Brevet FR2384951A1 — publié le 19781020

La présente invention est relative à une centrale à turbine à gaz comprenant un compresseur ayant un étage basse pression et unétage haute pression, une chambre de combustion et une turbine ayant un étage haute pression et un étage basse pression, l'étage basse pression de la turbine entraînant l'étage basse pression du compresseur par l'intermédiaire dlun premier arbre, tandis que l'étage haute pression de la turbine entraine l'étage haute pression du compresseur par l'intermédiaire a d1un second arbre et fournit l'énergie de sortie à la centrale. La construction d'une centrale à turbine à gaz exige d'effectuer un grand nombre de choix. Parmi ceux-ci, il convient de déterminer le nombre d'étages du compresseur et de la turbine, ainsi que la répartition de ces étages et de la puissance de sortie sur un ou plusieurs arbres. Il fautdécider de l'utilisation des refroidisseurs et des échangeurs de chaleur en divers endroits de la centrale. En outre, il faut choisir Iléquipement de commande et - de régulation et, plus particulièrement, quels sont les dispositifs de commande et de régulation qui doivent être utilisés, telles que les valves pour le combustible, les aubes directrices tournantes ou les valves pour l'air et pour le gaz, etc.Enfin, il faut fixer les principes de la commande et de la régulation, avec prise en considération de paramètres extérieurs tels que la température, la force de succion ou le refroidissement. Ces paramètres varient souvent beaucoup et ne peuvent pas être modifiés,sinon par un équipement coûteux et compliqué. Dans les gammes d'énergie ot la turbine à gaz est utilisée en pratique, de préférencegdans des gammes de basse puissance, par exemple pour faire-fonctionner un véhicule, et dans des gammes de puissance moyenne pour constituer une réserve d'energie ou pour une charge de pointe, on a déjà effectué un certain nombre d'études et d'expériences afin de déterminer les coûts de l'installation, le rendement, etc. Pour des-grandes puissances d'environ 100 MW et davantage, on n'a fait jusqutici que des travaux purement théoriques qui n'ont pas donné des principes directeurs parfaitement clairs sur les choix qui doivent être effectués.La plus grande difficulté à cet égard est le grand nombre de possi bilités, chacune d'entre elles nécessitant des calculs apurofondîs et des expériences afin de~déterminer ce qui est possible ou ce qui peut être appliqué en pratique. Même avec l'aide de calculatrices, ce travail devient de plus en plus compliqué et prend beaucoup de temps. Réaliser les installations sur la base d'expériences effectuées sur des turbines à gaz n2 est pas possible sans prendre certaines mesures, puisque les installations connues, lorsqu'elles sont agrandies, donnent normalement des résultats déraisonnables, que ce soit pour ce qui concerne les dimensions, le rendement ou l'économie. Suivant l'invention, l'étage basse pression de la turbine est muni d'aubes directrices tournantes et de moyens pour commander la vitesse de l'étage basse pression de la turbine, un refroidisseur intermédiaire étant prévu entre l'étage basse pression du compresseur et l'étage haute pression du compresseur. Ainsi, outre la régulation de l'alimentation en combustible de la chambre de combustion, il est proposé suivant l'invention de munir l'étage basse pression d'aubes directrices pouvant tourner de manière à accomplir une régulation stable et rapide, non seulement pour ce qui concerne la charge, mais également pour ce qui concerne les circonstances extérieures. En outre, la centrale suivant l'invention est munie d'un refroidisseur intermédiaire entre ltétage basse pression et l'étage haute pression du compresseur de manière à obtenir un bon rendement. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple la figure 1 représente une centrale à turbine à gaz suivant l'invention, tandis que les figures 2 et 3 représentent des circuits de régulation de la centrale. La figure 1 représente une centrale à turbine à gaz ayant des compresseurs basse pression LK et haute pression HK respectivement et des turbines haute pression HT et basse pression LT respectivement, chacune d'entre elles entrainant un compresseur. En outre, la turbine haute pression entraîne un générateur g pour fournir une puissance de sortie. La centrale est munie d'une chambre B de combustion interposée entre le compresseur haute pression et la turbine haute pression. Pour diminuer le travail du compresseur haute pression, un refroidisseur M intermédiaire est interposé entre les deux compresseurs ou étages. On peut encore améliorer le rendement en prévoyant un échangeur R de chaleur entre la sortie de la turbine basse pression et la sortie du compresseur haute pression. Pour régler la vitesse de rotation de la turbine basse pression, et donc la puissance du compresseur basse pression, la turbine basse pression est-munie d'aubes directrices qui peuvent tourner. Cette régulation sera expliquée davantage lors de la description de la figure 3. La figure 2 illustre la régulation d'une valve BV pour le combustible de la chambre B.de combustion à l'aide d'un régulateur BR pour le combustible, à l'entrée duquel on fixe une valeur TB désirée pour la température, la température tB de la chambre de combustion étant mesurée dans celle-ci. La température TB est choisie normalement la plus élevée possible, ce qui, actuellement, signifie d'environ 800 à 9000C, donnant ainsi le meilleur rendement pour une charge variable. Mais on peut faire en sorte que la température TB dépende quelque peu de la charge. La figure 3 illustre la régulation par des aubes directrices. La quantité d'air nécessaire à la centrale est déterminée par la puissance No requise et est obtenue en réglant la vitesse du compresseur basse pression. Cette valeur No de référence est donc donnée au régulateur RE de puissance, auquel est fournie également la valeur N réelle de la puissance fournie par le générateur g. La valeur TB de la température de la chambre de combustion peut également être fournie au régulateur de puissance. Au lieu de la puissance désirée, le régulateur peut contrôler toutes fréquences ou vitesses de rotation souhaitées. Le signal provenant de RE est fourni sous la forme d'une valeur nO désirée au régulateur Rn de vitesse qui ajuste l'angle a d'entrée des aubes V directrices à laide d'un servomécanisme. De même, la valeur n de la vitesse réelle du compresseur LT basse pression est fournie au régulateur Rn, cette valeur provenant d'un tachymètre Tg. Si la puissance demandée augmente, l'angle a augmente le débit de gaz allant à la turbine basse pression devient plus tangentiel, cependant que le débit de gaz augmente en raison de l'étranglement. Ceci augmente la vitesse'due la turbine basse pression et la quantité dlair aspirée dans celle-ci et donc la puissance de sortie de toute la centrale, puisque l'augmentation de la quantité d'air pour une température TB constante exige davantage de combustible. Le réglage des aubes V directrices provoque donc une régulation rapide et stable de la puissance de la turbine Si la température To de l'air qui entre dans la turbine basse pression augmente, la quantité flair arrivant diminue.Ainsi le volume total d'air ou de gaz qui traverse la centrale est diminuée, ce qui diminue également la quantité de gaz allant à la turbine basse pression, réduisant ainsi la puissance de sortie de celle-ci. Ceci signifie que la vitesse du compresseur basse pression s'abaisse si bien que-la quantité d'air diminue davantage. I1 s'instaure un processus cumulatif et, suivant les calculs ef fectués,~une augmentation de temperature de 15 de l'air extérieur provoque une diminution de plus de moitié de la puissance de sortie fournie par la centrale. Pour la raison mentionnée ci-dessus, suivant l'invention, le signal provenant de RE est complété par un signal qui dépend de la température To de l'air, de sorte qu'une augmentation de cette température provoque une diminution de la vitesse de la turbine basse pression, si bien que le compresseur basse pression fournit la quantité flair nécessaire indépendamment de la température de l'air. En outre, on mesure la température Tv, d'entrée de l'eau de refroidissement dans le refroidisseur M intermédiaire et on ajoute un signal correspondant au signal provenant de RE. Comme llaugmentatson de la température de 1' eau implique une augmenta tion- du travail spécifique du compresseur basse pression, ceci dit être compensé par un travail plus grand fourni par la turbine basse pression Une augmentation de la température Tv de l'eau donnera donc un signal qui s'ajoutera au signal d'entrée sur le régulateur Rn, de manière à augmenter la vitesse de la turbine basse pression, La combinaison du refroidisseur M intermédiaire et des aubes V directrices qui peuvent tourner permet ainsi de réguler d'une manière stable la centrale dans toutes les conditions. Avan-tageusement ltechangeur (R) de chaleur est chauffé par la sortie de la turbine basse pression (LT). REVENDICATIONS 1. Centrale à turbine à gaz comprenant un compresseur ayant un étage basse pression (LK) et un étage haute pression (HK), une chambre (3) de combustion et une turbine ayant un étage haute pression (HT) et un étage basse pression (LT), l'étage basse pression de la turbine entraînant l'étage basse pression du compresseur à l'aide dlun premier arbre, tandis que l'étage haute pression de la turbine entraîne l'étage haute pression du compresseur à l'aide d'un second arbre et fournit une puissance (g) de sortie pour la centrale, caractérisée en ce que l'étage basse pression (LT) de la turbine est muni daubes (V) directrices pouvant tourner et d'un moyen (S) pour commander la vitesse de l'éta- ge basse pression de la turbine, un refroidisseur (M) intermédiaire étant interposé entre l'étage basse pression (LK) du compresseur et l'étage haute pression (HK) du compresseur. 2. Centrale suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'un échangeur (R) de chaleur chauffé par la sortie de l'éta- ge basse pression (LT) de la turbine est interposé entre l'étage haute pression (HK) du compresseur et la chambre (B) de combustion. 3. Centrale suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen (S) de commande des aubes tV) directrices sur l'étage basse pression (LT) de la turbine est commandé en fonction de la puissance (No) de sortie désirée pour la centrale et de la température (TB) d'entre désirée sur l'étage haute pression de la turbine, ces paramètres déterminant, à leur tour, en fonction des températures réelles (To et Tv, respectivement) d'entrée de l'air dans étage basse pression du compresseur et d'entrée de l'eau de refroidissement dans le refroidisseur intermédiaire, la vitesse (nO) nécessaire pour l'étage basse pression (LIT) du compresseur