Brevet FR2321588A1 — publié le 19770318

L'invention se rapporte à une centrale à vapeur comprenant une chaudière à foyer sous pression équipée d'un groupe de suralimentation comprenant un turbo-compresseur de refoulement de l'air comburant et une turbine montée sur le circuit des gaz à la sortie de la chaudière, ce groupe de suralimentation fonctionnant sous pression élevée, n'abandonnant aucune puissance à l'extérieur mais n'en prélevant pas non plus sur l'extérieur et le régulateur de vapeur vive assurant la régulation d'une part du débit de combustible par un système hydraulique ou électrique et d'autre -part affectant le débit nécessaire d'air au débit réglé de combustible par régulation du groupe de suralimentation. Les chaudières à vapeur à foyer sous pression et destinées aux centrales correspondantes sont connues depuis longtemps sous le nom de "chaudières Velox" et sont utilisees très généralement. La chaudière comporte un groupe de suralimentation dont un turbo-compresseur, en- général, un compresseur axial, porte l'air comburant à la pression de la chambre de combustion et les gaz de combustion qui quittent la chaudière sont détendus dans une turbine qui commande le compresseur. Ces installations sont en particulier intéressantes lorsque la pression de la chambre de combustion dépasse 9 bars et que la turbine entraîne uniquement le compresseur, de la manière indiquée dans le brevet suisse nO 552 770. Dans ce cas, d'une part les dimensions de la chaudière sont petites, car la pression élevée a pour conséquence que le volume du gaz est faible et de plus les transferts de chaleur sont intensifs, et d'autre part, les températures des gaz d'échappement de la turbine sont basses, car la température d'entrée dans cette dernière est aussi basse et le gradient de détente est élevé, de sorte qu'aucune surface de chauffe n'est nécessaire en aval de cette turbine. Le domaine d'application de ce type de conception est toutefois limité, car le turbo-compresseur n'a qu'une plage étroite de travail et parvient rapidement dans le domaine d'instabilité lors de la chute de sa vitesse. La limite de pompage est atteinte lorsque la vitesse est tombée à 90% de la vitesse nominale. Cette insuffisance peut certes être compensée par des fentes d'échappement situées entre les ailettes directrices, mais cette précaution est loin de suffire aux pressions élevées pour permettre d'obtenir des bons rendements aux charges partielles. L'invention a pour objet une centrale à vapeur du type mentionné dans laquelle le groupe de suralimentation a aussi un bon rendement aux charges partielles sous.pressionsélevées. Selon une particularité essentielle de l'invention, le régulateur de vapeur vive procède au réglage du groupe de suralimentation à charge décroissante en faisant d'abord descendre sa vitesse jusqu'à une valeur prédéterminée, puis en réglant la position des ailettes du turbo-compresseur à vitesse maintenue constante, et, lorsque la charge monte, il remet d'abord les ailettes en position initiale puis fait remonter la vitesse du groupe de suralimentation. La réduction de la vitesse a pour conséquence que les gradients s'écartent moins-dans la turbine à gaz des valeurs caractéristiques optimales et donc que celles-ci chutent moins fortement lorsque par la suite les ailettes du compresseur subissent un réglage de position. La réduction ainsi obtenue du débit d'air comburant améliore la rentabilité de la centrale aux charges partielles. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est un schéma d'une centrale à vapeur conforme à l'invention. La centrale se compose essentiellement d'une turbine à vapeur haute pression 1 et d'une turbine à vapeur basse pression 2 qui commandent ensemble une génératrice électrique 3, ainsi que d'un condenseur 4, d'une pompe 5 de condensat et de la chaudière 6. Un groupe de suralimentation de la chaudière destiné à mettre son circuit de gaz à la pression voulue se compose essentiellement d'un turbo-compresseur 7, d'une turbine à gaz 8, d'un moteur de lancement 9 et d'un embrayage hydraulique 10. Tous les composants du groupe de suralimentation sont sur le même arbre. Les éléments qui ont leur importance dans le cadre de l'invention pour le réglage de la centrale sont les suivants : le régulateur 12 commandé par la pression ou par le débit de la vapeur vive dans le conduit 11 commande de son côté le débit de sortie 13 d'huile sous pression du conduit 14 du circuit primaire alimenté en 15 par l'intermédiaire d'un étrangleur 16.Un servo-moteur 17 relié au conduit 14 d'huile règle l'arrivée de combustible (non représentée) aux gicleurs 18 de la chaudiere, ce conduit étant par ailleurs relié à un servo-moteur 26 qui règle la position des ailettes directrices 27 du turbo-compresseur 7 ainsi qu' un servo-moteur 19 qui règle la position du boisseau 20 du régulateur 21 à force centrifuge du groupe de suralimentation en faisant varier par le débit de sortie 22 la pression de commande dans le conduit 23 d'huile sous pression du circuit secondaire.Le conduit 23 est alimenté en 24 parl'intermé- diaire d'un étranglement 25 et aboutit à un servo-moteur 28 qui manoeuvre une soupape 29 qui commande la section de passage d'une dérivation 30 du circuit des gaz de la partie 31 de la chaudière.La commande à huile sous pression pourrait aussi être remplacée par une commande électrique assumant les mimes fonctions. Les différents éléments coopèrent et la centrale est réglée de la manière suivante le turbo-compresseur 7 porte l'air comburant à pleine charge à au moins 9 bars et donc il subit une éleva- tion de température à environ 3300C, ce qui facilite la combustion de l'huile lourde. La chaudière 6 est calculée de manière que la température des gaz soit d'environ 430 C à la sortie, cette température étant aussi celle d'entrée dans la turbine à gaz 8. Le rapport élevé de compression permet à la température des gaz sortant de la turbine et donc passant dans la cheminée de n'être que de 1500C.La perte par les gaz d'échappement est donc très faible et permet d'éviter les surfaces volumineuses de récupération de chaleur Le turbo-compresseur ne comporte aucun refroidissement et donc l'eau d'alimentation ne doit être réchauffée ni par l'air comprimé ni par les gaz d'échappement, ce qui permet le réchauffage optimal par prise de vapeur. La température est maintenue en amont de la turbine à gaz par réglage qui sera décrit plus bas de manière que cette turbine soit juste à même de commander le turbocompresseur du groupe de suralimentation. Ainsi, à l'exception des pertes dans les paliers et par rayonnement, la totalité de la chaleur produisant le travail de détente dans la turbine à gaz est transférée sous forme d'énergie au compresseur, de sorte que le groupe de suralimentation produit l'effet du réchauffeur d'air par les gaz d'échappement néces saire dans les centrales connues. Mais il produit en plus une pression élevée et réduit ainsi la surface de chauffe de la chaudière à une fraction de celle d'une chaudière qui n'est pas suralimentée. Le régulateur 21 à force centrifuge maintient la vitesse à une valeur constante dans les limites de ses fluctuations, par exemple en provoquant la fermeture de la sortie du boisseau 20 par les piston de commande lorsque la vitesse du groupe de suralimentation chute et donc en provoquant l'ouverture de la soupape 29 de dérivation par le conduit 23 d'huile sous pression du circuit secondaire et par le servo-moteur 28 En conséquence, la température monte en amont de la turbine à gaz 8 et la vitesse du groupe de suralimentation est maintenue dans les limites des fluctuations du régulateur. I1 faut séparer le moteur de lancement 9 du groupe de suralimentation en desserrant l'embrayage 10, puis le mettre -à l'arrêt dès que la vitesse nécessaire à l'équilibre entre la puissance absorbée par le compresseur et celle qui est apportée par la turbine à gaz est atteinte après allumage de la chambre de combustion pour pouvoir réduire la vitesse du groupe de suralimentation en charge partielle -avec l'avantage que le débit d'air comburant peut toujours être adapté à la charge de la chaudière et donc au débit de combustible Le groupe est alors laissé à lui-même et soumis à la régulation installée.Le règlage de la position des ailettes directrices du compresseur, qui a lieu par la suite, permet de réduire le débit d'air comburant à environ 55%, de sorte que l'excès d'air peut être maintenu à une valeur pratiquement constante dans la chaudière à vapeur entre la pleine charge et la demi-charge, ce facteur étant très important pour la propreté de la combustion et la réduction de la pollution de l'ambiance. Lorsque par exemple la pression de la vapeur vive monte alors que la centrale est presque à pleine charge,parce qu'urne réduction de la puissance absorbée provoque une diminution du débit de vapeur consommée par le groupe à turbine, le régulateur 12 ouvre la décharge 13 du conduit 14 d'huile sous pression. En conséquence, la pression tombe dans le système primaire et le servo-moteur 17 provoque la fermeture des gicleurs 18 de combustible de la chaudière à vapeur. Le servo-moteur 19 déplace simultanément le boisseau 20 du régulateur 21 à force centrifuge en ouvrant la décharge 22 et donc en faisant descendre la pression de commande de l'huile dans le conduit 23 du système secondaire indépendant. I1 en résulte que le servo-moteur 28 ferme la soupape 29 et donc la dérivation 30 du circuit de gaz de la chaudière. En conséquence, la température baisse en amont de la turbine à gaz et donc la vitesse du groupe de suralimentation et le débit de l'air comburant nécessaire s'adapte au nouveau débit plus faible de combustible. Lorsque la puissance absorbée et donc la pression dans le système primaire continuent de baisser, le piston de commande du servo-moteur 19 ne peut se déplacer que jusqu'à la butée 32. Le boisseau 20 a atteint alors sa position la plus basse et la vitesse du groupe de suralimentation ne peut plus continuer de descendre. Un dimensionnement convenable des forces des ressorts permet au servo-moteur 26 de n'être manoeuvré qu'au moment où le piston du servo-moteur 19 a atteint sa position extrême. Lorsque la pression continue alors de descendre dans le conduit 14, la position du piston du servo-moteur 19 ne change plus, comme mentionné plus haut, mais par contre le piston du servo-moteur 26 se déplace et règle la position des ailettes directrices 27 du compresseur 7 jusqu'au moment où ce piston atteint la limite de régulation en s'appliquant contre la butée 33. En cas de chute momentanée de la pression de la vapeur vive, c' est-à-dire lors d'une élévation de la charge, le processus de régulation est le même, mais en sens inverse. Le premier réglage est celui de la position des ailettes directrices du compresseur et ensuite seulement la vitesse du groupe de suralimentation monte. La vitesse du groupe de suralimentation atteint la limite inférieure à environ 90% de la charge nominale dans le processus décrit de régulation. Elle reste constante à partir de ce régime auquel débute le réglage angulaire des ailettes du turbo-compresseur. Ce réglage atteint aussi sa limite à environ 5A de la charge nominale. A partir de ce régime, le débit d'air demeure constant et en conséquence la poursuite de la diminution du débit de combustible a pour corollaire une augmentation de l'excès d'air. La démarche consistant à régler d'abord la position des ailettes du compresseur et ensuite seulement à faire baisser la vitesse lors d'une diminution de la charge serait erronée, car alors la plage du faible rendement en fonction des gradients dans la turbine à gaz serait atteint dès le début. De meme, le réglage de la position des ailettes effectué simultanément avec une diminution de la vitesse donnerait de moins bons résultats que le mode de réglage décrit. Par contre, il serait assez avantageux de régler non seulement la position des ailettes directrices 27, mais aussi celle des ailettes mobiles 34 du compresseur 7 et même aussi les ailettes de la turbine, mais en contrepartie, la mécanique en deviendrait très compliquée. I1 va de soi que la centrale décrite et représentée peut subir diverses autres modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS I. Centrale à vapeur comprenant une chaudière à foyer sous pression équipée d'un groupe de suralimentation comportant un turbo-compresseur de refoulement de l'air comburant ainsi qu'une turbine montée sur le circuit de sortie des gaz de la chaudière, ledit groupe de suralimentation fonctionnant sous rapport élevé de compression et n'abandonnant aucune énergie de l'extérieur, mais n'en absorbant pas non plus, et le régulateur de vapeur vive assurant la régulation, au moyen d'un système hydraulique ou électrique, d'une part du débit de combustible et d'autre part du débit d'air nécessaire à ce débit réglé de combustible par régulation du groupe de suralimentation, ladite centrale étant caractérisée en ce que le régulateur de vapeur vive procède au réglage du groupe de suralimentation à charge décroissante en faisant d'abord baisser la vitesse de ce groupe jusqu'à une valeur prédéterminée, puis en réglant la position des ailettes du turbo-compresseur en maintenant la vitesse à une valeur constante et ce régulateur commence par remettre les ailettes en position initiale et fait ensuite seulement monter la vitesse du groupe de suralimentation lors de l'augmentation de la charge imposée à la centrale. 2. Centrale à vapeur selon la revendication 1, caractérisée en ce que seules les ailettes directrices du turbo-compresseur sont réglables. 3. Centrale à vapeur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ailettes directrices ainsi que les ailettes mobiles du turbo-compresseur sont réglables. 4. Centrale à vapeur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ailettes directrices de la turbine à gaz sont réglables.