Brevet FR2592683A1 — publié le 19870710

Installation de turbine à gaz à cycle amélioré La présente invention concerne une installation de turbine à gaz à cycle amélioré. Afin de récupérer de lténergie sur les gaz d'échappement d'une turbine à gaz, il est connu d'envoyer ces gaz vers un évaporateur alimenté en eau et produisant de la vapeur détendue ensuite dans une turbine fournissant sur son arbre de la puissance utile. A l'échappement de la turbine, la vapeur est envoyée vers un condenseur puis une pompe alimentaire renvoie l'eau à l'évaporateur. A la sortie de l'évaporateur, les gaz d'échappement sont envoyés à l'atmosphère. L'évaporateur, selon le cas, est un simple échangeur de chaleur, il est aussi parois une véritable chaudière avec apport de combustible. Ce système de récupération comporte donc un cycle fermé comprenant sa propre turbine et une sortie de puissance sur son arbre nécessitant très généralement un réducteur entre la turbine et la machine utilisatrice. Le cycle est indépendant de celui de la turbine à gaz, il reçoit seulement les calories de ltéchapppement de cette dernière et l'ensemble nécessite deux systèmes de régulations indépendants. Par ailleurs, la puissance sur l'arbre de la turbine à vapeur ne trouve pas toujours une utilisation séparée. La présente invention vise une installation de turbine à gaz dans laquelle la récupération de l'énergie des gaz d'échappement est faite d'une façon qui permette de reporter cette récupération sur la turbine à gaz elle-même et ainsi de pallier les inconvénients cités ci-dessus en simplifiant le cycle de récupération et en supprimant la puissance de récupération produite sous forme annexe indépendante. La présente invention a ainsi pour objet une installation de turbine à gaz à cycle amélioré comprenant un compresseur, une turbine à gaz et une chambre de combustion recevant en entrée de l'air comprimé sortant du compresseur et alimentant en sortie l'entrée de ladite turbine, ladite chambre de combustion étant alimentée en combustible, la turbine et le compresseur étant liés mécaniquement en rotation et la turbine entrainant une machine utilisatrice, l'échappement de la turbine étant relié à une entrée gaz d'un évaporateur surchauffeur alimenté en fluide liquide par une entrée liquide, ledit évaporateurxsurchauffeur comportant en outre une sortie gaz et une sortie vapeur, caractérisée en ce que la sortie gaz de l'évaporateur surchauffeur est reliée à une entrée d'un dispositif provoquant la dépression, par rapport à la pression atmosphérique, de l'échappement de ladite turbine à gaz, ledit dispositif comprenant un moyen moteur alimenté par ladite sortie vapeur dudit évaporateur surchauffeur. Selon une première réalisation de l'invention, ledit dispositif comprend un compresseur échappant à l'atmosphère, ledit moyen moteur comprenant une turbine, entrainant ledit compresseur et alimentée par ladite sortie vapeur de l'évaporateur, l'échappement de la turbine étant reliée à l'entrée d'un condenseur dont la sortie est reliée, par l'intermédiaire d'une pompe alimentaire, à l'entrée liquide dudit évaporateur surchauffeur. Selon une deuxième réalisation de l'invention ledit dispositif et son moyen moteur sont constitués par un éjecteur. L'invention va maintenant être décrite en référence au dessin annexé dans lequel La figure 1 est un schéma montrant une installation de turbine à gaz à cycle amélioré selon l'invention selon un premier mode de réalisation. La figure 2 est un schéma montrant une installation de turbine à gaz à cycle amélioré selon l'invention selon un deuxième mode de réalisation. La figure 3 est une portion de schéma montrant une amélioration pouvant s'appliquer aussi bien à l'installation représentée figure 1 qu'à l'installation représentée figure 2. L'installation représentée figure 1 comprend un compresseur 1 alimenté en air par son entrée 2. La sortie 3 du compresseur est reliée à l'entrée d'une chambre de combustion 5 dont la sortie alimente une turbine à gaz 6 entraînant en rotation le compresseur 1. La chambre de combustion 5 est alimentée en 7 en combustible. L'arbre de sortie 8 de la turbine 6 entraine en rotation une machine utilisatrice 9 par exemple un alternateur, par l'intermédiaire d'un réducteur 10. L'échappement 17 de la turbine 6 est relié à l'entrée gaz 12 d'un évaporateur surchauffeur 13 qui comporte une sortie gaz 14. L'évaporateur surchauffeur 13 comporte en outre une entrée eau 15 et une sortie vapeur 16. Cet évaporateur surchauffeur est un simple échangeur de chaleur. Il pourrait aussi éventuellement être une chaudière avec apport de combustible. La sortie gaz 14 de l'évaporateur 13 est reliée à l'entrée d'un dispositif 17 destiné à mettre en dépression, par rapport à l'atmosphère, l'échappement 11 de la turbine à gaz. Le dispositif 17 comprend un moyen moteur alimenté par la sortie vapeur 16 de l'évapora- teur 13.Dans cette réalisation selon la figure 1, le dispositif 17 comprend un compresseur 18 qui reçoit les gaz en sortie 14 de l'évapora- teur surchauffeur et qui refoule en 19 à l'atmosphère. Le compresseur 18 est entraîné en rotation par le moyen moteur constitué par une turbine à vapeur 20 alimentée en vapeur par la sortie vapeur 16. L'échappement 21 de la turbine est relié à un condenseur 22 dont la sortie 23 est reliée à l'entrée eau 15 de l'évaporateur surchauffeur 13 par l'intermédiaire d'une pompe alimentaire 24 entrainée par un moteur 25. Ainsi, grâce à l'invention, l'énergie récupérée sur les gaz d'échappement de la turbine à gaz 6 se retrouve directement sur l'arbre 8 de la turbine, grâce à la dépression réalisée par le dispositif 17 à l'échappement de la turbine. Il y a donc une réelle combinaison du dispositif 17, ici un cycle fermé utilisant l'eau pour fluide thermodynamique, avec le cycle gaz, en outre, il n'y a qu'unie seule régulation. Il y a une seule machine utilisatrice et un seul réducteur. Le compresseur 18 est petit et simple. A titre d'exemple, pour une turbine de 1100 CV dont le débit de gaz à l'échappement est de 6,1 kg/s à 4500 C et échappant à la pression atmosphérique de 1,013 bars, si on lui ajoute le dispositif selon l'invention mettant l'échappement de la turbine en dépression à 0,795 bars, la température étant alors de 4000 C, on obtient un supplément de puissance de 400 CV. On peut alors soit fonctionner à la même puissance de 1100 CV mais en économisant le combustible alimentant en 7 la chambre de combustion, soit fonctionner à 1500 CV en modifiant éventuellement les derniers étages de la turbine ou en ajoutant un étage. Dans l'exemple choisi, le compresseur 1 aspire de l'air à 250 C et 1,013 bars. La vapeur produite par l'évaporateur 13 est de la vapeur d'eau sèche à 3600 C et 23,2 bars et elle a un débit de 0,443 kg/s. A l'entrée du compresseur 18, les gaz sont à 1500 C et 0,769 bars et à sa sortie 19 à 1950 C et 1,013 bars. La pression dans le condenseur 22 est de 0,15 bars. L'exemple numérique ci-dessus a été traité en choisissant l'eau pour fluide thermodynamique du cycle de Rankine, mais d'autres fluides que l'eau, par exemple un fluide organique tel que celui connu sous le nom de "Fluorinol" pourrait être choisi sans modifier en rien la nature de l'invention. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 2, le dispositif 17 comporte un éjecteur 26 qui comprend une chambre d'admission 27 reliée à la sortie gaz 14 de l'évaporateur 13 et dans l'axe duquel est située une buse d'éjection 28 alimentée en fluide moteur c'est-à-dire par la vapeur provenant de la sortie vapeur 16 de l'évaporateur 13. Dans cette réalisation, l'éjecteur éjectant à l'atmosphère, on fonctionne à eau perdue et il est donc nécessaire de disposer d'un débit d'eau suffisant. En outre, les performances sont moins bonnes que dans le cas de la première réalisation mais par contre, l'ensemble est d'une très grande simplicité, il n'y a plus ni turbine à vapeur, ni compresseur, ni condenseur cette solution est donc intéressante surtout pour les petites machines à cause du débit d'eau, ou même pour les machines plus importantes si l'on dispose d'un grand débit d'eau. La performance de l'installation peut-être améliorée, aussi bien dans le cas du premier mode de réalisation conforme au schéma de la figure 1 que dans celui du deuxième mode de réalisation conforme au schéma de la figure 2, en ajoutant un circuit réfrigérant 29 à l'installation, placé entre l'évaporateur 13 et le dispositif 17. REVENDICATIONS 1/ Installation de turbine à gaz à cycle amélioré comprenant un compresseur (1), une turbine à gaz (6) et une chambre de combustion (5) recevant en entrée de l'air comprimé sortant du compresseur et alimentant en sortie l'entrée de ladite turbine, ladite chambre de combustion étant alimentée en combustible (7), la turbine et le compresseur étant liés mécaniquement en rotation et la turbine entrainant une machine utilisatrice (9), l'échappement (11) de la turbine étant relié à une entrée gaz (12) d'un évaporateur surchauffeur (13) alimenté en fluide liquide par une entrée liquide (15), ledit évaporateur surchauffeur comportant en outre une sortie gaz (14) et une sortie vapeur (16), caractérisée en ce que la sortie gaz (14) de l'évaporateur surchauffeur est reliée à une entrée d'un dispositif (17) provoquant la dépression, par rapport à la pression atmosphérique, de l'échappement (11) de ladite turbine à gaz, ledit dispositif comprenant un moyen moteur alimenté par ladite sortie vapeur (16) dudit évaporateur surchauffeur. 2/ Installation de turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit dispositif comprend un compresseur (18) échappant à l'atmosphère, ledit moyen moteur comprenant une turbine (20) entraînant ledit compresseur et alimentée par ladite sortie vapeur (16) de l'évapo- rateur surchauffeur, l'échappement (21) de la turbine étant relié à l'entrée d'un condenseur (22) dont la sortie (23) est reliée, par l'intermédiaire d'une pompe (24) alimentaire, à l'entrée liquide (15) dudit évaporateur surchauffeur. 3/ Installation de turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit dispositif et son moyen moteur sont constitués par un éjecteur 26. 4/ Installation de turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'avant leur entrée dans ledit dispositif, les gaz, en sortie dudit évaporateur surchauffeur, sont envoyés sur un circuit réfrigérant (29). 5/ Installation de turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit fluide liquide est de l'eau.