Brevet FR2526482A1 — publié le 19831110

Procédé et dispositif de chan-emnent économique de La puissance totale d'unités de machines de production de centrales ou de stations de compression de conduites à distance de gaz naturel et de pétro Le, dans te cas d'en- tratnement par un cycle combiné gaz-vapeur. la présente invention concerne un procédé et un dispositif d'entra nement par un cyc Le combiné gaz- vapeur de centrales ou de stations de compression de con- duitesà distance de gaz naturel et de pétrole. lJe cycle dit combiné ou également cycle gaz- vapeur permet d'obtenir un rendement g Lobal retativement bon, dans lequel la chaleur perdue d'une turbine à gaz d'entratnement est utilisée, de sorte qu'une puissance d'entraînement supplémentaire est obtenue Le cycle com- biné est utilisé particulièrement dans des centrales électriques, mais on a commencé récemment à l'introduire pour l'entra nement des stations de compression des con- duites à distance de gaz naturel Mais les solutions of- fertes dans l'état actuel de la technique ne portent aucune attention sur la variation avec un bon rendement énergétique de la puissance totale de l'installation ce qui néanmoins, en raison du caractère de l'entrainement de ce genre d'installation, est d'une importance extrême. Il en est ainsi car les turbine à gaz qui, malgré Leur nombreux avantages, ont un rendement relativement mauvais en charge partielle Il en résulte qu'avec unfaible débit de vapeur, le rendement de La trubine à vapeur décrott de sorte qu'une installation fonctionnant avec un cycle gaz-vapeur ne peut être exp Loitéequ'avec un mauvais rende- ment dans le cas d'une charge au-dessous de La valeur no- minale Ces inconvénients font apparaltre le fait que le rendement d'une installation de 3 x 10 M 1 W est 41 % avec une charge de 30 MW, 3515 avec une charge de 22,5 MW contre seulement 25 % avec une charge de 15 M 1 W. Dans de nombreuses applications (centrales à fonctionnement intermittent, stations de compression) il se produit fréquemment un fonctionnement à charge partielle et la réalisation d'un système à la fois sou- ple et d'un bon rendement apparaît ainsi comme un besoin réel La présente invention a pour objet d'apporter une amélioration sensible au rendement global de l'installa- tion d'un cycle gaz-vapeur, surtout pendant le fonctionne- ment en charge partielle. Le procédé consiste essentiellement à modifier la re- lation mutuelle d'unités de machines entraînées par des turbines à gaz ou à vapeur, de la même puissance ou à peu près la même puissance dans un rapport de 2: 1, 1: 1 ou de modifier la combinaison et/ou l'association de plusieurs de ces machines de la même valeur ou à peu près la même valeur (+ 5 %) de la puissance unitaire et du rendement du cycle, cette modification étant faite de façon qu'à l'aide d'un chauffage d'appoint utilisant aus- si la teneur en oxygène des gaz d'échappement, prévu dans les chaudières utilisant la chaleur des gaz d'échappement (appelées ci-après chaudières de récupération) la pression de vapeur soit augmentée de 16-60 bars, valeur favorable pour un rapport turbine à gaz-turbine à vapeur de 2: 1, à 40 150 bars (valeur favorable pour un rapport turbine à gaz turbine à vapeur de 1: 1) tandis qu'en même temps la température de surchauffe de la vapeur est aug- mentée de 300 3800 C à 400 5000 C et en produisant ainsi la même ou à peu près la même puissance unitaire voulue avec la vapeur de plus grande capacité de travail produite de cette manière dans une turbine à vapeur qui convient avec des paramètres modifiés (en moyenne). L'installation selon l'invention se caractérise es- sentiellement par le fait que la station de compression ou la centrale comporte, immédiatement sur le côté des gaz d'échappement de chacune de ses turbines à gaz, une chaudière de récupération prévue avec un dispositif de chauffage d'appoint utilisant aussi la teneur en oxygène des gaz d'échappement pour un chauffage d'appoint et qui, par une pression de vapeur variable et une température de vapeur variable produit de la vapeur avec une capacité de travail, c'est-à-dire une énergie, varia- b Le dans un rapport 1: 2 environ et dont tous Les éléments (séparateur vapeur-eau, çhambres,conduites, pompes) sont réalisés dans une exécution qui con- vient pour des valeurs de pression et de température apparaissant au cours de l'exploitation et pour leurs modifications se produisant en service, et/ou dont les valeurs techniques caractéristiques (section, vi- tesse de rotation) peuvent être changées; La station de compression ou la centrale comprenant pour l'une ou les deux unités de machine entra nées par turbine à gaz, respectivement une ou deux unités de machine de la même ou à peu près la même (+ 50) puissance uni- taire entraînées par turbine à vapeur, cette ou ces turbines à&vapeur ayant une disposition interne néces- saire pour délivrer la même ou à peu près la même puis- aance à l'arbre avec différents paramètres de vapeur et comportant un dispositif pour partager la charge en- tre les parties de turbines utilisant les sortes de va- peur ayant les deux différentes pressions et tempéra- tures, avec en plus un système de protection-régulation réalisé en conséquence, et que l'ensemble comprenant la ou les turbines à gaz, les chaudières de récupération Le chauffage d'appoint et la ou les turbines a vapeur comporte une régulation commandée par Le besoin en puissance de la ou des turbines à vapeur et assurée par lavariation de chauffage d'appoint de la chaudière de récupération. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appara tront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé sur leque L: es Figures 1 et 2 illustrent un exemple du procédé et d'une installation selon l'invention. L'installation selon la figure 1 (station de compression ou centrale) comporte trois unités de ma- chine dont deux sont entraînées par les turbines à àz 1 et une par une turbine à vapeur 3. es machines 2 peuvent être chacune un compresseur ou une génératrice,es deux turbines à Raz 1 sont asso- ciées chacune à une chaudiere de récupération 4 avec un chauffage d'appoint utilisant la teneur en oxygéne des- _ gaz d'échappement Quand les trois machines sont en fonc- tionnement, les chaudières de récupération'produisent a partir des Paz d'échappement des tubines 1, et sans uti'liser le dispositif 5 de chauffage d'appoint, ou dans une tres faible mesure, autant de vapeur qu'il en faut pour assurer la D Leine charge nominate de la machine 2 entra née par La turbine à vapeur 3 Lavapeur arrive à la turbine à vapeur 3 par la conduite de vapeur 5. la Figure 2 montre une autre manière d'exploiter L'installation de la figure 1 Dans ce cas, deux seule- ment des trois unités de machine sont en fonctionnement par exemple si seulement les deux tiers de La puissance totale sont nécessaires Cela est obtenu par le fait qu'une machine 2 entralnée par une turbine à gaz 1 est arrêtée et que les deux machines enfonc tionnement sont conduites à pleine charge et avec un bon rendement de sorte quele dispositif de chauffage d'appoint 5 associé avec la chaudière de récupération 4 de La turbine à gaz 1 de 1 la machine en deuxième position est mis en marche à sa capacité totale (soit environ 100 pour cent de la puissance d'appoint de la chaudière) De cette manière, avec la vapeur produite avec un plus haut potentiel d'énergie et grâce à La construction de sa surbine à vapeur 3 quiconvient pour un fonctionnement avec des para- aetres différents, ta machine en troisième position four- nit une puissance absolument identique au cas d'exploita- tion illustré par ioa figure 1 et avec un bon rendement Lobal, pratiquement inchangé Dans ce cas d'exploitation, a uiacnine en premiere position n'est pas enfonctionnement. Au lieu de l'instal Lation représentée sur la Iigure 1 avec trois machines, c'est-à-dire un nomore im- pair de ces machines, ou en plus de cette installation, ii est pa;Leraent possible de réal iser une installation seion La figure 2 avec deux, c'esta-dire un nombre pair j de machine Une installation à quatre machines peut être réalisée par deux fois deux machines, une insta L- lation à cinq machines par trois et deux machines. Pour accrottre la disponibilité de l'exploitation des deux couples de machines (une turbine à gaz, une tur- bine à vapeur) la chaudière de récupération peut être équipée d'un dispositif de chauffage qui, mème en ab- sence de fonctionnement de la turbine à gaz, est en mesure de maintenir le fonctionnement de l'unité à turbine à vapeur. Les avantages du procédé selon l'invention et du dispositif destiné à sa mise en oeuvre sont les suivants: lesavantages connus de l'utilisation du cycle combiné sont élargis, avec un bon rendement inchangé en cas de fonctionnement à charge partielle, La sécurité d'exploitation de l'installation à cycle comoiné est augmentée grâce au nouveau type d'exploitation proposé. La possibilité de modification du rapport turbine à gaz-turbine à vapeur autorise un allègement des charges d'investissement et d'exploitations. La production d'une même puissance par les machines apporte desavantages d'exploitation et d'en- tretien, ce qui allège la mise en place de ce nouveau type d'entratnement. Er EVI "DICA Tf ONS i Procédé de changement économique de la puissance totate d'unités de machines de production de centrales et de stations de compression de conduites à distance de _-az naturel et de pétrole, en cas d'en- tratnement par un cycle combiné gaz/vapeur, procédé ca- ractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à changer la relation mutuelle d'unités de machines entra Xnées par des turbines à gaz ( 1) ou des turbines à vapeur ( 3) dans un rapport 2: 1, 1:1, ou à changer leur combi- naison et en variante ou en plus leur multiplication de la m 9 me valeur ou à peu près la m 8 me valeur (k 5 ') de h puissance unitaire et du rendement du cycle, de maniè- re qu'à l'aide d'un chauffage d'appoint ( 5) utilisant aussi la teneur en oxygène des gaz d'échappement, prévu dans des chaudières de récupération ( 4) des turbines à gaz ( 1), la pression de vapeur soit augmentée de 16bars, valeur favorable pour un rapport turbine à gaz(l) turbine à vapeur ( 3) de 2: 1, à 40 150 bars, valeur favorable pour un rapport turbine à gaz turbine à vapeur de 1: 1, tandis qu'en même temps, la température de surchauffe de La vapeur est augmentée de 300 4 Roo C à 400 5400 C et en produisant ainsi la même ou à peu près la même puissance unitaire voulue avec de la vapeur de plus grande énergie ou capacité de travail produite de cette manière, dans une turbine à vapeur ( 3) qui con- vientpour des paramètres modifiés en moyenne. 2 Dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé de La revendication 1, caractérisé en ce que la station de compression ou la centrale comporte, immé- diatement sur le c 8 té des gaz d'échappement de chacune de ses turbines a gaz ( 1) une chaudière de récupération Prrvue avec un dispositif de chauffage d'appoint ( 5) utilisant aussi la teneur en oxygène des gaz d'échappe- ment pour un chauffage d'appoint et qui, par une pression de vapeur variable et une température de vapeur variable produit de Ia vapeur avec une capacité de travail ou une 252648 Z énergie variable dans un rapport d'environ 1: 2, et dont tous les étéments tels que séparateur vapeur- eau, chambres,conduites, pompes, sont réalisés dans une exécution qui convient pour des valeurs de pression et de température apparaissant au cours de l'exploita- tion et pour leurs modifications se produisant en service, et en variante ou en plus dont les valeurs techniques caractéristiques telles que section, vitesse de rota- tion, peuvent 8 tre changées, la station de compression ou la centrale comprenant pour l'une ou les deux unités de machines entraînées par turbine à gaz ( 1) respective- ment une ou deux unités de machines de la même ou à peu près la même ( 5 %) puissance unitaire, entrainées par turbine à vapeur ( 3), cette ou ces turbines à vapeur ( 3) ayant une disposition interne nécessaire pour déli- vrer la même ou à peu près la même puissance à l'arbre avec différents paramètres de vapeur et comportant un dispositif pour partager la charge entre les parties des turbines utilisant les sortes de vapeur ayant les deux différentes pressions et températures,avec en plus un système de protection-régulation réalisé enconséquence, et l'ensemble comprenant la ou les turbines à gaz ( 1), les chaudières de récupération ( 4), le chauffage d'ap- point ( 5) et là ou les turbiness à vapeur ( 3) comportant À 25 une régulation commandée par le besoin en puissance de la ou les turbines à vapeur, et assurées par la varia- tion de chauffage d'appoint( 5) de la chaudière de récu- pération ( 4).