Brevet FR2311934A1 — publié le 19761217

L'invention concerne un procédé pour la production de courant et la regazéification de gaz liquéfié, en particulier de gaz naturel, par l'utilisation de la chaleur d'échappement d'une turbine à gaz en cycle fermé, le gaz liquéfié étant porté à l'é- tat thermique demandé -par exemple correspondant aux conditions d'en- trée dans un gazoduc- dans un gazéificateur prévu à ltextrémité inférieure du cycle thermodynamique de la turbine à gaz ; en outre, elle se rapporte à un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. De tels procédés sont connus et il leur est donné acte par le monde de la technique d'un accroissement important du rendement par rapport, par exemple, aux turbines à gaz à refroidissement par eau et compression à plusieurs étages. Dans un abrégé de la ZfK (Zeitung für Kommunale Virtschaft, Ne 11/74 p. 21) on met en évidence l'aptitude remarquable du gaz naturel liquéfié, pour lequel figure dans ce qui suit l'expression généralement usuelle GNL, à être un agent réfrigérant pour la turbine à gaz ceci entre autre parce que, grâce au refroidissement du gaz du cycle au moyen de GNL, on dispose de températures d'entrée au compresseur d'environ -1300C, ce qui produit une forte réduction du travail de compression et, en conséquence, une augmentation correspondante du travail utile. En principe il s'agit dans le procédé d'une production combinée de courant et de chaleur, comme cela est connu depuis longtemps dans le cas des centrales de chauffage sur la base de turbines à gaz. (Escher Yyss Nitteilungen, 39e Année 1966, fascicule 1, p. 34 - 42). Dans le cas présent de la gazéification de GNL, le bas niveau de température n'est pas important dans le cycle du gaz, car ce n'est qu'un agent secondaire qui est à chauffer suivant les besoins. Cela se fait dans un gazéificateur de GNL analogue au préréfrigérant équipé d'éléments séparés à eau de chauffage dans la centrale de chauffage évoquée. Les conditions de sortie du GNL hors du gazéificateur sont données en règle générale et correspondent aux conditions d'entrée dans un gazoduc ou à celles d'entrée dans une centrale à combustion de gaz naturel érigée sur place. On demande la plupart du temps une pression de 50 à 70 bar et une température de 2 à 100C. Un inconvénient du procédé connu, est que lton ne peut guère éviter, pour obtenir un haut rendement, un échangeur de chaleur de cycle, très dispendieux, à haut degré d'échange et faibles chutes de pression. L'invention a pour but de produire un procédé combiné pour la regazéification de GNL et pour la production de courant, avec lequel on obtienne, pour une dépense à peine plus élevée que pour le procédé connu, un gain de puissance substantiellement meilleur. Le but est atteint selon l'invention en ce que le gaz liquéfié est porté à une pression supérieure à celle demandée et est chauffé dans le gazéificateur fonctionnant avec les gaz d'échap- pement de la turbine à gaz à une température supérieure à celle demandée, après quoi il est détendu dans une turbine de détente et porté à l'état demandé en fournissant une puissance utile. L'avantage du procédé est à voir dans un accroissement important du rendement de l'installation, aussi, en particulier, en ce que, grâce à l'utilisation d'une grande chute de chaleur dans la turbine de détente, on peut renoncer à un échangeur de chaleur coûteux, de grandes dimensions, dans le cycle du gaz. Une installation pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisée par un gazéificateur, prévu à l'extrémité inférieure du cycle thermodynamique de la turbine à gaz entre la turbine à gaz et le compresseur, ainsi que par une turbine de détente dans laquelle se détend, en fournissant de la puissance, le gaz chauffé se trouvant à haute pression. Il est, de plus, opportun que la turbine de détente soit disposée sur le même arbre que le groupe compresseurturbine-alternateur, formant de préférence un dispositif à arbre unique. Cela a l'avantage qu'on ne doit pas installer d'alternateur particulier ; par contre l'alternateur appartenant au groupe de machines doit avoir des dimensions plus grandes correspondant à la puissance utile fournie par la turbine de détente. Sur le dessin est représenté schématiquement un procédé se rangeant dans l'état actuel de la technique, ainsi qu'un exem -ple d'exécution non limitatif de l'invention. On voit sur Figure 1 un schéma de montage d'un dispositif à un arbre à cycle de gaz fermé pour la production de chaleur et de courant Figure 2 une représentation graphique de la puissance et du rendement en fonction du rapport de pression d'une installation connue Figure 3 un diagramme enthalpie -entropie (h - s) correspondant au procédé connu; Figure 4 un diagramme enthalpie - entropie correspondant au procédé selon l'invention ; Figure 5 une représentation graphique de la puissance et du rendement en fonction du rapport de pression de l'installation selon l'invention (P, =f( 8 )). Dans la description suivante de 1'installation et de son fonctionnement, on ne s'occupe pas des pertes de pression ct de chaleur dans les machines, appareils et canalisations, car cellesci sont sans importance pour la compréhension de l'ins-ention De même on a laissé dc côté sur le dessin des parties sans importance pour l'invention comme par exemple, moteur de lancement, accouplements, réchauffeur d'air et parties analogues. Le sens de l'écoule- ment des différents agents est représenté par des flèches. Le schéma de la figure 1 représente un cycle fermé simple de turbine à gaz auquel la chaleur est amenée indirectement d'une source extérieure, le réchauffeur de gaz 1. L'agent moteur chauffé, dans le cas présent de l'azote, qui est en permanence en surpression, se détend dans la turbine 2 en fournissant de la puissance à l'extérieur à l'alternateur 3. Là-dessus, il circule en fournissant de la chaleur, à travers l'échangeur de chaleur 4 et délivre le reste de sa chaleur au gazéificateur 5 qui est du type à récupération. Dans le compresseur 6 qui lui fait suite, lequel est également entraîné par la turbine à gaz 2, l'agent moteur est porté à une pression supérieure et traverse, en y absorbant de la chaleur, une deuxième fois l'échangeur de chaleur 4.Le cycle se forme par la réintroduction du gaz dans le réchauffeur de gaz 1, dans lequel la transmission de l'énergie du combustible se fait par rayonnement et convection. La regazéification du GNL va être maintenant expliquée de plus près à l'aide de ce montage connu. On comprend que dans le cadre présent on renonce à donner connaissance de toutes les valeurs absolues servant de base aux calculs, car celles-ci, à cause de leur dépendance de trop nombreux paramètres, possèdent par sureroit une force d'affirmation insuffisante. Pour une meilleure compréhension, on rappellera rapidement quelques relations connues qui sont représentées sur la figure 2. - Si l'on recherche un rendement (A') le plus grand possible pour un degré d'échange en récupération, économiquement défendable, de = o, 8 , il en résulte un petit rapport de pression pour la turbine à gaz et une faible puissance (A) en rapport. - - Si l'on recherche un rendement (Bt) le plus élevé possible, cela n'est possible que grâce à un récupérateur extrêmement dispendieux (= 0,9). Cela conduit à un rapport de pression encore plus petit et une puissance plus faible en rapport (B). - Dans les deux cas considérés, un accroissement de la puissance (C) conduit un rendement relativement bas (C', cn). Pour exemple suivant, on est parti de postulats connus suivants et on a obtenu les données admises suivantes. - Une température de retour la plus basse possible de l'agent R chauffer, correspondant a une basse température d'entrée dans le compresseur 6, fait monter le rendement et la puissance de l'ins- tallation. - L'influence du rapport de pression dans le cycle eu égard une température à atteindre à l'alimentation correspondant à la température de sortie de l'agent à chauffer hors du gazéificateur 5 est abondamment décrite dans la littérature. - Pour obtenir un haut rendement, les irréversibilités du cycle doivent être maintenues très petites, ce qui s'exprime par un récupérateur dispendieux à grand degré d'échangre, et petites chutes de pression. On choisit un degré d'échange = 0,8. - L'agent à chauffer, dans le cas présent le GNL, peut servir d'affaissemont de chaleur unique pour la turbine à gaz 2 et présente avant et après, respectivement, la regazéification des états suivants entrée du gazéificateur : -1G1OC, 70 bar sortie du gazéificateur : 20C, 50 bar - L'azote fait fonction de gaz du cycle, lequel est particulièrement approprié du fait des basses températures du gaz liquéfié; on pourrait naturellement utiliser aussi de'argon ou de l'hélium. - Lors du choix du rapport de pression 8 du cycle, on dispose d'un grand degré de liberté. A cause de l'échauffement nécessaire du gaz naturel à +20C, du degré d'échange choisi pour l'échangeur de chaleur 4 ainsi qu'à cause de la basse température d'entrée dans le compresseur 6, déterminée par la température de stockage du GNL, le rapport de pression du compresseur ne peut tomber au-dessous d'un certain minimum. On choisit 1t- 8,00. Pour assurer une marche très favorable, économique, on fixe à 7200C la température supérieure du cycle de gaz, grâce à quoi les surfaces de chauffage par rayonnement dans la chambre de combustion du ré chauffeur de gaz 1 peuvent encore être exécutées en aciors austénitiques. - On prend contre base un débit massique de 240 kg/sec dans le cycle et 80 kg par seconde de GNL à gazéifier. Les variations d'état thermodynamiques du cycle et de la regazéification sont représentées sur le diagramme enthalpieentropie de la figure 3. Les points 11, 13, 14, 15 et 16' sont donnés par les exposés précédents. Le dimensionnemont de la turbine à gaz 2 et les points restants 12, 12' et 14' sont à détend amer selon le mode de calcul généralement connu en tenant compte des grandeurs de nature différente s'imbriquant la plupart du temps. il en résulte pour l'installation une puissance d'alternateur d'environ 60 MWe et un rendement thermique de 47,7 ,', celuici étant défini contre le rapport de la puissance de l'alternateur à l'énergie amenée par le conbustible. Pour expliquer l'invention, on conserve le même schéma d'installation, bien que, coure il sera exposé plus tard, l'échange geur de chaleur 4 ne soit pas considéré contre caractéristique nécessaire de la solution. Sur la base de la solution indiquée, une partie des données du processus se modifie (par conséquent aussi le dimensionnement des machines et appareils), bien que, pour la sin- licité, les mêmes repbres soient conservés. Selon l'invention, dans le gazéificateur de GNL 5 de l'installation selon la figure 1, l'agent à chauffer est chauffé à une température supérieure à celle de +2 C qui est demandée, dans exemple exposé, à +127 C. Une pompe à haute pression non représentée fait circuler le gaz liquéfié à une pression de 320 bar dans le gazéificateur. Â l'aide du diagramme enthalpie-entropie de la figure 4 le mode de fonctionnement de l'invention sera expliqué de plus près. Pour une meilleure vue d'ensemble, on a choisi les mamies débits massiques (240 kg/seo pour l'agent moteur, 80 kg/sec pour l'agent à chauffer) et pour les points 11a et 13 du cycle les memes températures que pour la disposition connue selon la figure 3. En partant des raisonnements déjà évoqués au sujet du choix du niveau de pression du cycle, on choisit pour le compresseur 6 et la turbine 2 des rapports de pression de Tr= 13,7 et 12 respectivement, avec quoi les points 12a et 14a peuvent etre calculés. Pour le GNL regazéifié, on choisit pour la sortie du gazéificateur l'état 1270C, 300 bar, ce qui, en ce qui concerne la température, donne aussi le point 12(A. Ainsi est aussi déterminé le saut de température pour ltéchangeur de chaleur 4, lequel peut fonctionner avec le bien modeste degré d'échange 0,6. C'est un fait digne d'entre mentionné que dans le procédé connu, au lieu d'une.gazéification directe du GNL, il se produit d'abord une vaporisation. Sur la figure 3, sur le diagramme enthalpie-entropie est figurée en pointillé la courbe limite 8 pour le gaz naturel. L'échauffement du GNL de la température initiale -1610C à la température finale +20C conduit, à droite de la courbe limite 8, à travers le domaine de la vapeur humide, à l'occasion de quoi a lieu une vaporisation fractionnée.Par contre, dans le procédé conforme à l'invention (figure 4), du fait de la haute pression, la gazéification du GNL est supercritique, ce qui est un avantage par rapport au procédé connu dans la mesure où, pour surmonter la même différence de température, le changement d'état se fait avec un faible accroissement d'entropie et suivant une courbe plus allongée. Le saut de température dans le gazéificateur est plus grand. il ne se produit aucune vaporisation proprement dite, mais un passage continu de la phase liquide dans la phase gazeuse au-delà de l'état critique. Le gaz se présentant à présent à l'état 16 (1270C, 300 bar) est détendu dans une turbine 7, en fournissant une puissance utile, à l'état demandé de 20C et 50 bar (point 16'). Rationnellement la détente avec fourniture de puissance ne se fait pas dans un groupe de machines séparé constitué par une turbine et un alternateur, mais la turbine de détente 7 est prise sur le même arbre que le compresseur 6 et la turbine à gaz 2. L'alternateur 3 est dimensionné plus grand, de la puissance supplémentaire. On obtient avec la disposition conforme à l'invention les puissances et rendement suivants Energie fournie par le combustible : 158,4 MW Puissance absorbée par le compresseur 6 : 46,7 MW Puissance fournie par la turbine à gaz 2 : 118,8 MW Puissance absorbée par la pompe à GNL : 5,6 MW Puissance fournie par la turbine de détente 7 : 18,1 MW Si l'on tient compte des divers rendements mécaniques et électriques avec 0,97, comme cela a été pris pour base dans le cas du procédé connu, il reste une puissance électrique utile de 82,1 MW et on atteint un rendement thermique de 52 vD. Sur la figure 5 on mantre les améliorations réalisables avec le nouveau procédé par rapport à ce qui est connu (graphique de la figure 2). - Si dans la disposition conforme à l'invention, un échangeur a récupération fonctionne avec un degré d'échange défendablc de # = 0,8 , le rendement thermique est relevé de 4,5 points ou du facteur 1,1 (A' sur la figure 2 par rapport à A'a sur la figure 5) et la puissance utile croit de 57,5 "M (A) à 67 DiW (Aa). - Si l'on fait la comparaison avec le rendement le plus haut possible du procédé connu, soit 52 ,' (B' sur la figure 2 par rapport à B'a sur la figure 5), ce qui est lié d'après les explications déjà évoquées à un récupérateur extrêmement dispendieux et à une réduction de puissance importante, avec le nouveau procédé, la puissance à travers la turbine de détente est élevée de 52 MW (B sur la figure 2) à 74 MI (Ba sur la figure 5), donc d'un facteur 1,37 ; et en plus le récupérateur peut être exécuté environ dix fois plus petit ( = 0,9 sur la figure 2 contre = 0,5 sur la figure 5). - Il ressort de la figure 2 que, en ce qui concerne le rendement, le procédé connu ne peut être mis en oeuvre sans l'échan- geur de chaleur 4. Par contre, il ressort de la figure 5 qu'à partir d'un rapport de pression # déterminé, un récupérateur est superflu. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à ce qui est représenté sur le dessin nij non plus, aux états décrits du cycle du gaz, choisis arbitrairement en partie. En variante,de cela, par exemple, la température supérieure du cycle pourrait être fixée à 5200C ; ceci correspond approximativement à la température maxima admissible quand le réchauffeur de gaz est chauffé à l'huile lourde et pour laquelle on peut utiliser des matériaux ferritiques de coût favorable. La détente ultérieure conforme à l'invention aurait, pour un rendement restant égal, l'avantage que le réchauffeur d'air de combustion du réchauffeur de gaz 1 disparaitrait, parce que la possibilité est donnée de refroidir les gaz de combustion de celui-ci, au contact du gaz du cycle, directement à la température minimale admissible d'environ 150 - 1800C. Dans une disposition de ce genre on pourrait renoncer à un échangeur dc chaleur coûteux pour, toutefois, parer au danger de corrosion à basse température un préchauffage modéré dans un petit récupérateur est rationnel (correspondant à 14'a sur la figure 4). REVENDICATIONS 1.- Procédé de production de courant et de regazéification de gaz liquéfié, en particulier de gaz naturel, avec utilisa tion de la chaleur d'échappement d'une turbine gaz en cycle fermé, le gaz liquéfié dotant porté dans un gazéificateur prévu à l'extrémité inférieure du cycle thermodmamique de la turbine a gaz, N l'état demandé -par exemple correspondant aux conditions d'entrée dans un gazoduc- , caractérisé en ce que le gaz liquéfié est porté à une pression supérieure a celle demandée ct est chauffé dans le gazéificateur (5) fonwtionnallt avec les gaz d'échappement de la turbine a gaz (2) à une température supérieure à celle demandée, après quoi il est étendu dans une turbine de détente (7) et porté à ltétat demandé en fournissant une puissance utile. 2.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le azéificateur (5) prévu à l'extrémité inférieure du cycle thermodynamique de la turbine a gaz entre la turbine à gaz (2) et le compresseur (6), ainsi que par une turbine de détente (7) dans laquelle se détend, en fournissant de la puissance, le gaz chauffé se trouvant sous haut pression. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la turbine de détente (7) est disposée sur le même~arbre que la turbine à gaz (2).