Brevet FR2292857A1 — publié le 19760625

Cette invention concerne une centrale thermique du type & BR récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur et elle concerne plus particulièrement les ameliorations du circuit de vapeur servant au chauffage de l'eau d'alimentation: la vapeur, après avoir travaillé dans une turbine, sert au chauffage. I1 était jusqu'ici habituel de faire fonctionner une centrale thermique à vapeur de telle façon que Sa puissance de sorti soit voisine de sa puissance nominale. Ainsi, les progrès de la technique qui ont bté effectués dans ce domaine ont cherché en particulier a accroître le rendement thermique (rendement calorifique) lorsqu la puissance de sortie de la centrale est voisine de Sa puissance nominale.Il était habituel jusqu' ici de concevoir une centrale thermique à vapeur de telle façon que son rendement calorifique atteigne une valeur plus élevée lorsque sa puissance de sortie était voisine de la puissance nominale. Toutefois, au cours des récentes années on a recherché chaque jour davantage a faire fonctionner une turbine a vapeur de telle façon qu'elle produise une puissance de sortie qui sot voisine de sa puissance nominale seulement dans le cas où la demande de production d'énergie élec- trique est maximale (la centrale fonctionnant dans ce cas sous une charge maximale), alors que la centrale fonctionne normalement sous une charge partielle de 50 à 80%.Ainsi le probl2me qui se pose ici est non pas de savoir cotent il faut accrottre le rendement calorifique lorsque la centrale fonctionne de façon à produire une puissance qui soit voisine de 8a puissance nominale, nats de savoir comment augmenter le rendement calorifique lorsque la centrale fonctionne sous une charge partielle de 50 a 80%. L'une des méthodes qui permet d'accroître le rendement calorifique lorsque la centrale fonctionne sous une charge partielle consiste à à concevoir la centrale de telle façon que la turbine & vapeur atteigne son rendement le plus élevé dans l'étage de régulation, sous une charge partielle. Toutefois, cette méthode n'entraîne pas un accroissement net du rendement, parce qu'elle est basée sur une amélioeation du rendement interne dans l'étage de régulation. La présente invention fournit un moyer permettant d'accroître le rendement calorifique d'une centrale à vapeur, lorsqu'elle fonctionne sous une charge partielle, ce moyen étant basé sur une conception technique qui diffère de celle de la technique antérieure, Cette invention a pour objet de fournir une centrale thermique a vapeur du type dit a récupération de l'énergie perdue Sous forme de chaleur, c'est-à-dire une centrale mixte produisant non seulement du courant. mais de la chaleur de chauffage, par utilisation d'un circuit de chauffage de l'eau d'alimentation, dans lequel le rendement thermique est augmenté dans les conditions de charge partielle, gracie a des améliorations du systime de récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur, dans les conditions de charge partielle, sans accroissement notable du prix de revient du matériel. Un autre objet de l'invention est de fournir une centrale thermique a vapeur du type a récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur, où on puisse assurer la régulation de la température finale de l'eau d'alimentation en fonction de la charge. Un autre objet encore de l'invention consiste a fournir un moyen permettant d'assurer la régulation précitée de la température finale de l'eau d'alimentation, ce moyen pouvant etre opéré relativement facilement. D'une façon générale, on sait bien que le rendement calorifique d'un circuit de récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur peut varier largement selon le nombre d'étages d'extraction de vapeur et selon la température finale de l'eau d'alimentation (à savoir la température de l'eau d'alimentation a 1' entrée du générateur a vapeur). Dans la pratique réelle, la vapeur est extraite ow prélevé a cinq ou six étages de turbine lorsque la pression davapeur dans la conduite principale est voisine de 130 kg/cm2,et la vapeur est prélevée à six à huit étages lorque cette pression est de 170 kg/cm2, au cas où l'on désire talure fonctionner la centrale de façon convenable.Il est également bien connu que la température optimale finale de l'eau d'alimentation peut varier selon le nombre d'étages d'extraction de vapeur, du point de vue rendement calorifique. D'une façon générale, la température finale de l'eau d alimentation est réglée à une valeur prédéterminée inférieure a la valeur optimale assurant le rendement calorifique le plus élevé possible.Il en est ainsi en grande partie parce que le volume de vapeur nécessaire pour chauffer l'eau d'alimentatiOn doit augmenter et que la consommation de vapaur par la turbine a vapeur augmente si la température finale de l'eau d'alimentation est réglée a une valeur plus élevée, ce qui obligerait a accrottre la capacité du générateur de vapeur et de la source d'eau d'alimentation, d'out les inconvénients suivants celui d'accroître 1 coût du matériel et celui de rendre la centrale peu rentable du point de vue économique. La présente invention vise & accroître le rendement calorifique d'une centrale a récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur, lorsque la centrale fonctionne sous charge partielle, tout en la maintenant rentable lorsqu'elle fonctionne sous charge maximale.Selon l'invention, il est fourni Une centrale thermique a vapeur économique à générateur de vapeur, qui fonctionne a une température finale relati't-ent basse de l'au d'alimentation, lorsque la centrale fonctionre sous charge élevée afin de réduire la consommation de vapeur, et qui fonctionne, dans lu conditions de charge partielle, grace a une augmentation de la température final de l'eau d'alimentation à a une valeur qui est voisine de la valeur optimale correspondant aux conditions de charge partielle, ai bien qu'on peut accrottre le rendement calorifique lorsque l'appareil fonctionne dans les conditions de charge partielle, sans pour autant accrottre le cot de l'équipement. Les caractéristiques remarquables de l'in@ention sont lu suivantes elles permettent a la centrale thermique à vapeur du type à récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur. comprenant un générateur d vapeur, des turbines a vapeur et des réchauffeurs d'eau d'alimentation haute pression et basse pression montés en série, de fonctionner de la faoon mentionnée plus haut. Une de ces caractéristiques ert que le réchauffeur d'eau d'alimen- tation du Cote haute pression est raccordé aux conduites d'extrac- tion de vapeur qui sont raccordées a au moins deux étages de détente des turbines à vapeur dont la pressi@n diffère, si bien que la vapeur prélevée a l'étage basse pression est introduite dans le réchauffeur d'eau d'alimentation du côté haute pression lorsque les turbines a vapeur fonctionnent sous charge élevée et tu la vapeur extraite de l'étage haute pression est introduite dans ce réchauffeer d'eau d'alimentation lorsque les turbines a vapeur fonctionnent eau faible charge Une autre caractéristique est que le réchauffeur d'eau d'alimentation du côté basse pression eet raccordé aux conduites d'extraction de vapeur raccordées elles-mêmes à au moins deux étages de détente des turbines a vapeur qui ont des pression différentes l'une de l'autre et qui sont disposées du coté buse pression par rapport aux deux étages de détente du turbines a va. peur dont noue venons de parler, si bien que la vapeur extraite de l'étage basse pression est introduite dans le réchauffeur d'eau d'alimentation côté basse pression lorsque les turbines & vapeur fonctionnent sous charge élevée et que la vapeur extraite de l'étage haute pression est introduite dans ce réchauffeur lorsque les turbines A vapeur fonctionnent sous basse pression. Une autre caractéristique encore est la suivante = il est prévu un moyen régulateur de vapeur (registre de vapeur) dans le circuit d d'extraction de vapeur. Certains termes sont utilisés ici pour plus de commodité, mais ils ne sont pas limitatifs. Par exemple le terme "vapeur d'extraction" désigne également la vapeur d'échappement émise à l'étage final de la turbine haute pression ou de la turbine à pression intermédiaire. Par le terme fréchauffeur d'eau d'alimentation du cdté haute pressions on entend un réchauffenr d'eau d'alimentation qui est disposé dans la position la plus proche du générateur de vapeur et qui est en somme le réchauffeur d'eau d'alimentation de haute pression.Par le terme i'réchauffeur d'eau d'alimentation du coté basse pression on entend désigner un réchauffeur d'eau d'alimentation qui est placé dans la position la plus proche du condenseur et qui est un réchauffeur d'eau d'alimentation dont la pression est plus basse d'un étage que le réchauffeur d'eau d'alimentation de haute pression lorsqu'on emploie plus de trois réchauffeurs d'eau d'alimentation. On peut inverser l'extraction de vapeur du caté haute pression et l'extraction de vapeur du cté basse pression en utilisant un moyen de commutation approprié. Il est bien entendu que la position dans laquelle on effectue la commutation peut etre choisie selon les besoins et que le mélange 9e la vapeur haute pression à la vapeur basse pression peut se produire dans une certaine mesure, sans qu'on s'écarte pour autant du cadre de l'invention. On va maintenant décrire brièvement les dessins La Figure 1 est un schéma de principe dtun mode de réalisation de l'invention qui présente l'agencement des diverses pièces raccordées par des tuyaux; La Figure 2 est un schéma de principe d'un second mode de réalisation de l'invention qui représente l'agencement des diverses pièces raccordées les unes aux autres par des tuyaux; et La Figure 3 est un schéma de principe d'un troisième mode de réalisation de l'invention qui présente l'agencement des diverses pièces raccordées les unes aux autres par des tuyaux. Reportons-nous a la Figure 1 : la Figure 1 représente une centrale thermique d vapeur comprenant : un générateur de vapeur 10; une turbo-génératrice 20; un condenseur 30; et des moyens 40 de chauffage d'eau d'alimentation. Le générateur ur de vapeur 10 comprend un évaporateur 11 dans lequel de la vapeur se dégage. La vapeur est acheminée dans une conduite principale 13 jusqu'à une turbine haute pression 21 ot elle travaille.La vapeur, après avoir travaillé dans cette première turbine, est extraite du circuit et envoyée, par l'intermédiaire d'une conduite 14 qui achemine cette vapeur & température plus basse, dans un resurchauffauer 12 où elle est réchauffée. La vapeur réchauffée retourne ensuite, par l'intermédiaire d'une conduite 15, a une seconde turbine 22 où elle travaille. La turbine haute pression 21 et la turbine 22 sont raccordées par un arbre, et la turbine 22 est couplée & une génératrice 23 montée en bout d'arbre et jouant le rôle de charge. La vapeur évacuée par la turbine 22 traverse une conduite 24 de vapeur d'échappement et est envoyée dans un condenseur 31 où elle est refroidie et condensée en eau.L'eau est fournie par une pompe 32 pour condenseur au moyen 40 de chauffage d'eau d'alimentation qui comprend, comme on le voit sur la Figure, des réchauffeurs d'eau d'alimentation à quatre étages, soit un réchauffeur d'eau d'alimen- tation basse pression 42, un désaérateur 43 et des réchauffeurs d'eau d'alimentation haute pression 44 et 45 montés en série par l'intermédiaire d'une conduite de condensation 41 et dune conduite d'eau d'alimentation 47. Une pompe alimentaire 46 est montée à la sortie du désaérateur 43 de façon a fournir de l'eau d'alimentation au générateur de vapeur 10. Une conduite d'extraction de vapeur 48 destinée au fonctionnent a charge élevée, cette conduite étant branchée sur la conduite acheminant la vapeur évacuée par la turbine haute pression 21, a savoir la conduite L4 qui achemine la vapeur a basse température vers le resurchauffeur, ainsi qu'une conduite d'extraction de vapeur 49 destinée au fonctionnement a basse charge et provenant de l'étage a pression intermédiaire de la turbine haute pression 21. sont toutes deux raccordées au réchauffeur 45 d'eau d'alimentation haute pression, si bien que de la vapeur peut Entre fournie a ce réchauffeur par deux étages d'extraction de vapeur dont la pression diffère. Une soupape de retenue 53 est montée sur la conduite d'extraction de vapeur 48 destinée au fonctionnement a charge élevée, tandis qu'une soupape 54 permettant d'assurer la commutation d'extraction de vapeur est montée sur la conduite d'extraction de vapeur 49 destinée au fonctionnement à basse charge.Lorsqu'on ouvre la soupape de commutation 54, la soupape de retenue 53 se ferme automatiquement, par suite de la différence de pression entre les courants de vapeur extraits par les deux conduites différentes, si bien que la vapeur extraite de l'étage intermédia ire de la turbine à haute pression 21 est fournie au réchauffeur 45 d'eau d'alimentation haute pression. Inversement, lorsqu'on ferme la soupape 54 assurant la commutation d'extraction de vapeur. la soupape de retenue 53 s'ouvre automatiquement, si bien que la vapeur & basse température acheminée par la conduite 14 est fournie au réchauffeur 45 d'eau d'alimentation haute pression. Les conduites d'extraction de vapeur 50, 51 et 52 raccordées par l'une de leurs extrémités A la turbine 22 sont raccordées par leur autre extrémité au réchauffeur 44 d'eau d'alimentation haute pression, au désaérateur 43 et au réchaufferr 42 d'eau d'alimentation basse pression, respectivement, de façon à leur fournir de la vapeur de chauffage. On peut ainsi noter que, si la soupape de commutation d'extraction de vapeur 54 de l'appareil précité est fermée lorsque l'appareil fonctionne à haute charge, une partie de la vapeur d'échappement provenant de la turbine haute pression 21 est fournie au réchauffeur d'eau d'alimentation 45, si bien que la température de l'eau qui alimente le générateur de vapeur 10, autrement dit la température finale de l'eau d'alimentation est relativement basse. C'est pourquoi la consommation de vapeur se trouve réduite et en cons&num;quence la turbine haute pression 21, le générateur de vapeur 10, les réchauffeins d'eau d'alimentation 44, 45 et la pompe alimentaire 46 peuvent avoir une capacité réduite.Il en découle une réduction du prix du mate- riel. Par ailleurs, lorsqu'on ouvre la soupape de commutation d'extraction de vapeur 54, alors que l'appareil fonctionne sous une charge partielle, la vapeur b haute pression est fournie par l'étage intermédiaire de la turbine haute pression 21 au réchauffeur d'eau d'alimentation ss5, ce qui élève la température finale de l'eau d'alimentation. I1 en résulte un accroissement du rendement thenniaize dans le cycle de récupération de la vapeur de chauffage. Jusqu'ici, il était habituel de réduire la température finale de l'eau d'alimentation, température obtenue par chauffage par la vapeur, à une valeur inférieure à sa valeur optimale permettant de maintenir un rendement calorifique élevé. Des considérations économiques ont pesé lourdement lorsqu'on a adbptF cette politique, comme l'indiquent les nécessités d'économiser sur le prix du matériel, nécessités O1tionnées plus haut. Dans la mise en oeuvre de la présente invention, la vapeur basse pression est extraira du meme point d'extraction de vapeur que dans un appareil de la technique antérieure lorsque la turbine & vapeur fonctionne sous charge élevée, Si bien qu'on peut obtenir le même rendement calorifique que dans la technique antérieure. La vapeur haute pression est extraite dans l'appareil selon la présente invention du point le plus approprié, du point de vue rendement thermique, lorsque la turbine & vapeur fonctionne sous charge partielle, ce qui permet d'éleveur le plus possible le niveau du rendement thermique de l'appareil fonctionnant sous charge partielle grace au réchauffage. Outre le facteur précité, l'accroissement du rendement interne de la turbine haute pression peut également etre un facteur de 1' accroissement du rendement thermique qui peut etre réalisé par la mise en oeuvre de la présente invention lorsque la turbine & BR c8té basse pression au c8té haute pression, lorsque la centrale fonctionne sous basse charge, ce qui augmente le volume de vapeur introduit dans la turbine haute pression 21. Ainsi, on peut assurer la régulation par le registre de vapeur dans les conditions de rendement interne élevé atteintes lorsque la centrale fonctionne sous charge élevée, meme si la centrale fonctionne sous basse charge. ce facteur contribue lui aussi à 1'accroissement du rendement thermique lorsque la centrale selon l'invention fonctionne sous basse charge. ta Figure 2 représente une centrale thermique à vapeur du type à réchauffage, récupération et condensation, constituant un autre mode de réalisation de l'invention basé sur la meme conception que la centrale illustrée sur la Figure 1, ce mode de réalisation étant également représenté par un schéma de principe. La centrale représentée sur la Figure 2 est similaire à la centrale représentée sur la Figure 1, à l'exception du fait qu'une conduite 55 branchée sur la conduite d'extraction de vapeur 48 (dans les conditions de fonctionnement å charge élevée) destinée au réchauffeur 45 d'eau d'alimentation haute pression est raccordée à une conduite d'raction de vapeur 50 destinée au réchauffeur 44 d'eau d'alimentation-haute pression, une soupape de commutation d'extraction de vapeur 56 étant montée sur la conduite de branchement 55 et une soupape de retenue 57 étant montée sur la ligne d'extraction de vapeur 50.Les soupapes de commutation d'extraction de vapeur 54 et 56 sont fermées lorsque la centrale fonctionne a charge élevée, si bien que l'extraction de vapeur est fournie au réchauffeur d'eau d'alimentation 45 par l'intermédiaire de la conduite 14 acheminant la vapeur à basse température et elle est fournie au réchauffeur d'eau d'alimentation 44 par la turbine intermédiaire 22. Inversement, les soupapes de commutation d'extraction de vapeur 54 et 56 sont ouvertes lorsque la centrale fonctionne sous basse charge.Les soupapes de retenue 53 et 57 sont automati quement fermées si bien que l'extraction de vapeur est fournie au réchauffeur 45 d'eau d'alimentation haute pression par l'étage intermédiaire de la turbine haute pression 21 et au réchauffeur 44 d'eau d'alimentation haute pression par la turbine 21, par l'intermédia ire de la conduite 14 qui achemine de la vapeur à basse température. Dans la mise en oeuvre de la présente invention(Figure 1),on peut élever de façon extraordinaire la température de l'eau d'alimentation dans le réchauffeur 45 d'eau d'alimentation haute pression. Lorsque c'est le cas, l'élévation de la température de l'eau d'alimentation dans le réchauffeur 45 d'eau d'alimentation saute pression peut etre réduite et on peut obtenir une élévation uniforme de la tempéra- ture de l'eau d'alimentation dans tous les réchauffeurs d'eau d'alimentation en fournissant la vapeur d'extraction au réchauffeur 44 d'eau d'alimentation haute pression d'une pression inférieure d'un étage par rapport à la turbine 21, grace à la conduite d'extraction de vapeur 48,dans les conditions de fonctionnement à charge élevée.Ainsi, le rendement thermique de la centrale est plus grand dans le cas du mode de réalisation représenté sur la Figure 2 que dans le cas du mode de réalisation représenté sur la Figure 1. Dans les modes de réalisation représentés sur la Figure 1 et sur la Figure 2, le réchauffeur 45 d'eau d'alimentation haute pression est raccordé aux conduites d'extraction de vapeur raccordées elles-memes à deux étages de détente de la turbine à vapeur qui ont une pression différente l'une de l'autre.L 'invention ne se limite pas à ces modes de réalisation et on peut obtenir des résultats similaires en raccordant le réchauffeur 45 d'eau d'alimentation haute pression à la conduite d'extraction de vapeur 49 qui est elle-même raccordée & le étage intermédiaire de la turbine & vapeur seule et en montant un détendeur 60 sur la ligne 49 d'extraction de vapeur, comme on le voit sur la Figure 3. Gracie & cet agencement, il est possible de réduire la pression de la vapeur d'extraction introduite dans le réchauffeur 45 d'eau d'alimentation haute pression lorsque la turbine & vapeur fonctionne sous charge élevée, tout en introduisant la vapeur d'extraction dans ce réchauffeur sans réduire sa pression lorsque la turbine & vapeur fonctionne sous basse charge, On a calculé par la méthode des essais et des erreurs l'accroissement du rendement thermique qu'on pourrait obtenir on incorporant la présente invention dans une centrale thermique & vapeur d'une puissance de l'ordre de 200.000 kilowatts.Les résultats indiquant que l'accroissement serait d'environ 0,7S dans les modes de réalisation des Figures 1 et 3 et d'environ 1,0% dans le mode de réalisation de la Figure 2, lorsque la centrale fonctionne sous une charge partielle ou sous une charge représentant moins de 85% de la charge nominale, le rendement thermique étant bien entendu comparé au rendement thermique dune centrale similaire de la technique antérieure. Dans les modes de réalisation représentés et décrits, il y a deux points de commutation d'extraction de vapeur. Toutefois, il est bien entendu que 1' invention ne se limite pas à ce nombre de points de commutation d'extraction de vapeur, et que le nombre peut être de trois ou plus. Par ailleurs, on a décrit l'invention cotte étant incorporée dans une turbine du type & réehauffage et: à condensation1 mais elle peut flturellement s'appliquer à une turbine & vapeur du type sans réchauffage ou du type à contre-pression. On peut employer diverses méthodes pour assurer la commutation entre les points d'extraction de vapeur sans pour autant s 'écarter du cadre de l'invention. Par exemple, l'opérateur peut assurer manuellement la commutation en se fiant à son jugement, ou alors la commutation peut être effectuée automatiquement par détection des conditions selon lesquelles on applique la charge. Dans le cas d'une commutation automatique, le fonctionnement peut être basé sur la détection des variations d'une quelconque quantité utilisée comme variable qui peut etre la charge de la génératrice, l'Ovapora- tion se produisant dans le générateur de vapeur1 l'eau d'alimentation, le degré d'ouverture d'une soupape de réglage de la vapeur de la turbine à vapeur1 la pression de détente de la turbine à vapeur ou la pression d'extraction de vapeur. Par exemple, on peut détecter la charge de la génératrice 23 à l'aide d'un détecteur de charge 61 qui produit des signaux de détection destinés & actionner la soupape de commutation d'extraction de vapeur 54 par l'intermé- diaire d'un circuit électrique 62. REVENDICATIONS I. Centrale thermique a vapeur du type a récupération de 1 énergie perdue sous forme de chaleur, comprenant un générateur de vapeur, une turbine a vapeur a haute pression, une turbo-gOnFratrice, un condenseur, et des réchauffeurs d'eau d'alimentation haute pression et basse pression montés en série, caractérisée en ce que le réchauffeur d'eau d'alimentation du cté haute pression est raccordé a une ou des conduites par l'intermédiaire desquelles la vapeur provenant d'un étage de détente de ladite turbine a vapeur y est introduite, et en ce qu'un moyen de régulation monté sur ladite ou lesdites conduites assure une régulation telle que lorsque ladite turbine a vapeur fonctionne sous une faible charge, la vapeur introduite dans ledit réchauffeur d'eau d'alimentation du côté haute pression se trouve a une pression et a une tempera ture qui sont identiques ou supérieures a la pression et à la température auxquelles la vapeur y est introduite lorsque ladite turbine a vapeur fonctionne sous une charge élevée. 2. Centrale thermique a vapeur du type a récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur, comprenant un générateur de vapeur, une turbine a vapeur a haute pression, une turbo-génératrice, un condenseur, des réchauffeurs d'eau d'alimentation haute pression et basse pression montés en série, caractérisée en ce que le réchauffeur d'eau d'alimentation du côté haute pression est raccordé aux conduites d'extraction de vapeur connectées elles-memes a au moins deux étages de détente de ladite turbine a vapeur ayant une pression et une température différentes, et ex. ce qu'un moyen de régulation monté sur lesdites conduites d'extraction de vapeur assure une régulation telle que la vapeur extraite de l'étage basse pression de la turbine a vapeur est introduite dans le réchauffeur d'eau d'alimentation du côté haute pression lorsque la turbine a vapeur fonctionne sous charge élevée et que la vapeur extraite de l'étage haute pression de ladite turbine a vapeur est introduite dans ledit réchauffeur d'eau d'alimentation lorsque la turbine a vapeur fonctionne sous basse charge, 3.Centrale thermique a vapeur du type a récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur, comprenant un générateur de vapeur, une turbine a vapeur a haute pression, une turbo-génératrice, un condenseur, et des réchauffeurs d'eau d'alimentation haute et basse pression montés en série, caractérisée en ce que le réchauffeur d'eau d'alimentation du o6té haute pression est raccordé a une conduite d'extraction de vapeur raccordée elle-mem & un étage de détente haute pression de ladite turbine à vapeur, si bien que la vapeur extraite est introduite dans le réchauffeur d'eau d'alimentation du côté haute pression sous une pression réduite lorsque la turbine à vapeur fonctionne sous une charge élevée et que la vapeur extraite peut etre introduite dans ledit réchauffeur d'eau d'alimentation sans que sa pression se trouve sensiblement réduite lorsque la turbine à vapeur fonctionne sous une basse charge.