Brevet FR2189631A1 — publié le 19740125

L'invention concerne un dispositif de production d'un mélange d'air et de butane sous haute pression, en vue d'alimenter des turbines à gaz pour l'en trarnement de groupes générateurs d'énergie ; un tel dispositif assurant, dans de bonnes conditions d'économie, une utilisation du gaz butane qui évite des pointes de pénurie de gaz naturel et entrarne une résorption des excédents de gaz butane. On sait que de graves difficultés se présentent, en effet, en période de pointe de consommation d'électricité, surtout l'hiver, pour assurer l'alimentation en gaz naturel des groupes générateurs d'électricité à turbines à gaz ; de telles pointes ne pouvant pas etre satisfaites par les débits que peuvent fournir, normalement, les lignes de transport, par tuyaux, de ce gaz naturel. Au surplus, ces turbines à gaz produisent des débits de gaz d'échappement très grands du fait de l'excès d'air nécessaire à des températures compati bles à la tenue de leurs organes et leur principe de fonctionnement entrain, pour ces gaz, une température relativement élevée et de l'ordre de 5000C. Or, dans les installations de production d'électricité, par exemple, comprenant de telles turbines, il ne se présente pas toujours une possibilité d'utilisation économique de l'énergie qui peut etre récupérée dans ce gaz, sous la forme d'eau chaude ou de vapeur par une chaudière alimentée par ces derniers. Par ailleurs, I'évolution des modes d'utilisation domestique des gaz de pétrole liquéfié a entrai'nué récemment un renversement des consommations respectives des deux gaz généralement proposés pour de tels usages, le butane et le propane ; cette situation se soldant par un excédent croissant de butane. L'invention se propose de remédier à ces inconvénients. Elle a plus particulièrement pour but, ou bien, dans le cas de pénurie de gaz naturel d'en écrêter les pointes de consommation, ou bien, dans le cas d'un manque total de gaz naturel (pannes de circuit, application d'un contrat d'interruption) de remplacer, en partie ou en totalité, le gaz naturel manquant par un gaz résultant d'une utilisation judicieuse d'un combustible disponible sous forme d'un stock à l'état liquide et utilisé par application des notions bien connues d'interchangeabilité de gaz. On sait, en effet, que moyennant de réaliser un mélange, en proportions convenables, d'air et de butane (ou éventuellement d'air et de propane), on réalise un gaz communément nommé "air butané" (ou air propané) interchangeable avec les différents types de gaz naturel. L'invention a donc pour objet un dispositif d'alimentation de turbine à gaz, par un mélange de cette nature, préparé à partir d'une source de butane (ou de propane liquide), dans les conditions de pression et de composition du mélange, assurant à la fois l'alimentation de la turbine et l'interchangeabilité avec le gaz naturel. II est d'ailleurs précisé que, grâce à cette interchangeabilité, une turbine pourra être alimentée par un mélange gaz naturel-air butané, lorsque les conditions d'exploitation les plus économiques le justifient. Un dispositif conforme à l'invention comporte un mélangeur d'air et de butane gazeux (ou de propane) raccordé, d'une part, à un circuit équipé d'un surcompresseur d'air, d'autre part, à un circuit de butane ou de propane gazeux, issu d'un vaporiseur qui amène à cet état gazeux le butane (ou le propane) stocké à l'état liquide dans une citerne. Selon l'invention, les opérations de surcompression de l'air et de vaporisation du gaz liquéfié sont assurées par utilisation: - d'air comprimé, convenablement soutiré au compresseur d'air associé d'une façon conventionnelle à la turbine à gaz ; un refroidissement de cet air étant prévu par un échangeur adéquat, pour que la surcompression de cet air déjà comprimé soit aussi économique que possible. - de chaleur disponible, d'une manière excédentaire, dans les gaz d'échappement de la turbine. Cette chaleur des gaz d'échappement est, avantageusement, utilisée pour assurer : Ié réchauffage du combustible liquide, à partir de sa température de stockage jusqu'à sa température de vaporisation, la vaporisation de ce liquide sous une pression désirée, . une certaine surchauffe du gaz ainsi obtenu. Une telle récupération de chaleur peut être faite, soit directement par des échangeurs alimentés par les gaz d'échappement de la turbine, soit par tout procédé à la portée de l'homme de l'art, avec l'utilisation d'un fluide de transfert de chaleur qui peut être aussi bien de l'eau sous pression qu'une huile thermique ou tout autre fluide d'échange thermique. Dans le cas où il sera fait appel à un tel fluide, par exemple de l'eau sous pression, celle-ci pourra avantageusement être préchauffée par passage dans l'échangeur qui assure le refroidissement de l'air avant la surcompression de cet air a X r. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la description qui va suivre en regard de la planche de dessin annexée lesquels, description et dessin ne sont donnés qu'à titre d'exemple non limitatif. Sur ce dessin, la figure unique représente, schématiquement, un groupe générateur d'électricité à turbine à gaz équipé d'un dispositif d'alimentation conforme à l'invention. Cet ensemble comporte un compresseur d'air 1, une chambre de combustion 2, une turbine 3 ; ces trois parties sont disposées, bout à bout d'une fa çon classique et l'arbre du compresseur l est accouplé à celui de la turbine. L'enveloppe de la turbine 3 est-solidaire d'un conduit 4 d'évacuation de gaz d'échappement de la turbine et un générateur d'électricité tel qu'un alternateur 5 est accouplé, par son arbre, à celui de la turbine. Pour faciliter la description qui va suivre, on indiquera que pour entrainer par exemple un alternateur de 24.000 Kw, le compresseur 1 comprime, de 1 à 10 bars, environ 320.000 Nm3/h d'air (mètre cube mesuré dans les conditions normales de température et de pression :00C-760 m/mHg. Ce débit d'air assure la combustion d'un gaz (sur le débit duquel on reviendra plus loin) avec un excès d'air de 400 % ; les gaz qui en résultent étant constitués de 1/4 de fumée et de 3/4 d'air qui s'échappent par le conduit 4 en présentant une température d'environ 500 C. Cette alimentation en gaz de la chambre 2 est assurée de la manière décrite ci-dessous. Un tuyau 6a relie une partie convenable de l'enveloppe du compresseur 1 à un échangeur 7 pour fournir, à ce dernier, un débit d'alimentation d'environ 3.000 Nm3/h sous une pression de 10 bars et une température correspondante de 2800C. Cet échangeur, sur lequel on reviendra plus loin, permet d'abaisser la température de l'air de 2800C. a environ 400C. et sa sortie est raccordée, par un tuyau 6b, à un "surcompresseur" d'air 8, entraîné par un moteur d'environ 180 CV pour fournir de l'air sous une pression de 18 bars à la température correspondante de 1400C. Un tuyau 6c relie le compresseur 8 à l'un des détendeurs 9a d'un système usuel 9 de deux détendeurs 9a, 9b associés l'un à l'autre pour être commandés, simultanément, par un régulateur de pression 9c, comme il sera expliqué plus loin. Compte tenu des pertes de charge du courant d'air de 3.000 Nm3/heure, le détendeur 9a se trouve alimenté sous une pression légèrement inférieure à 17 bars et pour stabiliser cette dernière une "vanne de décharge à l'atmosphère" 6d est montée en dérivation sur ce tuyau 6c et est commandée automatiquement, d'une façon usuelle par un régulateur, en fonction de la pression à fournir au détendeur 9a. Par ailleurs, une pompe 10 est branchée sur une citerne 10c de butane à l'état liquide et à la température ambiante et est raccordée à un vaporiseur il par un tuyau 12a pour fournir, à ce vaporiseur, un débit de 14.000 litres/heure de butane liquide sous une pression de 18 bars ; le tuyau 12a étant équipé d'un système 12p de vannes et de régulateurs, similaires au système 6d, pour constituer un "by pass" de la pompe, sensible à la pression en aval de cette dernière en vue de stabiliser cette pression de 18 bars. Ce vaporiseur 10 est relié à une source de chaleur, sur laquelle on re- viendra plus loin, pour fournir, sous une pression de 18 bars, à une température de 1300C, un débit de 7 tonnes/heure de butane gazeux dans un tuyau 12b qui est raccordé au deuxième détendeur 9b ; ce tuyau 12b étant muni d'un autre détendeur 12d commandé, usuellement par un régulateur, en fonction de la pression supérieure à 17 bars qui doit régner à l'entrée du détendeur 9b. Les sorties des deux détendeurs 9a, 9b sont reliées à un mélangeur classique 9m qui est raccordé par un tuyau 13 aux moyens d'alimentation en gaz de la chambre de combustion 2. On précisera que les débits d'air et de butane indiqués ci-dessus et les proportions de ces débits sont appropriés à la production d'un mélange qui est parfaitement interchangeable avec le gaz naturel de sorte que, grace à un dispositif de robinet 13r monté sur ce tuyau 13, on peut substituer, d'une façon pratiquement instantanée, ce mélange air-butane au gaz naturel et vice-versa, ou meme réaliser l'alimentation de la turbine par un mélange de ces deux gaz en proportions variables. En outre, on comprend que cette production du mélange air-butane est remarquablement peu onéreuse. En effet, la faible proportion d'air soutiré au compresseur 1 (moins de 1%) ne trouble pas le fonctionnement de la turbine. De plus, le refroidissement de cet air procure de bonnes conditions de rentabilité pour sa surcompression et, enfin, la chaleur de vaporisation du butane peut être fournie, pour partie, par le refroidissement de l'air et, pour la partie complémentaire, par celle des gaz d'échappement à 5000C. de la turbine. Ces transferts économiques de la chaleur de l'air soutiré et de celle des gaz d'échappement peuvent être assurés économiquement de diverses manières, soit par échange direct, soit grâce à un circuit de fluide d'échange thermique décrit ci-après ; ce circuit pouvant assurer des débits de fluide adaptés aux débits d'air et de gaz cités en exemple plus haut. Une pompe 14 est aménagée pour pomper une quantité adéquate d'eau à 250C. dans une bâche 14a, ouverte à l'atmosphère et pour refouler cette eau, sous une pression de 12 bars, dans un tuyau 15a qui est raccordé à l'échangeur 7 pour le refroidissement de l'air soutiré. A la sortie de ce dernier, I'eau portée à une température de 600C. est conduite, par un tuyau 15b, à un surchauffeur 16 pour atteindre la température de 160 C. Ce surchauffeur peut etre d'un type de ceux alimentés par un gaz chaud; dans ce cas, le surchauffeur 16 sera alimenté par les gaz d'échappement à 5000 C. de la turbine mais dans le cas où cette dernière est associée à une chaudière produisant de la vapeur, I'échangeur 16 peut être du type de ceux alimentés par de la vapeur. L'eau à 1600C. , maintenue à l'état liquide grâce à la pompe 14 peut, alors, assurer dans un vaporiseur convenable, notamment le vaporiseur 11, la vaporisation et la surchauffe du débit de butane nécessaire à l'alimentation de la turbine. Enfin, un tuyau 15c conduit l'eau livrée, par exemple à 1400C. par ce vaporiseur à un classique réfrigérant atmosphérique 17 qui est disposé au-dessus de la bâche 14a. II suffit de compenser l'évaporation qui s'opère naturellement dans cet échangeur 17 par un appoint d'eau, grâce à un tuyau 18 pour réaliser un circuit fermé de transfert économiques de chaleur; cette eau d'appoint étant déminéralisée d'une façon classique pour éviter un entartrage des parties de ce circuit. L'invention ayant, maintenant, été exposée et son intérêt justifié sur un exemple détaillé, les demanderesses s'en réservent l'exclusivité pendant toute la durée du brevet, sans limitation autre que celle des termes des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation d'une turbine à gaz munie d'un compresseur d'air par un mélange gazeux d'air et de butane (ou analogue) sous une pression adéquate, comportant un mélangeur d'air et de gaz raccordé, d'une part, à un circuit d'air équipé d'un surcompresseur adapté à la pression d'alimentation de la turbine, d'autre part, à un circuit de gaz comprenant un vaporiseur de butane liquide (ou analogue), caractérisé en ce que le circuit d'air est raccordé, par une prise de soutirage, au compresseur de ia turbine et comporte un échangeur de refroidissement de l'air comprimé à fournir au surcompresseur et que le vaporiseur du circuit de gaz est associé à des moyens de transfert de chaleur à partir des gaz d'échappement de la turbine ; ledit mélangeur comportant des moyens de réglage automatique des quantités d'air et de gaz mélangé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de refroidissement de l'air est raccordé aux moyens de transfert de chaleur associés au vaporiseur du circuit de gaz. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de transfert de chaleur associés au circuit de gaz se présentent sous la forme d'un circuit fermé pour un fluide d'échange thermique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'échangeur du circuit du fluide d'échange thermique est constitué d'un surchauffeur destiné à être alimenté par les gaz d'échappement de la turbine. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'échangeur du circuit du fluide d'échange thermique est constitué d'un surchauffeur destiné à être alimenté par de la vapeur ; les gaz d'échappement de la turbine alimentant une chaudière classique. 6. Dispositif selon l'une des revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le fluide d'échange thermique est de l'eau et que le circuit de ce fluide comprend un échangeur atmosphérique et une pompe de compression de l'eau dans son circuit.