Brevet FR2585407A1 — publié le 19870130

DISPOSITIF POUR COMMANDER LA CIRCULATION DE L' 'AIR DE REFROIDISSEMENT D'UNE TURBINE A GAZ La présente invention concerne un dispositif pour commander la circulation de l'air de refroidissement d'une turbine à gaz, et plus particulièrement, un dispositif pour commander l'air de refroidissement à un débit optimal de sortie en fonction des conditions de combustion de la turbine à gaz à refroidir par l'air de refroidissement. Il est bien connu que le rendement d'une turbine à gaz peut être rapidement augmenté en adoptant une température d'allumage supérieure du milieu de mise en oeuvre.Cependant, en association avec l'élévation de la température d'allumage, il est nécessaire en même temps de faire progresser le développement du domaine des matériaux. Pour réaliser l'élévation de la température d'allumage, une condition primordiale consiste à employer un matériau résistant à température élevée. Cependant, avec les techniques existantes, le développement des matériaux atteint un sommet et on peut difficilement s'attendre à un perfectionnement décisif des matériaux. Par conséquent, un procédé d'abaissement de la température de. mise en oeuvre du matériau est souvent adopté grâce au refroidissement du matériau lui-même. Parmi les éléments constitutifs de la turbine à gaz, les pales de stator du premier'étage sont exposées à la température maximale d'allumage, et l'état de la température est adouci sur les pales de rotor du premier étage, les pales de stator du deuxième étage et les pales de rotor du deuxième étage, dans l'ordre. La turbine à gaz utilisée comme générateur d'énergie adopte un procédé de refroidissement comprenant les opérations de compression de l'air par un compresseur d'air directement couplé & la turbine & gaz, le refroidissement de l'air comprimé par un refroidisseur intermédiaire, et le refroidissement des pales de stator et des pales de rotor par l'air & température abaissée. 00 Dans le but d'augmenter le rendement de la centrale thermique, il est souhaitable que la consommation de l'air de refroidissement soit maintenue à un minimum de façon à limiter la température des pales de stator et des pales de rotor & une valeur admissible. Par exemple, dans la demande de brevet japonais No. 112826/1980, il est proposé que la température du gaz d'échappement de la turbine & gaz soit détectée, et que le débit de l'air de refroidissement soit commandé en fonction de la température du gaz d'échappement. Dans ce dispositif classique, lorsque la température atmosphérique est & valeur constante, il existe une corrélation entre la température du gaz d'échappement et la température d'allumage, si bien que la commande du débit de l'air de refroidissement peut être effectuée avec précision. Cependant, lorsque la température atmosphérique varie, cela pose des problèmes tels que la corrélation ci-dessus est supprimée. Par conséquent, la température atmosphérique est considérée comme inférieure à une température maximale, par exemple 50'C, ce qui correspond aux conditions les plus défavorables du système de refroidissement, et la circulation de l'air de refroidissement nécessaire en fonction de la température du gaz d'échappement est définie par la température atmosphérique adoptée ci-dessus. C'est pourquoi, lorsque la température atmosphérique réelle est inférieure & 50'C, une quantité d'air de refroidissement supérieure & ce qui est nécessaire est appliquée au dispositif, ce qui a pour conséquence d'abaisser le rendement de la centrale thermique. On a également envisagé par ailleurs de mesurer directement la température d'allumage au moyen d'un capteur et de commander ensuite le débit de l'air de refroidissement en fonction de la température d'allumage mesurée. Etant donné que la température d'allumage dépasse 1000 C et que les gaz circulent à grande vitesse, il est difficile d'obtenir un capteur ayant une fiabilité élevée à long terme, si bien que cette méthode de commande n'a pas été mise en pratique jusqu'à maintenant. La présente invention a été réalisée dans les circonstances ci-dessus, et un objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif dans lequel la température du métal des parties de la turbine à gaz soumises aux gaz chauds telles que les lames de rotor et les lames de stator etc. est maintenue à une valeur convenable et peut être réglée à la limite maximale nécessaire en agissant sur le débit de l'air de refroidissement. Un autre objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif dans lequel la température d'allumage n'est pas mesurée directement, mais estimée précisément par un autre paramètre de fonctionnement et dans lequel le débit de l'air de refroidissement peut être commandé. En ce qui concerne le dispositif de- commande de la présente invention, qui est construit de façon à réaliser les objectifs ci-dessus, son principe fondamental est indiqué brièvement tout d'abord de la façon suivante. Selon les techniques classiques, la commande du débit de l'air de refroidissement des parties soumises aux gaz chauds est effectuée totalement en fonction de la température des gaz d'échappement de la turbine à gaz. Cependant, le critère de la commande du débit de l'air de refroidissement devrait être la température d'allumage et non la température des gaz d'échappement. En supposant que les conditions atmosphériques sont telles que la température atmosphérique est maintenue à valeur constante, les techniques classiques ci-dessus (à savoir, une commande du débit de l'air de refroidissement fonction de la température du gaz d'échappement) sont appliquées. Mais, dans les cas réels o les conditions atmosphériques ne sont pas constantes, la température d'allumage est de plus calculée et il est alors nécessaire d'effectuer la commande du débit de l'air de refroidissement en fonction de la température d'allumage calculée. Autrement dit, pour obtenir la commande de température convenable des parties soumises aux gaze chauds de la turbine & gaz, il est nécessaire d'ajuster le débit de l'air de refroidissement selon un paramètre de corrélation entre le débit de l'air de refroidissement et la température d'allumage. Un dispositif de commande du débit de l'air de refroidissement selon la présente invention comprend un moyen détecteur pour détecter la pression de l'air de sortie délivré par le compresseur d'air, un moyen détecteur pour détecter la température des gaz d'échappement de la turbine à gaz, et un moyen de calcul pour calculer un signal de débit d'air de refroidissement nécessaire à partir du signal de pression d'air de sortie et du signal de température des gaz d'échappement, de façon à commander ainsi la vanne de commande de l'air de refroidissement par un signal de sortie du moyen de calcul. L'air de sortie délivré par le compresseur d'air est conduit vers l'extérieur de la turbine à gaz au moyen d'une conduite. La vanne de commande de l'air de refroidissement est une vanne de réglage de débit d'air, et le débit de l'air de refroidissement est commandé par une vanne de réglage de débit d'air et appliqué au voisinage d'une pale de stator de la turbine & gaz. Un refroidisseur intermédiaire est placé & mi-chemin du trajet de l'air de refroidissement et l'air de refroidissement est refroidi par le refroidisseur intermédiaire et appliqué au voisinage d'une pale de stator de la turbine à gaz. On va maintenant décrire l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de système de commande de refroidissement représentant un premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 est un graphe représentant la relation entre la température des gaz d'échappement, la pression de sortie et la température d'allumage dans le mode-de réalisation ci-dessus de la présente invention; la figure 3 est un graphe représentant la relation entre la température des gaz d'échappement, la pression de sortie et le débit nécessaire de l'air de refroidissement dans le mode de réalisation ci-dessus de la présente invention; la figure 4 est un graphe représentant la relation entre la pression de sortie et le pourcentage du débit d'air maximal possible du mode de réalisation de la présente invention; et la figure 5 est un graphe représentant la relation entre la différence de quantité entre le débit maximal possible de l'air et le débit d'air nécessaire, et la température de l'air de refroidissement dans le mode de réalisation de la présente invention. Un mode de réalisation de la présente invention va être décrit en se reportant & la figure 1. La figure 1 est un schéma d'un système de refroidissement d'une turbine à gaz ajoutant un système de commande constitué de manière à appliquer la présente invention. L'air de sortie 4 délivré par un compresseur d'air 1 est introduit dans une chambre de combustion 3 par un moyen de conduite et le gaz de combustion ou gaz d'allumage 5 s'échappant de la chambre de combustion 3 est appliqué au voisinage d'une pale de stator d'une turbine à gaz 2. Une partie de l'air de sortie délivré 4 subit un échange de température avec de l'eau de refroidissement 8 dans un refroidisseur intermédiaire 6. La pression de l'air de sortie délivré par le compresseur d'air 1 est mesurée par un manomètre 22. La température des gaz d'échappement de la turbine à gaz 2 est mesurée par un thermomètre 23. La pression de sortie (P) et la température des gaz d'échappement (Te) sont introduits dans un élément de calcul de débit (21). Un débit d'air de refroidissement nécessaire est calculé à partir de la pression de sortie et de la température des gaz d'échappement dans l'élément de calcul de débit 21. Ces quantités sont reliées entre elles par les caractéristiques générales de la turbine à gaz 2 comme l'indique la figure 2. En utilisant la relation selon laquelle la température d'allumage peut être calculée & partir de la pression de sortie de la température des gaz d'échappement, on calcule ainsi le débit de l'air de refroidissement nécessaire correspondant à la température d'allumage. La relation entre la température du gaz d'échappement, la pression de sortie et le débit nécessaire de l'air de refroidissement telle qu'elle est représentée sur la figure 3 est introduite en fonction des relations entre la température des gaz d'échappement, la pression de sortie et la température d'allumage représentées sur la figure 2, et ces relations sont introduites dans l'élément de calcul de débit 21. Le débit nécessaire de l'air de refroidissement est calculé par l'élément de calcul du débit 21, un signal donne les instructions à une vanne de commande de débit d'air 20, et ainsi, le débit de l'air de refroidissement 7 est commandé par la vanne de commande de débit d'air 20. - Le débit maximal possible de l'air de refroidissement 7 correspondant à l'état complètement ouvert de la vanne de commande de débit d'air 20 et il est déterminé par la formule suivante en fonction de la pression de l'air de sortie 4. G = A. K. JP. A P/T dans laquelle Une tel: G = débit maximal possible de l'air de refroidissement 7 A = surface de la section de passage de la vanne de commande de débit 20 à l'état complètement ouvert K = coefficient P = pression de l'air de sortie 4 P = perte de charge dans la vanne de commande de débit d'air 20 T = Température de l'air. le relation est représentée sur la figure 4. Ce débit maximal possible de l'air de refroidissement 7 est comparé au débit d'air nécessaire calculé par l'élément de calcul de débit 21. Quand le débit d'air nécessaire est inférieur au débit maximal possible de l'air de refroidissement 7, comme dans le cas de la figure 5, la température de l'air de e refroidissement est maintenue à une température de consigne fixée, par exemple 200'C. Quand le débit d'air nécessaire est supérieur au débit maximal possible de l'air de refroidissement 7, le débit de l'eau de refroidissement 8 est ajusté de façon à abaisser la température de l'air de refroidissement. La commande ci-dessus est effectuée grâce aux opérations suivantes. Les opérations comprennent l'application de la pression mesurée par le manomètre 22 et du débit d'air nécessaire calculé par l'élément de calcul de débit 21 dans un élément de calcul de température 12a, la mesure de la température (Tc) de l'air de refroidissement 7 par le thermomètre 11, l'introduction de la température mesurée (Tc) dans l'élément de calcul de température 12a, et le calcul d'un signal donnant les instructions nécessaires à une vanne 9 de réglage de l'eau de refroidisssement par l'élément de calcul de température 12a. La commande basée sur les caractéristiques représentées sur la figure 5 est indispensable, mais il est possible d'effectuer une commande de débit d'air en utilisant une vanne de commande de débit d'air de grande capacité 20 tandis que la température de l'air de refroidissement est maintenue à valeur constante, par exemple 200C. Dans le cas ci-dessus, l'élément de calcul de température 12a pourrait être du type commande à contre-réactiQn afin que la température de l'air de refroidissement (Tc) puisse prendre une valeur prédéterminée. Ensuite, selon la présente invention, même si la température atmosphérique varie, le débit de l'air de refroidissement qui correspond à la température d'allumage serait appliqué à l'dispositif. Le fait ci- dessus sera expliqué de la façon suivante. La turbine à gaz utilisée comme centrale thermique ordinaire fonctionne à vitesse constante dans les conditions normales de fonctionnement et en même temps que la variation de la température de l'air d'admission du compresseur d'air, la pression de sortie varie également. Plus précisément, la variation de la pression de sortie du compresseur d'air est provoquée par la variation de la température de l'air d'admission. Ainsi, en même temps que la détermination de la pression de sortie et la température du gaz d'échappement, la température d'allumage est déterminée selon le premier principe. Par conséquent, il est possible de calculer la température d'allumage en fonction de la température des gaz d'échappement et de la pression de sortie comme l'indique le graphe de caractéristiques de la figure 2, et les résultats calculés sont en conformité avec la température réelle d'allumage. Comme cela a été expliqué en détail ci-dessus, selon la présente invention, la température des parties métalliques soumises aux gaz chauds dans la turbine à gaz peut être ajustée convenablement, et il est encore possible de contribuer considérablement & l'augmentation de la longévité et de la fiabilité sans nuire au rendement thermique de la turbine à gaz. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande du débit de l'air de refroidissement d'une turbine à gaz comprenant: un compresseur d'air directement couplé à une turbine à gaz, un passage d'air de refroidissement pour introduire une partie de l'air de sortie délivré par ledit compresseur d'air à une partie soumise aux gaz chauds de la turbine à gaz, et une vanne de commande d'air de refroidissement disposée à mi-chemin sur ledit passage de l'air de refroidissement, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un moyen détecteur (22) pour détecter la pression de l'air de sortie (4) délivré par ledit compresseur d'air (1), un moyen détecteur (23) pour détecter la température des gaz d'échappement de la turbine à gaz (2), et un moyen de calcul (21) pour calculer un signal de débit d'air de refroidissement nécessaire à partir d'un signal de pression d'air de sortie et d'un signal de température des gaz d'échappement, de façon que ladite vanne de commande de l'air de refrodissement (20) soit commandée par un signal de sortie desdits moyens de calcul. 2. Dispositif de commande du débit de l'air de refroidissement d'une turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un moyen de conduite de l'air de sortie (4) dudit compresseur d'air (1) conduit cet air vers l'extérieur de la turbine à gaz (2), que ladite vanne de commande de l'air de refroidissement (20) est une vanne de réglage de débit d'air, et que le débit dudit air de refroidissement (7) est commandé par ladite vanne de réglage de débit d'air et appliqué au voisinage d'une pale de stator de la turbine à gaz (2). 3. Dispositif de commande du débit de l'air de refroidissement d'une turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un 1i1 refroidisseur intermédiaire (6) est installé à mi-chemin dudit passage de l'air de refroidissement et-que l'air de refroidissement est refroidi par ledit refroidisseur intermédiaire et appliqué au voisinage d'une pale de stator de la turbine à gaz (2).