Brevet FR2547863A1 — publié le 19841228

Procédé de production d'énergie répondant à des pointes de consommation, et dispositif de mise en oeuvre de ce procédé La présente invention concerne un procédé de production d'énergie en quantité variable permettant de répondre à des pointes de consommation, dans lequel - a) on produit une quantité d'énergie correspondant au plus à la demande normale par réchauffage, vaporisation d'eau dans une chaudière, surchauffe et éventuellement resurchauffe de la vapeur obtenue, puis détente de la vapeur produite dans une turbine à vapeur, - b) lors des pointes de consommation, on produit une quantité d'énergie supplémentaire par combustion d'un gaz et détente du gaz de combustion dans au moins une turbine à gaz, On sait en effet qu'une centrale électrique comportant une chaudière de production de vapeur et une turbine de détente de celle-ci ne peut répondre à des pointes de consommation de façon très économique. On a déjà proposé dans ce but de produire l'énergie de pointe par combustion d'un gaz combustible et détente des gaz de combustion dans une turbine à gaz, en récupérant la chaleur sensible présente dans les gaz d'échappement dans un générateur de vapeur lié à une turbine à vapeur. Un tel procédé nécessite un appareillage complexe, qui n'est destiné à être utilisé que pendant une durée limitée, et constituant donc un investissement coûteux. La présente invention a pour but de procurer un procédé permettant de répondre avec souplesse à des pointes de consommation, tout en ne nécessitant qu'un appareillage plus simple et moins coûteux, et de faire fonctionner constamment la turbine à gaz sensiblement à pleine charge, donc avec un bon rendement, lorsqu'elle est en service, puisque l'on sait que son rendement se dégrade sensiblement lorsque sa charge baisse. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on réchauffe une partie de l'eau d'alimentation de la chaudière par échange de chaleur avec les gaz de combustion de la turbine dans une ligne d'échange séparée. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caracté- ristiques suivantes - Lorsque la pointe de consommation d'énergie est inférieure à celle susceptible d'être produite par la turbine à gaz fonctionnant à pleine puissance, on fait fonctionner la chaudière à une charge inférieure à sa charge nominale, sans réduire la charge de la turbine à gaz, et on réchauffe une part plus importante de l'eau d'alimentation de la chaudière en échange de chaleur avec les gaz de combustion issus de la turbine à gaz. - Lorsque la pointe de consommation d'énergie est inférieure à celle susceptible d'etre fournie par la turbine à gaz fonctionnant à pleine puissance, même en faisant fonctionner la chaudière à une charge inférieure à sa charge nominale, on recycle une partie de l'eau déjà réchauffée dans la ligne d'échange de chaleur avec les gaz de combustion de la turbine à gaz vers une zone plus froide de cette ligne d'échange, de façon à éviter une élévation de température excessive de liteau ainsi réchauffée. - L'eau à réchauffer dans la ligne d'échange avec les gaz d'échappement subissant un premier réchauffage à basse pression, puis étant admise dans une bâche où elle est dégazée et subissant enfin un réchauffage à haute pression, on règle le débit d'eau à basse pression passant en échange de chaleur avec les gaz d'échappement de la turbine à gaz de façon que la température de l'eau ainsi réchauffée à basse pression soit supérieure à celle de liteau réchauffée par soutirage de vapeur dans la turbine, de façon à augmenter les soutirages de vapeur dans la zone à basse pression de la turbine en réduisant d'autant ceux de la zone à plus haute pression de la turbine, et ainsi à augmenter la puissance développée par cette turbine. - On maintient cependant le débit d'eau réchauffée à basse pression en échange de chaleur avec les gaz d'échappement de la turbine à une valeur suffisamment élevée pour que liteau ainsi réchauffée ne soit pas à une température trop élevée pour permettre un bon dégazage dans la bâche. L'invention s'étend en outre à un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention, comprenant une chaudière de vaporisation et surchauffe d'eau par combustion d'un combustible solide ou liquide, au moins une turbine de détente de la vapeur surchauffée, un condenseur de la vapeur détendue, et des échangeurs de réchauffage de l'eau condensée à l'aide de soutirages de vapeur prélevée à la turbine, un dispositif de combustion d'un gaz combustible et une turbine de détente des gaz de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des échangeurs de réchauffage d'une fraction de l'eau condensée en contre-courant des gaz de combustion détendus dans la turbine à gaz. De préférence, ce dispositif comprend aussi au moins un conduit de recyclage d'au moins une partie de l'eau réchauffée vers- une zone plus froide des échangeurs de réchauffage en échange de chaleur avec les gaz de combustion de la turbine à gaz, et une vanne de contrôle du débit d'eau réchauffée dans le conduit de recyclage. Lorsque ce dispositif comprend une première zone de réchauffage de l'eau à basse pression, une bâche de réception et de dégazage de l'eau et une seconde zone de réchauffage de l'eau à haute pression, on y dispose avantageusement une vanne de réglage du débit d'eau à basse pression passant en échange de chaleur avec les gaz de combustion détendus dans la turbine à gaz, afin de régler la température de l'eau ainsi réchauffée et par suite la température de l'eau introduite dans la bâche, à une valeur optimale. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence à la figure schématique unique du dessin annexé, une installation de production d'énergie électrique comprenant d'une part une chaudière à charbon, d'autre part une turbine à gaz, et permettant de répondre aux pointes de consommation. La chaudière représentée schématiquement par le rectangle 1 comprend des brûleurs à charbon pulvérulent, représentés schématiquement en 2, et un circuit de réchauffage, de vaporisation, de surchauffe et éventuellement de resurchauffe. Sessdiverses zones d'échange de chaleur, de type connu, ne sont pas représentées. La vapeur surchauffée est envoyée par le conduit 3 à la turbine de détente 10. L'échappement de celle-ci est relié au condenseur 11, cependant que la puissance disponible sur l'arbre de la turbine est transmise à un alternateur 12. Par ailleurs, la turbine à gaz 20 entraine un compresseur d'air 21 et un alternateur 22. Un combustible liquide ou gazeux est brûlé dans la chambre de combustion 23, et les gaz de combustion sont introduits dans la turbine 20. Les gaz d'échappement passent successivement dans les zones d'échange de chaleur avec l'eau à haute pression 24, puis avec l'eau à basse pression 25. Ils sont enfin évacués à la cheminée 26. L'eau condensée est refoulée par une pompe à basse pression 13 vers les lignes de réchauffage, d'une part par échange avec la vapeur soutirée à la turbine (ligne d'échange 1), d'autre part par échange de chaleur avec les gaz d'échappement de la turbine à gaz (25). La proportion d'eau passant dans l'échangeur 25 est ajustée par la vanne de réglage 27, de façon à y faire passer un débit aussi faible que possible (ce qui permet d'augmenter les soutirages sur le corps à basse pression de la turbine à vapeur 10, de réduire d'autant ceux sur les corps à pression plus élevée, et par suite d'augmenter la puissance produite par cette turbine), sans toutefois que la température obtenue pour l'eau introduite dans la bâche 15 soit trop élevée pour permettre son dégazage convenable par la vapeur soutirée sur la turbine 10 par le conduit 15A. L'eau dégazée dans la bâche est refoulée par la pompe à haute pression 16 vers les lignes de réchauffage, d'une part par soutirage de vapeur dans le corps haute pression de la turbine à vapeur (ligne d'échange 17), d'autre part en échange de chaleur avec les gaz d'échappement de la turbine à gaz (échangeur 24). Une vanne 28 permet de régler les débits respectifs dans les deux lignes d'-échange. L'eau réchauffée est introduite par le conduit 18 dans la chaudière. Afin de permettre de laisser fonctionner la turbine à gaz à pleine puissance, même lorsque la faiblesse de la consommation de courant électrique ne peut plus être compensée par une baisse de charge de la chaudière accompagnée d'une baisse de pression, il est disposé en parallèle avec les échangeurs 25 et 24 des conduits de recyclage de l'eau réchauffée 29 et 32, munis respectivement de pompes 30 et 33 et de vannes de réglage de débit 31 et 34. Il est donné ci-après à titre d'exemple les débits et températures dans les circuits pour des fonctionnements à pleine charge et à 65% de la pleine charge, sur une centrale-de production d'énergie électrique fournissant 650 Mw sur la turbine de vapeur, et 120 Mw sur la turbine à gaz, la chaudière étant alimentée en fines de charbon et la turbine à gaz en gaz de cokerie. A pleine charge, la pompe à basse pression 13 refoule 1638 t/h d'eau à 890C, dont 950 t/h sont envoyés dans la ligne d'échange 14 et 688 t/h dans l'échangeur 25, du fait du degré d'ouverture de la vanne 27. L'eau est réchauffée dans la ligne d'échange 14 à 1490C, et celle passant dans l'échangeur 25 est portée à 1690C, par 1500 t/h de gaz d'échappement de la turbine qui s'y refroidissent de 2620 à 1150C. L'ensemble de l'eau réchauffée est introduit dans la bâche 15, où il est dégazé et réchauffé à 1890C par injection de vapeur prélevée dans la turbine 10. L'eau réchauffée est refoulée par la pompe à haute pression 16. Elle en sort à 1930C et se répartit entre la ligne d'échange 17 (175 t/h) et l'échangeur 24 (1579 t/h). L'eau est alors réchauffée à 2630C, cependant que les gaz d'échappement de la turbine se refroidissent de 5600 à 2620C dans l'échangeur 25. Elle est alors introduite dans la chaudière. En fonctionnement à 65% de la pleine charge, la pompe à basse pression 13 refoule 1122 t/h d'eau condensée à 760C, dont 335 t/h passent dans la ligne d'échange 14 où elles se réchauffent à 1360C. Par ailleurs, 787 t/h d'eau se réchauffent dans l'échangeur 25 à 1510C (où les gaz d'échappement de la turbine à gaz se refroidissent de 2550 à 1010C). L'eau introduite dans la bâche 15 y est réchauffée à 1670C. Elle est refoulée par la pompe à haute pression 16 à 1710C, en débits respectifs de 171 t/h dans la ligne d'échange 17 et de 1082 t/h dans ltéchan- geur 24. Elle se réchauffe à 2730C avant d'être envoyée à la chaudière (les gaz d'échappement de la turbine à gaz se refroidissant de 5600 à 2550C dans l'échangeur 25). On observe qu'en fonctionnement à charge partielle, l'eau est réchauffée à une température plus élevée qu'en fonctionnement à pleine charge. Pour les chaudières à circulation forcée, ceci tendrait à soumettre les appareillages d'échange de chaleur de la chaudière et les tuyauteries à des contraintes inadmissibles aux températures atteintes, mais cette élévation de température est compensée en ce qui concerne les contraintes sur l'appareillage par un niveau de pression plus faible, de sorte que les dimensionnements prévus pour le fonctionnement à pleine charge n'ont pas à être modifiés. Bien que le procédé et le dispositif qui ont été décrits en référence à la figure du dessin paraissent la forme de réalisation préférable de l'invention, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadre due l'invention, certaines opérations du procédé ou certains organes de l'appareillage pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient le meme rôle technique. En particulier, pour assurer une souplesse encore plus grande, on peut mettre en parallèle deux ou plusieurs turbines à gaz, avec les lignes d'échange de chaleur correspondantes, et arrêter l'une des turbines lorsque la charge diminue de façon trop importante. REVENDICATIONS 1/ Procédé de production d'énergie en quantité variable permettant de répondre à des pointes de consommation, dans lequel - a) on produit une quantité d'énergie correspondant au plus à la demande normale par réchauffage, vaporisation d'eau dans une chaudière (1), surchauffe et éventuellement resurchauffe de la vapeur obtenue, puis détente de la vapeur produite dans une turbine à vapeur (10), - b) lors deys pointes de consommation, on produit une quantité d'énergie supplémentaire par combustion d'un gaz et détente du gaz de combustion dans au moins une turbine à gaz (20) caractérisé en ce que l'on réchauffe une partie de liteau d'alimentation de la chaudière par échange de chaleur avec les gaz de combustion issus de la turbine à gaz dans une ligne d'échange séparée (25, 24). 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la pointe de consommation d'énergie est inférieure à celle susceptible d'être produite par la turbine à gaz fonctionnant à pleine puissance, on fait fonctionner la chaudière à une charge inférieure à sa charge nominale, sans réduire la charge de la turbine à gaz, et on réchauffe une part plus importante de l'eau d'alimentation de la chaudière en échange de chaleur avec les gaz de combustion issus de la turbine à gaz. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, lorsque la pointe de consommation d'énergie est inférieure à celle susceptible d'entre fournie par la turbine -à gaz fonctionnant à pleine puissance, même en faisant fonctionner la chaudière à une charge inférieure à sa charge nominale, on recycle (29, 32) une partie de l'eau déjà réchauffée dans la ligne d'échange de chaleur avec les gaz de combustion de la turbine à gaz vers une zone plus froide de cette ligne d'échange, de façon à éviter une élévation de température excessive de 11 eau ainsi réchauffée. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'eau à réchauffer subit un premier réchauffage à basse pression, est admise dans une bâche (15) où elle est dégazée, puis subit un réchauffage à haute pression, caractérisé en ce que l-'on règle (27) le débit d'eau à basse pression passant en échange de chaleur (25) avec les gaz d'échappement de la turbine à gaz de façon que la température de- l'eau ainsi réchauffée à basse pression soit supérieure à celle de l'eau réchauffée par soutirage de vapeur dans la turbine, de manière à augmenter les soutirages de vapeur dans la zone à basse pression de la turbine en réduisant d'autant ceux de la zone à plus haute pression de la turbine, et ainsi à augmenter la puissance développée par cette~turbine. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le débit d'eau réchauffé à basse pression en échange de chaleur avec les gaz d'échappement de la turbine est maintenu à une valeur suffisamment élevée pour que l'eau introduite dans la bâche puisse y subir un bon dégazage. 6/ Dispositif de miseen oeuvre du procédé selon les revendications 1 ou 2, comprenant une chaudière (1) de vaporisation et de surchauffe d'eau par combustion d'un combustible solide ou liquide, au moins une turbine de détente de la vapeur surchauffée (10), un condenseur (11) de la vapeur détendue, et des échangeurs de réchauffage de l'eau condensée à l'aide de soutirages de vapeur prélevée à la turbine, un dispositif (23) de combustion d'un gaz combustible et une turbine (20) de détente des gaz de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des échangeurs (25, 24) de réchauffage d'une fraction de l'eau condensée en contre-courant des gaz de combustion détendus dans la turbine à gaz. 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un conduit de recyclage (29, 32) d'au moins une partie de l'eau réchauffée vers une zone plus froide des échangeurs de réchauffage en échange de chaleur avec les gaz de combustion de la turbine à gaz, et une vanne (31, 34) de contrôle du débit d'eau réchauffée dans le conduit de recyclage. 8/ Dispositif selon les revendications 6 ou 7, comprenant une première zone de réchauffage de l'eau à basse pression, une bâche (15) de réception et de dégazage de l'eau, et une seconde zone de réchauffage de l'eau à haute pression, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne (27) de réglage du débit d'eau à basse pression passant en échange de chaleur avec les gaz de combustion détendus dans la turbine à gaz.