Brevet FR2516592A1 — publié le 19830520

L'invention concerne une centrale à cycle combiné ou centrale de cogénération utilisant une turbine à gaz pour produire de l'énergie électrique L'invention concerne plus particulièrement une unité de transfert de chaleur destinée à une telle centrale, dans laquelle un combustible carboné tel que du charbon renfermant du soufre est brûlé dans une unité de combustion à lit fluidisé non sous pression pour produire de l'énergie thermique destinée à l'entraînement de la turbine à gaz et à la production de vapeur d'eau. L'invention concerne un nouveau type d'équipe- ment de chauffage de l'air dans lequel de l'air propre comprimé est porté à des températures élevées par de la chaleur provenant d'un système de combustion à lit fluidisé en circulation, l'air chauffé, à sa sortie de l'équipement de chauffage, étant détendu dans une turbine à gaz classique pour entraîner un générateur électrique ou tout autre dispositif L'équipement de chauffage de l'air peut être incorporé, avec la même efficacité, dans un système de cogénération ou un système à cycle combiné, ou bien une association de ces deux systèmes. Les avantages thermodynamiques Fondamentaux de l'utilisation de turbines à gaz dans des systèmes à cycle combiné ou decogénération pour produire de l'électricité, par rapport aux centrales électriques classiquessont bien établis et largement décrits dans la littérature Cependant, le développement de l'utilisa- tion des turbines à gaz dans ces cycles à haut rendement a été limité en raison de l'inaptitude des turbines à gaz à accepter des combustibles de qualité inférieure, plus facilement disponibles, tels que le charbon, le coke de pétrole, le lignite, les résidus asphaltiques, etc Les pénuries actuelles de gaz naturel et de combus- tibles hydrocarbonés liquides et leurs cofts s'élevant rapidement ont donné une importance plus grande à l'uti lisation des réserves importantes de combustibles solides locaux pour la génération d'énergie. L'importance actuelle de l'utilisation de combustibles solides de plus faible co Ct et d'une meilleure disponibilité a déclenché des efforts concertés pour le développement de systèmes de cogénération et de systèmes à cycle combiné à turbine à gaz dans lesquels la source d'énergie primaire peut être constituée par des combustibles solides ou des combustibles liquides de basse qualité tels que des résidus asphaltiques Une conséquence de ces efforts est le développement de systèmes de combustion à lit fluidisé sous pression, dans lesquels les produits de combustion du lit fluidisé sont détendus directement dans une turbine à gaz, après épuration, pour produire la force motrice nécessaire à la turbine à gaz Cette - conception semble présenter un certain nombre deinconvé- nients parmi lesquels: 1 La difficulté et le coût de l'épuration des - gaz aux températures élevées utilisées; 2 Le risque d'érosion des ailettes de turbine par les particules de matière qui ne sont pas éliminées des gaz de combustion; 3 Le risque d'encrassement de la turbine par les particules de matière entraînées par les gaz de combustion; 4 Le coût relativement élevé d'un système de combustion à lit fluidisé sous pression par rapport à un système de combustion à lit fluidisé atmosphérique. Une démarche différente pour le développement de systèmes de cogénération ou de systèmes à cycle combiné à turbine à gaz alimentée par un combustible solide ou un combustible liquide de basse qualité consiste à chauffer de l'air comprimé épuré par l'utilisation de chaleur produite dans une unité de combustion à lit fluidisé, et à détendre l'air chauffé épuré dans une turbine à gaz Cet agencement permet l'utilisation d'un système de combustion à lit fluidisé sensiblement à la pression atmosphérique, et il élimine les problèmes posés par le risque d'érosion des ailettes de turbine et le risque d'encrassement de la turbine, prévus avec les installations de combustion en lit fluidisé sous pression dans lesquelles les produits de combustion sont détendus directement dans la turbine à gaz Toutes les conceptions antérieures d'équipements de chauffage de l'air, proposées pour une utilisation dans le cycle à air comprimé épuré, comprennent des appareils tubulaires dans lesquels l'air comprimé et épuré circule dans des tubes de diverses configurations et de la chaleur est appliquée à la surface extérieure des tubes. Une centrale d'énergie à cycle combiné, compor- tant une unité de combustion en lit fluidisé atmosphérique est décrite dans le brevet des Etats-1 fnis d'Amérique No 4 116 005, et une centrale comportant une unité de combustion en lit fluidisé sous pression est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 223 529. L'invention a pour Objet une centrale d'énergie perfectionnée à cogénération ou cycle combiné, utilisant une unité de combustion à lit fluidisé non sous pression, chauffée au charbon et alimentant indirectement la turbine à gaz en air chauffé propre L'invention a également pour objet une telle centrale qui utilise une unité de transmission de chaleur extérieure à son unité de combus- tion pour chauffer de l'air propre destiné à ses turbines à gaz L'invention a pour autre objet une telle centrale qui comporte une unité extérieure de transmission de chaleur fonctionnant avec une chute de pression inférieure à celles ayant pu être obtenues jusqu'à présent. L'invention a pour autre objet une forme de réalisation perfectionnée d'un appareil de chauffage de l'air, qui présente une plus grande fiabilité et une plus grande vie utile que les appareils de conception classique dans lesquels de l'air circule dans des tubes. L'invention a pour autre objet un appareil de chauffage de l'air de conception perfectionnée, qui fonctionne pour la même température de sortie de l'air, à des températures des pièces métalliques inférieures à celles présentes dans un appareil de chauffage de l'air de conception classique, dans lequel l'air circule dans des tubes. L'invention a également pour objet un appareil de chauffage de l'air de conception perfectionnée, pré- sentant une plus faible résistance de frottement à l'écou- lement de l'air qu'un appareil de chauffage d'air classi- que dans lequel l'air circule dans des tubes, dans des conditions de fonctionnement identiques. L'invention a pour autre objet un appareil de chauffage de l'air de conception perfectionnée, moins encombrant et plus économique qu'un appareil de chauffage de l'air de type classique dans lequel l'air circule dans des tubes, dans des conditions de fonctionne- ment identiques. L'invention concerne donc une centrale à cogénération ou cycle combiné, utilisant une unité de combustion à lit fluidisé dans laquelle du charbon ou tout autre combustible carboné est brûlé sensiblement à la pression atmosphérique, et une unité extérieure de transmission de chaleur par laquelle une partie des solides chauds du lit fluidisé est mise en circulation dans des canaux tubulaires De l'air propre provenant d'un compresseur est mis en circulation dans l'unité de l'échangeur de chaleur, autour de la surface extérieure des canaux tubulaires, afin de recevoir de la chaleur de ces canaux, cette chaleur provenant des solides chauds circulant dans les canaux L'écoulement des solides chauds dans les canaux tubulaires est commandé indépen- damment du fonctionnement de l'unité de combustion afin de convenir à des charges variables imposées aux unités de génération De la vapeur d'eau destinée à une turbine à vapeur ou à d'autres utilisations est produite par une chaudière classique et un surchauffeur faisant partie de l'unité de combustion Des moyens classiques de récupé- ration de la chaleur résiduelle sont reliés à l'échappe- ment de la turbine à gaz. L'équipement de chauffage de l'air selon l'in- vention présente les avantages suivants par rapport aux 2 5 1 6 5 9 2 équipements classiques de chauffage de l'air dans les- quels l'air circule dans des tubes: 1 Par un écoulement de l'air en courant trans- versai sur les tubes, on obtient des coef- ficients de pellicule de transmission de chaleur à l'air plus élevés, avec des pertes par frottement égales ou inférieures, que ceux pouvant être obtenus avec de l'air cir- culant dans les tubes Il en résulte, pour la même température de sortie de l'air, des températures du métal notablement plus basses que celles pouvant être atteintes dans un équipement de chauffage de l'air conçu de manière que l'air circule dans les tubes. 2 La conception améliorée de l'équipement de chauffage de l'air selon l'invention permet l'utilisation d'une surface étendue sur le côté extérieur des tubes pour améliorer la transmission de la chaleur et réduire donc davantage les températures du métal et per- mettre l'utilisation d'une plus faible longueur de tube pour obtenir la transmission globale demandée de chaleur par rapport à un équipe- ment classique de chauffage de l'air dans lequel l'air circule dans les tubes. 3 L'équipement perfectionné de chauffage d'air selon l'invention est conçu de manière à être moins volumineux et plus économique qu'un équipement classique de chauffage de l'air dans lequel l'air circule dans les tubes. 4 L'équipement perfectionné de chauffage de l'air selon l'invention est conçu de manière à être plus accessible et plus facile à réparer qu'un équipement classique dans lequel l'air circule dans les tubes. L'équipement perfectionné de chauffage de l'air selon l'invention est caractérisé par un écoulement des solides, chauffant cet équipement, dans les tubes dudit équipement, en un courant vertical ascendant ou descendant. Lorsque les solides de chauffage s'écoulent vers le haut dans les tubes de l'équipement de chauffage de l'air, ils sont fluidisés par une quantité appropriée d'air de fluidisation ou de gaz de carneau Ainsi, chaque tube constitue un lit fluidisé individuel, à circulation indé- pendante, chauffant l'air s'écoulant sur sa surface extérieure. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limi- tatif et sur lequel: la figure 1 est un schéma simplifié d'une centrale d'énergie à cycle combiné selon l'invention; et la figure 2 est une coupe verticale de l'unité extérieure de transmission de chaleur de la centrale selon l'invention. La centrale combinée de génération-d'énergie selon l'invention comprend une turbine à gaz 11 qui entraîne un compresseur d'air 12 et un générateur 13, une turbine à vapeur 14 qui entraîne un générateur 15, une unité 16 de combustion et une unité extérieure 17 de transmission de chaleur reliée à l'unité de combustion et fournissant de l'énergie thermique aux deux turbines. L'unité 16 de combustion est chargée en combustible solide par une entrée 21 et en particules absorbant le soufre par une entrée 18 Le combustible solide peut être du charbon broyé en morceaux atteignant des dimensions de 38 mm ou plus, et les particules d'absorption du soufre peuvent être des particules de calcaire ayant une dimension maximale d'alimentation de 2 mm, ou plus grande. Un orifice 19 de décharge est prévu pour l'élimination de l'absorbant usagé De l'air de fluidisation est intro- duit dans le fond de l'unité 16 de combustion par une entrée 20, en provenance de toute source convenable, afin d'établir un lit fluidisé de particules 30, généralement du sable, de la cendre, du calcaire et du sulfate de calcium L'air de combustion arrive par une entrée 31. Les solides fluidisés provenant de l'unité 16 de combustion sont transportés vers un séparateur 29 par un conduit 28 Le gaz propre provenant du séparateur 29 est conduit vers une cheminée C Les solides séparés sont transportés vers une unité 17 de transmission de chaleur par un conduit 22, en même temps que de l'air auxiliaire de fluidisation arrivant par une entrée 36, et ils sont renvoyés à l'unité 16 de combustion par un conduit 23 De l'air propre provenant du compresseur 12 est introduit dans l'unité 16 de transmission de chaleur par un conduit 24, est chauffé dans cette unité par les solides fluidisés de la manière décrite ci-après, et est conduit vers la turbine à gaz 11 par un conduit De la vapeur d'eau est conduite vers la turbine à vapeur 14 par un conduit 26, en provenance d'un ensemble classique à chaudière et surchauffeur 27 placé soit,à l'intérieur de l'unité 16 de combustion, soit à l'exté- rieur de cette unité et chauffé par les gaz de combustion usagés en provenant. La vapeur d'eau d'échappement de la turbine 14 est dirigée vers un condenseur 31 et le condensat est renvoyé à la chaudière 27 située dans l'unité 16 de combustion par un conduit 33 L'échappement de la turbine à gaz 11 est conduit vers une cheminée par l'intermé- diaire d'un carneau 21 ' et d'un appareil 32 de récupération de la chaleur résiduelle. La figure 2 illustre la structure de l'unité 16 de transmission de chaleur Des solides chauds fluidi- sés provenant de l'unité 16 de combustion sont introduits dans le fond de l'unité 17-par le conduit 22 aboutissant dans la paroi latérale d'une chambre auxiliaire inférieure De l'air auxiliaire de fluidisation est introduit à travers le fond de la chambre 35 par un conduit 36. Une plaque perforée 37 est placée dans la chambre 35, au-dessus de l'ouverture du conduit 36, et s'étend sur la largeur de l'unité 17 afin de distribuer l'écoulement d'air provenant du conduit 36, uniformément et vers le haut à travers l'ensemble de l'unité Une plaque 38 de distribution est placée en travers de l'unité, au-dessus de la plaque perforée 37, et une seconde plaque 39 de dis- tribution est placée en travers de l'unité 17, à proximité de son sommet Des tubes parallèles 40 sont ajustés dans des trous des plaques 38 et 39 de distribution et s'éten- dent entre ces plaques Une cloison 41 s'élève verticale- ment de la plaque 38 de distribution, mais aboutit à peu de distance de la plaque 39, à une certaine distance de la sortie du conduit d'air 24, afin de former une chicane opposée à cette extrémité du conduit et une cloison ana- logue 42 descend verticalement de la plaque 39 de distri- bution, mais aboutit à peu de distance de la plaque 38 pour former une chicane opposée à l'extrémité du conduit 25. Lors du fonctionnement, l'unité 16 de combustion est chargée de particules de charbon et de particules absorbantes ayant les dimensions indiquées précédemment; le lit est fluidisé par de l'air introduit par le conduit et pouvant provenir de toute source convenable; et le combustible est allumé Une partie des solides chauds contenus dans le lit fluidisé, sous l'effet de l'air arri- vant par le conduit 36, est mise en circulation de l'unité 16 de combustion dans les tubes 40 du dispositif 17 de chauffage de l'air et revient dans l'unité 16 de combus- tion Les solides chauds sont fluidisés dans le fond du dispositif 17 de chauffage de l'air et ils s'élèvent par les tubes 40 L'air provenant du compresseur 12 pénètre dans le dispositif 17 de chauffage par le conduit 24, passe autour des surfaces extérieures des tubes 40 en prélevant de la chaleur de ces tubes, et sort par le conduit 25 vers la turbine à gaz 11 dans laquelle il est détendu afin de la faire tourner, produisant de l'énergie électrique dans le générateur 13 accouplé à cette turbine. L'échappement de la turbine 11 est dirigé vers un appa- reil classique 32 de récupération de la chaleur résiduelle. La turbine à vapeur 14 est alimentée par de la vapeur produite-dans des serpentins 27 placés à l'in- térieur de l'unité 16 de combustion et elle est détendue dans cette turbine, de manière que le générateur électrique 15, accouplé à cette dernière produise de l'énergie L'échappement de la turbine 14 passe par un condenseur classique 31 et l'eau condensée qui en provient est réchauffée dans les serpentins 27. Il a été décrit ci-dessus que le dispositif 17 de chauffage de l'air fonctionne de manière que les solides s'écoulent vers le haut par les tubes Ce dispo- sitif peut également fonctionner, avec la même efficacité, de manière que les solides s'écoulent vers le bas à l'in- térieur des tubes, dans des conditions de fluidisation modérée, ce qui assure une distribution uniforme des solides sur la totalité de la section interne de chaque tube De la même manière, la face extérieure des tubes 14 du dispositif de chauffage de l'air peut présenter une surface étendue pour élever au maximum la quantité de chaleur transmise des tubes du dispositif 17 à l'air comprimé et propre. Ainsi qu'il ressort de manière évidente de la description ci-dessus, de la vapeur d'eau en circulation, contenant des solides, transmet de la chaleur de l'unité 16 de combustion à lit fluidisé au dispositif 17 de chauffage de l'air, et revient ensuite à l'unité 16 de combustion à lit fluidisé pour être réchauffée La cha- leur présente dans l'unité 16 de combustion à lit fluidisé est obtenue par combustion de combustibles solides ou liquides, de basse qualité, tels que des résidus asphal- tiques Cette chaleur est transmise à de l'air comprimé dans le dispositif 17 de chauffage de l'air, l'air com- primé est ensuite détendu dans la turbine à gaz 16 pour produire de l'énergie motrice. Le dispositif de chauffage d'air selon l'inven- tion constitue une forme de réalisation particulière dans laquelle la chute de pression est réduite, pour la même température de sortie, par rapport à celle se produi- sant dans des appareils de conception classique, en raison de l'amélioration des coefficients pelliculaires de transmission de la chaleur à l'air, résultant d'un écoule- ment de l'air transversal par rapport aux tubes plutôt que dans les tubes, comme c'est le cas dans des formes de réalisation classiques La fluidisation des solides pour former un courant chauffant, qui circule dans les tubes, constitue également une caractéristique particu- lière de l'invention par le fait qu'elle réduit l'érosion par rapport à celle se produisant avec des solides flui- disés à l'extérieur des tubes, comme c'est le cas dans les formes de réalisation classiques. L'écoulement des solides chauds fluidisés dans les tubes du dispositif de chauffage de l'air selon l'in- vention peut être commandé indépendamment des opérations effectuées par l'unité de combustion, ce qui permet une adaptation à des charges variables imposées aux généra- teurs. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la centrale décrite et repré- sentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Centrale d'énergie à cycle combiné comprenant une partie à turbine à gaz qui comprend un compresseur ( 12) et une turbine ( 11), une partie ( 14) d'utilisation de la vapeur d'eau, et une unité ( 16) de combustion à lit fluidisé destinée à la combustion de particules de combustible carboné, contenant du soufre, à une pression proche de celle de l'atmosphère, dans un lit de particules fluidisées, un dispositif ( 27) de génération de vapeur d'eau utilisant la chaleur provenant de l'unité de combus- tion et un dispositif ( 17) de chauffage de l'air utilisant la chaleur provenant également de l'unité de combustion, la centrale étant caractérisée en ce que le dispositif de chauffage de l'air comprend une chambre extérieure à l'unité de combustion et renfermant des tubes ( 40) qui sont raccordés, par une extrémité, à l'unité de combus- tion pour en recevoir lesdites particules fluidisées et, par leur autre extrémité, à ladite unité de combustion pour y renvoyer les particules fluidisées, un premier conduit ( 24) reliant cette chambre au compresseur associé à la turbine à gaz pour faire passer l'air comprimé propre, provenant de ce compresseur, autour des tubes contenus dans la chambre, et un second conduit -( 25) re- liant la chambre à la turbine de ladite partie à turbine à gaz pour transporter vers cette dernière l'air chauffé par contact avec ces tubes. 2 Centrale selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle comporte des moyens ( 29, 22) destinés à séparer les particules solides chaudes des produits de combustion sortant de l'unité de combustion et à in- troduire les particules ainsi séparées dans les tubes du dispositif de chauffage de l'air. 3 Centrale selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les tubes placés dans la chambre de chauffage de l'air sont montés, à chacune de leurs extré- mités dans des parois ( 38, 39) situées à l'intérieur de la chambre afin de former dans cette dernière des cham- bres auxiliaires d'entrée ( 35) et de sortie pour les particules fluidisées, un élément ( 36) étant destiné à introduire de l'air auxiliaire de fluidisation dans la chambre auxiliaire d'entrée. 4 Centrale selon la revendication 3, caracté- risée en ce qu'elle comporte un élément ( 37) situé dans la chambre auxiliaire d'entrée afin de distribuer unifor- mément dans cette chambre l'air fluidisé.