Brevet FR2483514A1 — publié le 19811204

La présente invention concerne, en général, des centrales de -production d'énergie à cycles coabinés et, plus particulièrement, un perfectionnement apporté dans l'agencement des cycles pour op- timiser le rendement de la centrale et fournir une adaptabili- té à des combustibles de turbine à gaz ayant une teneur en soufre variable. Une centrale de production d'énergie à cycles combinés utilise, en combinaison, une turbine à gaz et une turbine à vapeur pour produire de l'énergie, classiquement, de l'énergie électrique. La centrale est agencée de sorte que la turbine à gaz soit thermiquement reliée à la turbine à vapeur au moyen d'un géné- rateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC). Le GVRC est un échangeur de chaleur sans contact qui permet à l'eau alimentaire du processus de génération de vapeur d'être chauf- fée par les gaz d'échappement, autrement inutilisés, de la turbine à gaz. Le GVRC est une grande cheminée dans laquelle sont interposés des faisceaux de tubes grâce auxquels l'eau est chauffée et transformée en vapeur lorsque les gaz d'échap- pement traversent la cheminée. Le rendement principal de cet agencement à cycles combinés est, bien évidemment, dé à l'u- tilisation des gaz d'échappement de la turbine à gaz qui se- raient autrement perdus. Un paramètre clé de l'optimisation du rendement de cycles combinés est que le rendement le plus élevé s'obtient avec la température la plus basse des gaz d'échappement à l'extrémité de la cheminée. La limite inférieure de la température des gaz de la cheminée est généralement proscrite par la teneur en soufre du combustible de la turbine à gaz. Ceci est du au fait que les composés soufrés se condensent sur les faisceaux de tubes à certaines températures relativement basses provo- quant une corrosion sévère des faisceaux de tubes. Il est éga- lement connu que le point de rosée des composés soufrés corro- sifs s'accroît avec l'accroissement de la concentration en sou- fre dans le combustible. Le procédé classique d'optimisation du rendement d'une centrale à cycles combinés consiste à concevoir le GVRC et le système de vapeur pour qu'ils fonctionnent avec une températu- re de gaz dans la cheminée qui empêche la corrosion superfi- cielle par transfert de chaleur à basse température compati- ble avec le niveau le plus élevé de la teneur en soufre dans le combustible devant être brûlé dans l'application particu- lière. Si l'on fait brûler du combustible ayant une teneur plus faible en soufre, on ne peut pas abaisser la température du gaz de cheminée du GVRC pour améliorer le rendement bien que la concentration en composés soufrés l'aurait permis. In- versement, si l'on concevait le GVRC avec une température de gaz de cheminée en accord avec la plus faible teneur en soufre attendue du combustible, on améliorerait le rendement de la centrale; cependant, la surface de transfert thermique du GVRC subirait une corrosion si on brûlait du combustible à teneur plus élevée en soufre. Le GVRC comprend plusieurs faisceaux de tubes reliés entre eux qui constituent de haut en bas, un économiseur basse pression, un économiseur haute pression, un évaporateur et un surchauffeur. Le processus d'échange thermique du GVRC est un processus à contre-courant en ce sens que la température des gaz chauds d'échappement diminue lorsqu'ils s'élèvent dans la cheminée tandis que la température du mélange eau-vapeur dans les tubes s'accroît lorsqu'il descend à l'encontre du flux montant des gaz chauds d'échappement. Dans l'agencement ci-dessus, puisque le paramètre criti- que est la température la plus basse, alors la zone o la condensation aura le plus probablement lieu est l'économiseur basse pression au sommet de la cheminée par o l'eau alimen- taire entre dans le CVRC et les gaz chauds sortent du GVRC après s'être écoulés à travers les faisceauxdetubes de l'échan- geur de chaleur et y avoir cédé leur énergie thermique. Il est maintenant plus ou moins classique d'utiliser un disposi- tif de conditionnement de l'eau alimentaire afin d'enlever l'oxygène de l'eau alimentaire et ainsi réduire sa tendance à rouiller les tuyauteries d'eau. On peut aussi utiliser un ré- servoir-de détente en combinaison avec le déaérateur pour pré- chauffer l'eau alimentaire. Le réservoir de détente reçoit son énergie de l'économiseur basse pression. On a trouvé que l'on pouvait minimiser le processus de corrosion par le soufre pour des combustibles ayant des teneurs variables en soufre en réglant la température de l'eau alimentaire en même temps que la pression de fonctionnement du réservoir de détente. L'excès de vapeur résultant de ce processus peut être intro- duit dans la turbine à vapeur à un étage aval ayant une pres- sion moindre que la pression de la vapeur du réservoir de dé- tente. La présente invention a donc pour buts - d'empêcher l'apparition de la corrosion par le soufre dans un GVRC; - - d'améliorer l'économie d'une centrale d'énergie à cy- cles combinés; - d'accroître le choix des combustibles possibles pour une centrale d'énergie à cycles combinés. La suite de la description se réfère aux figures anne- xées qui représentent respectivement: Fig. 1, un schéma d'une centrale à cycles combinés incor- porant la présente invention; et Fig. 2, un graphique montrant la relation entre la tempé- rature superficielle des faisceaux de tubes, la pression d'eau du déaérateur et la teneur en soufre du combustible de la tur- bine à gaz. La figure 1 représente une centrale d'énergie à cycles combinés 10, sous forme schématique. Une centrale électrique à turbine vapeur 12 est thermiquement réunie à une centrale électrique à 1--urb.ine à gaz 14 par un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) 16. La centrale à turbine à va- peur 12 comprend une turbine à vapeur 20 entraînant un généra- teur électrique 22. La centrale à turbine à gaz comprend une turbine à gaz 26, entraînant un générateur électrique 28 et en outre, un compresseur 30. Le compresseur aspire lair am- biant et l'envoie dans un anneau de chambres de combustion (dont une seule a été représentée) dans laquelle on enflamme un mélange combustible-air pour entraîner la turbine à gaz. Les gaz d'échappement de la turbine à gaz sont introduits-dans le GVRC 16 afin de produire de la vapeur pour la turbine à va- peur. Le générateur de vapeur à récupération de chaleur, pour l'illustration de la présente invention, comprend quatre étages ou modules de chauffage: un économiseur basse pression (EBP), un économiseur haute pression (EHP), un évaporateur (EVAP) et un surchauffeur (SCHR). L'énumération précédente représente l'ordre d'écoulement de l'eau alimentaire depuis le condensat jusqu'à la vapeur surchauffée du haut vers le bas du GVRC. Par suite, au fur et à mesure que le condensat descend dans le GVRC pour être transformé en vapeur surchauffée, les gaz chauds d'échappement s'élèvent et au fur et à mesure que s'5ef- fectue le transfert de chaleur, la température des gaz dimi- nue. La région la plus critique en termes de condensation du soufre dans le GVRC est-celle du faisceau de tubes de l'écono- miseur basse pression, car la température des gaz ainsi que celle de l'eau de condensat y sont à leur valeur la plus bas- se. La présente invention maintiendra la température superfi- cielle du faisceau de tubes à un niveau minimum pour empêcher la corrosion en dépit de niveaux variables de la teneur en soufre du combustible. En se référant toujours à la figure 1, la vapeur, sor- tant de la turbine à vapeur est condensée et recueillie dans un:condenseur 36 o elle est ensuite pompée par la pompe de condensat 38 vers un échangeur de chaleur à contact direct appelé réchauffeur de déaération de l'eau alimentaire 40. Com- me le nom l'indique, l'échangeur de chaleur est également un déaérateur qui enlève l'air de l'eau alimentaire pour minimi- ser la corrosion des faisceaux de tube. On doit conserver à l'esprit que la figure I représentant la centrale à cycles combinés est une représentation schématique, des commandes bien connues ayant été supprimées afin de clarifier la nature de la présente invention par rapport à l'art antérieur. L'eau est soutirée du réchauffeur-déaérateur 40 par une pompe 42 et envoyée à l'entrée de l'économiseur basse pression. Particulièrement, la température de la surface des tubes de l'économiseur basse pression fait l'objet de la présente inven- tion comme on le mettra en évidence en référence à la figure 2. L'eau sortant de l'éconamiseur basse pression est introduite dans le réservoir de détente 44. Le réservoir de détente 44 produit de la vapeur par abaissement de la pression de l'eau chaude sortant de l'économiseur basse pression. Une première partie 46 de la vapeur instantanée est introduite dans l'éta- ge d'admission basse pression de la turbine à vapeur. Un clapet antiretour approprié 47 empêche l'extraction de la vapeur de la turbine à vapeur. Une seconde partie 48 de la vapeur ins- tantanée est introduite dans le réchauffeur-déaérateur en tant que moyen de réglage de la température et de la pres- sion. La quantité de vapeur disponible sur la conduite 46 est le reste de la vapeur introduite dans le déaérateur 40 pour satisfaire aux exigences de la présente invention. Cette re- lation est maintenue par une vanne 50 de réglage de la pres- sion du déaérateur qui comprend le capteur de.pression usuel 51 pour fournir un signal de lecture de la pression réelle qui permettra le réglage de la vanne 50 à une pression prédé- terminée en accord avec la teneur en soufre connue du combus- tible de la turbine à gaz. Un capteur de pression approprié est un capteur de pression analogique, fabriqué par Foxboro Company of Foxboro, Massachusetts. De l'eau est également pompée du réchauffeur-déarérateur vers l'économiseur haute pression au moyen d'une pompe 52. L'eau est chauffée dans l'économiseur haute pression et intro- duite dans un ballon 54 d'o elle est renvoyée par une pompe 56 dans l'évaporateur, puis -le ballon, le surchauffeur et en- fin la turbine à vapeur. -La Figure 2 montre la relation entre la teneur en soufre du combustible, la température superficielle minimum des tubes et la pression minimale du déaérateur nécessaire pour produire la température superficielle minimale des tubes. Là courbe de température A montre que pour une teneur en soufre de 2 %, la température superficielle minimale des tubes devrait être d'environ 1270C. De même, la courbe de pression B mon- tre que pour la même teneur en soufre du combustible, c'est-à- dire 2 %, la pression du déaérateur devrait être de l'ordre de 2,90 à 3, 15 bars. Afin d'atteindre et de maintenir cette valeur, on peut dériver de la vapeur de la conduite 46 en fai- sant varier l'ouverture de la vanne 50 pour accroître la pres- sion dans le déaérateur et ainsi provoquer l'addition de cha- leur à l'eau alimentaire pénétrant dans l'économiseur BP. Ce- ci encore évite la corrosion sulfureuse des tubes. D'un autre côté, si la teneur en soufre du combustible est faible, on peut accroître la température superficielle du faisceau de tubes en abaissant la pression de la vapeur dans le déaérateur. Ceci peut se faire en fermant la vanne 50 d'une valeur voulue jusqu'à ce que la pression réelle soit égale à la pression prédéterminée obtenue à partir de la fig. 2. On peut alors introduire la vapeur supplémentaire disponi- ble dans la turbine à vapeur par la conduite 66 pour accroî- tre le rendement et la puissance de la centrale à cycles combinés. Ainsi, on atteint les objectifs de l'invention puisqu'on élimine la corrosion par le soufre tandis qu'on confère au système une grande souplesse et un rendement plus élevé. R E V E N D ICATIONS 1 - Centrale de production d'énergie à cycles combinés comportant au moins un ensemble à turbine à gaz (14) et au moins un en- semble à turbine à vapeur (12) thermiquement réunie au moyen d'un générateur de vapeur à récupération de chaleur (16), le générateur de vapeur à récupération de chaleur incluant au moins une section d'économiseur adjacente à la sortie des gaz d'échappement, cette section d'économiseur étant réunie à un circuit de préchauffage de l'eau alimentaire incluant un ré- chauffeur-déaérateur (40) et un réservoir-de détente (44), centrale caractérisée en ce qu'elle comprend en outre: une conduite (48) reliant une sortie de vapeur du réser- voir de détente (44) à une entrée de vapeur du réchauffeur- d&aérateur (40); et une vanne (50) dans cette conduite, pour régler la pression d'entrée de la vapeur dans le réchauffeur diaérateur (40) en fonction de la teneur en soufre du combus- t.ble de la turbine à gaz. 2 - Centrale selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, une conduite (46) reliant la sortie de vapeur du réservoir de détente (44) à un étage de la turbine à vapeur (20) grâce à quoi la vapeur en excès dans le réservoir de détente est introduite dans la turbine à vapeur. 3 - Centrale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réchauffeur-déaérateur (40) es! mis sous pression en fonction d'une température superficielle voulue d'économi- seur. 4 Procédé pour empêcher la corrosion par le soufre dans l'economiseur d'une centrale de production d'énergie à cycles combinés comprenant au moins un ensemble à turbine à gaz (14) et au moins un ensemble à turbine à vapeur (12) thermiquement réunis au moyen d'un générateur de vapeur à récupération de chaleur (16), le générateur de vapeur à récupération de chaleur incluant au moins une sedtion d'économiseur adjacen- he à la sortie des gaz d'échappement, cette section d'écono- miseur étant réunie à un circuit de préchauffage de l'eau alimentaire incluant un réchauffeur-déaérateur (40) et un réservoir de détente (44), procédé caractérisé en ce qu'il consiste à: admettre dans le réchauffeur-déaérateur (40) de la va- peur sous pression provenant du réservoir de détente (44) pour chauffer l'eau alimentaire de l'économiseur; fournir une pression de vapeur prédéterminée à ce déaé- rateur (40) pour atteindre une température superficielle mini- male de l'économiseur en mélangeant de la vapeur sous pression à l'eau alimentaire dans le déaérateur (40); et, purger l'eau chauffée du déaérateur (40) dans l'économi- seur. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste en outre, à décharger de la vapeur en excès du réservoir de détente (44) dans la turbine à vapeur (20). 6 - Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il consiste en outre, à: déterminer la teneur en soufre du combustible de la tur- bine à gaz; prédéterminer une pression du déaérateur (40) suffisante pour empêcher la corrosion par le soufre de l'économiseur en fonction de la teneur en soufre de combustible; et régler la pression du déaérateur en amont de ce déaéra- teur afin de maintenir la pression prédéterminée du déaéra- teur.