Brevet FR2317513A1 — publié le 19770204

La présente invention concerne d'une façon générale des dispositifs à turbines à gaz et plus particulièrement un dispositif à turbine à récupération de l'énergie des gaz qui comprend une turbine à plusieurs étages, capable de récupérer la plus grande partie possible de l'énergie emmagasinée dans les gaz d'échappement d'une installation telle qutun haut fourneau, un four à réaction ou autre installation du même type. Jusqu' présent nn dispositif à turbine typique récupérant l'énergie des gaz, par exemple une turbine Q deux étages, était construite de façon à ce que les gaz d'échappement arrivant d'une installation telle qu'un haut fourneausoient introduits successivement dans le premier et le second étage de la turbine, afin de récupérer dans ces étages l'énergie emmagasinée dans les gaz et à ce que les gaz d'échappement de la turbine soient envoyés â un appareil placé en aval, par exemple un récupérateur de poussières. Dans le montage décrit ci-dessus, le débit du dispo site! de turbine, tiré de l'énergie récupérée varie suivant la quantité des gaz d'échappement introduits dans la turbine, quantité qui varie à son tour en fonction du rapport entre les pressions à l'admission et à la sortie de la turbine, et aussi de la température d'admissionO Lorsqu'on fait travailler un haut fourneau ou un four à réaction à une pression inférieare A une pression définie, la pression des gaz d'échappement est réduite à l'entrée de la turbine.Comme la pression de sortie de la turbine est sensiblement maintenue & une valeur constante, voisine de la pression atmosphérique, le rapport entre les pressions d'entrée et de sortie de la turbine dini- nue quand on baisse la pression d'entrée. La réduction du rapport des pressions réduit å son tour la quantité des gaz d'échappement introduits dans la turbine car la section droite utile de la zone de travail qui crée la force d'entratnement de la turbine est sensiblement constante. C'est pourquoi, la réduction de la pression de travail du four provoque une réduction substantielle de l'énergie récupérée par la turbine, une telle caractéristique constitue un handicap pour la turbine à récupération de l'énergie des gaz. Un premier objet de l'invention consiste å proposer une turbine à récupération de l'énergie des gaz comprenant une turbine à plusieurs étages qui assure toujours la récupération de la plus grande quantité possible d'énergie en fonction des conditions d'exploitation du haut fourneau ou autre installation. Selon l'invention, on propose un dispositif à turbine à récupération de l'énergie des gaz comprenant une turbine, ayant plusieurs étages, entratnée par les gaz d'échappement d'un haut fourneau ou autre- installation afin de récupérer l'énergie des gaz, ce dispositif comprenant un conduit en dérivation, dont l'extrémité amont est reliée à la sortie d'un étage de la turbine, et qui passe en dérivation par rapport à l'étage ou aux étages suivant(s) de la turbine pour Qtre relié directement au cgté sortie du dernier étage de la turbine, et une soupape inverseuse associée au conduit de dérivation pour diriger les gaz d'échappement, de ce premier étage de la turbine à l'étage suivant et/ou au conduit de dérivation en fonction des conditions de fonctionnenent dp haut fourneau. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple, aux dessins annexés. La fig 1 est un schéma représentant un dispositif à turbine à récupération de l'énergie des gaz, suivant l'invention, inclus dans un appareillage de traitement des gaz d'échappement d'un haut fourneau. La fig. 2 est une vue représentant à plus grande échelle, la partie principale du dispositif à turbine à récu- pération de l'énergie des gaz suivant l'invention La fig. 3 est une vue encore à plus grande échelle, en coupe verticale, représentant la soupape inverseuse utilisée dans le dispositif. La fig. 4 est une représentation graphique des caractéristiques de sortie du dispositif à turbine â récupération de l'énergie des gaz suivant l'invention. En se référant maintenant à la Zig.1, on peut voir une forme préférée du dispositif à turbine à récupération de l'énergie des gaz, suivant l'invention, appliquée à une installation de traitement des gaz d'un haut fourneau dans lequel les gaz produits dans un haut fourneau 3 sont débarrassés de la poussière et refroidis par un récupérateur 4 et un épurateur à venturi 5, ou autre, ces gaz passent ensuite par une vanne à cloisonnement 6 et une turbine il à récupération de énergie des gaz, montées en parallèle, vers un collecteur électrique de poussière 15. il est connu qu'un ventilateur de haut fourneau et une étuve à courant chaud 2 sont encore installés pour fournir de l'air chaud au haut fourneau 3;;une vanne papillon 7, une vanne à boulet 8, une vanne principale de blocage 9, et une vanne régulatrice 10 sont montées en série, dans cet ordre, entre l'épurateur à Venturi 5 et l1admission de la turbine à récupération d'énergie 11;une vanne à boulet 12 et une vanne papillon 13 sont montées en série, dans cet ordre, entre le collecteur de poussière 15 et la sortie de la turbine à récupération d'énergie Il qui est couplée au générateur électrique 14. La turbine 71 comprend un premier étage 11a et un second étage llb. A la fig. 2, une partie importante du dispositif à turbine à récupération de l'énergie des gaz, suivant l'invention, est représentée en détail. Le premier étage lia de la turbine il a une entrée 26 et une sortie 27 qui est branchée par 1 'intermé- diaire d'un conduit 23 à une entrée 28 du second étage 11b de la turbine 11. Le second étage 11b de la turbine a une sortie 29 reliée à un conduit de sortie 31, ayant une vanne de sortie 30. Le conduit intermédiaire 23 comprend une vanne inverseuse 25 à partir de laquelle un conduit en dérivation 24 se prolonge jusqu'au conduit 31. La vanne inverseuse 25 est représentée à plus grande échelle à la fig. 3. La vanne 25 est constituée par un clapet plat 44 dont la forme est choisie pour présenter la moindre résistance possible à l'écoulement des gaz, cette vanne est supportée par un axe de vanne 45 de façon que le clapet plat 44 puisse basculer autour de l'axe de soupape 45 manuellement ou grâce à un mécanisme d'entratnement d'un angle inférieur à 1800 de la mEme manière qu'unie vanne papillon. Lors du fonctionnement normal de ce dispositif, les gaz d'échappement du haut fourneau 3 pénètrent par la vanne principale de blocage 9 et la vanne régulatrice 10 dans I 'en- trée 26 du premier étage lia de la turbine 11. Les gaz passent ensuite par la sortie 27 du premier étage lia de la turbine, le conduit intermédiaire 23, et l'entrée 28 du second étage 11b de la turbineS puis arrivent, par la sortie 29 du second étage lit et la vanne de sortie 30, au collecteur électrique de poussières 15. Lorsque le haut fourneau fonctionne sous la pression normale et que la turbine à récupération d'énergie Il fonctionne dans des conditions normales, le clapet plat 44 est dans la position X de façon que les gaz puissent traverser le conduit intermédiaire 23 depuis son extrémité 41 reliée à la sortie 27 du premier étage de la turbine Jusqutà son autre extrémité 42S qui est reliée à l'entrée 28 du second étage de la turbine. Mais, lorsque le dispositif à turbine à récupération d'énergie fonctionne sous basse pression parce que le haut fourneau fonctionne lui-m8me sous basse pression, le second étage 11b de la turbine est supprimé. Dans ce but, le clapet plat 44 de la vanne inverseuse 25 est placé en position y, de façon à ce que les gaz pénétrant dans le conduit 23 soient orientés vers une entrée 43 du conduit de dérivation 24. Le clapet plat 44 peut Autre placé en une position Z ou en toute autre position intermédiaire entre les positions y et Z de façon à diriger les gaz pénétrant par l'entrée 41 du conduit intermédiaire 23 soit vers l'extrémité de sortie 42 du conduit 23 soit vers l'ouverture 43, reliée alx conduit de dérivation 24. En se référant à la fig.4, Qai représente la relation entre la sortie H de la turbine Il et le débit q des gaz d'échappement qui traversent la turbine, en utilisant comme paramètres les pressions d'entrée P de la turbine, on peut voir une zone hachurée à l'intérieur de laquelle la turbine 11 à récupération d'énergie peut fonctionner. La courbe À -représente la caractéristique de la puissance de sortie de la turbine quandles-deus étages sont en service.On a supposé que la turbine était étudiée pour fonctionner avec un niveau de sortie R1 lorsque la pression d'admission dans la turbine est P1 et le débit des gaz d'échappement traversant la turbine est égal à 9 . D P désigne le point de sortie maximale. La courbe B, indique d'autre part, la caractéristique de sortie de la même turbine quand seul le premier étage est en service. Dans le cas où les deux targes de la turbine fonctionnent avec une pression d'admission P2 qui est inférieure à une pression prescrite P3, l'écoulement des gaz dans la turbine et la puissance dOlivrée par la turbine sont respectivement ramenés à 6 et 112. Mais si la même turbine fonctionne avec un seul étage, comme l'indique la courbe B, et sous la pression d'admission P2, comme indiqué ci-dessus, le débit de gaz est porté à Q3 par suite de l'augmentation du rapport des pressions, et la puissance ddlivrée par la turbine est portée à H2'. il apparat donc qu'en faisant fonctionner la turbine à deux étages en turbine à un seul étage, la puissance délivrée peut augmenter d'une quantité n ' 112 Si d'autre part la turbine fonctionne en turbine à deux étages avec une faible pression d'entrée, le débit des gaz d'échappement qui traverse la turbine est faible et par conséquent une partie importante des gaz d'échappement provenant du haut fourneau ou du four à réaction doit nécessairement passer par la dérivation prévue en parallèle sur le dispositif à turbine à récupération d'énergie, sans possibilité de récupération complète de l'énergie des gaz. Il apparat donc que ce procédé n'est pas économique. Bien que l'on ait décrit ci-dessus un dispositif à récupération d'énergie appliqué à un haut fourneau, il est évident que l'invention peut s'appliquer à n'importe quel four à réaction ou autre installation qui produit des gaz chauds. Suivant l'invention, on utilise la même turbine qui comprend plusieurs étages, de différentes manières suivant les conditions de fonctionnement du haut fourneau ou du four à réaction afin de récupérer l'énergie des gaz de façon efficace. REVENDICATIONS 7 -. Dispositif à turbine à récupération de l'énergie des gaz constitué par une turbine à plusieurs étages 11a , 11b entratnée par les gaz d'échappement d'un haut fourneau ou autre installation du même type pour récupérer énergie de ces gaz, caractérisée en ce que le dispositif comprend un conduit de dérivation 24 dont l1extrémité amont est reliée à la sortie du premier étage 11a de la turbine Il et qui passe en dérivation par rapport à l'étage ou aux étages suivant(s) de la-turbine pour outre relié directenent à la sortie de lXé- tage final de la turbine et une vanne inverseuse 15, associée au conduit de dérivation 24, pour diriger les gaz d'échappement, depuis le premier étage lia de la turbine Jusqu'à l'étage suivant 11b de la turbine et/ou au conduit de dérivation 24 suivant les conditions de fonctionnement du haut fourneau. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit de dérivation 24 est branché sur un conduit intermédiaire 23 reliant la sortie 27 d'un étage 11a de la turbine à l'entrée 28 de l'étage 11b de la turbine directement placé après cet étage. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la vanne inverseuse 25 est montée à l'extrémit amont du conduit de dérivation 24 et est reliée au conduit intermédiaire 23. 4 - Dispositif suivant la revendieaticn 3, caractérisé en ce que la vanne inverseuse 25 est constituée par un clapet plat 44 pouvant pivoter pour passer d'une position dans laquelle i1 ferme complètement l'extrémité amont du conduit de dérivation 24 et ouvre le conduit intermédiaire 23 puis passer dans une autre position dans laquelle il ferme conpltement le conduit intermédiaire 23 et ouvre le conduit de dérivation 24 jusqu'à un troisième état dans lequel il ouvre à la fois le conduit intermédiaire et le conduit en dérivation 23 ou 24.