive à la turbine à vapeur. D'autre part, par une journée 72 09498 7 2130415 froide, le débit à travers la turbine à gaz est augmenté, ce qui fait que la soupape de dérivation 101 doit être proportionnellement fermée pour permettre à une plus grande quantité de vapeur se trouvant dans la conduite 96 de s'écouler dans la partie 95b du serpentin 95. Par conséquent, une plus grande quantité de vapeur est surchauffée dans le serpentin 95. Le volune de l'écoulement reste pratiquement le même et une température constante de la vapeur peut être obtenue à la turbine à vapeur. 72 09498 8 2130415 REVENDICATIONS. 1. Installation à turbine à gaz ayant une sortie d'échappement raccordée à un surchauffeur de vapeur, comprenant un moyen pour fournir de la vapeur au dit surchauffeur et un moyen pour extraire la vapeur surchauffée du dit surchauffeur, 5 caractérisée par des moyens de dérivation permettant à une fraction de la dite vapeur saturée de contourner au moins une partie du dit surchauffeur, grâce à quoi il est possible de régler la température de la vapeur surchauffée. 2. Installation de turbine à gaz suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de contournement comprend une conduite reliant le moyen prévu 10 pour fournir de la vapeur et le moyen prévu pour extraire la vapeur surchauffée et une soupape disposée dans le trajet de la dite conduite pour régler l'écoulement de vapeur dans la dite conduite de dérivation. 3. Installation à turbine à gaz suivant la revendication 1, dans laquelle le surchauffeur comprend un échangeur de chaleur, caractérisée en ce que le dit é- 15 changeur de chaleur est divisé en au moins deux parties, en ce que le dit moyen de contournement est une conduite de dérivation disposée en parallèle sur une des parties de 1'échangeur de chaleur et en ce qu'une soupape est disposée dans la trajet de la dite conduite de dérivation pour commander l'écoulement de vapeur dans la conduite de dérivation. 20 4. Installation à turbine à gaz suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la dite partie de 1'échangeur de chaleur se trouve dans la partie à température plus basse du surchauffeur et en ce que l'autre partie de 1'échangeur de chaleur se trouve dans la partie à température plus élevée du surchauffeur. 5. Installation suivant l'une des revendications de 1 à 4, caractérisée en ce 25 que le surchauffeur fait partie d'un générateur de vapeur associé à une installation à turbine à vapeur.