Brevet FR2781252A1 — publié le 20000121

Description La présente invention concerne une centrale élec- trique mixte comprenant une turbine à gaz avec un générateur électrique et un générateur de vapeur pour une turbine à va- peur à pressions multiples équipée d'une génératrice d'électricité, les gaz sortant de la turbine à gaz étant fournis à une première chaudière de récupération de chaleur munie de surfaces de chauffage pour le préchauffage de l'eau d'alimentation, pour générer de la vapeur et surchauffer de la vapeur ainsi que les fumées d'une installation de conver- sion thermique qui sont fournies à une seconde chaudière de récupération. L'utilisation de la chaleur de récupération à basse température des fumées de procédés de conversion ther- mique pour générer du courant électrique a échoué jusqu'à présent à cause du mauvais rendement économique d'installations mixtes. Les températures des gaz d'échappement, relative- ment faibles, et qui varient fortement, parce que liées au procédé, pour de telles sources de chaleur de récupération, n'ont permis jusqu'à présent que d'obtenir de faibles paramè- tres de vapeur. Le rendement électrique des génératrices de courant en combinaison avec une température de vapeur, se ca- ractérisait par des moyens pour obtenir une température de vapeur appropriée pour la pression de vapeur. Selon le document DE 195 23 062 Al, on connaît une centrale mixte comprenant une turbine à gaz et une tur- bine à vapeur (encore appelée centrale de cogénération). Dans cette centrale mixte à turbine à gaz et tur- bine à vapeur, une installation de turbine à vapeur utilise la vapeur fournie par un générateur de vapeur équipé d'un moyen de chauffage et/ou la vapeur d'une chaudière de récupé- ration traversée par les gaz d'échappement de la turbine à gaz. Pour permettre un préchauffage réglable de l'air combu- rant, comprimé, de l'installation de turbine à gaz, il est prévu un échangeur de chaleur. Pour rendre particulièrement économique le fonctionnement de la centrale mixte même en charge partielle, l'échangeur de chaleur de l'air comburant alimentant la turbine à gaz, est installé dans le canal des fumées de l'échangeur de vapeur et est réalisé comme récupé- rateur, les fumées et l'air comburant étant conduit à travers les tuyaux du récupérateur. Le récupérateur est raccordé par une soupape à trois voies et une conduite auxiliaire à la conduite d'air comburant reliant le compresseur au brûleur à gaz de l'installation de turbine à gaz. Selon le document DE 197 34 862.9, non publié an- térieurement, il existe une centrale thermique à turbine à gaz et générateur de vapeur pour une turbine à vapeur à pres- sion multiple, selon laquelle les gaz d'échappement de la turbine à gaz alimentent une chaudière de récupération équi- pée d'un foyer supplémentaire pour augmenter le rendement de vapeur haute pression, et comportant un échangeur de chaleur fournissant la vapeur. Pour permettre de façon économique, de générer de la vapeur pour une turbine à vapeur à pressions multiples, notamment en cas de charge variable, il est prévu que pour fournir la vapeur à haute pression, trois étages de surchauffe haute pression, montés en série, comportent deux refroidisseurs par injection et que pour former de la vapeur à pression intermédiaire (PI), il y a deux étages de sur- chauffe PI, avec refroidissement par injection. Les étages de sortie du surchauffeur haute pression ou du surchauffeur PI, se trouvent dans la même partie de la chaudière de récupéra- tion et leurs tubes sont juxtaposés en alternant à la manière de peignes. Le premier étage de surchauffe PI se trouve entre ou derrière le premier étage de surchauffe haute pression. Un premier foyer utilisant les gaz d'échappement de la turbine à gaz se trouve dans la zone de l'étage de sortie du surchauf- feur et un second foyer se trouve en amont de l'évaporateur haute pression, le premier foyer étant régulé en fonction de la température de la vapeur à la sortie du premier étage de surchauffe PI et le second foyer, étant régulé en fonction de la charge de haute pression haute pression. La présente invention a pour but de concevoir la génération de courant électrique dans une centrale mixte à turbines à gaz et à vapeur pour utiliser la chaleur de récu- pération à basse température des fumées de procédés de con- version thermique comme par exemple des gaz d'échappement de procédé provenant d'installations d'incinération d'ordures ou de procédés analogues pour générer de la vapeur et permettant d'améliorer l'économie du procédé par une exploitation de la chaleur de récupération des fumées. A cet effet, l'invention concerne une centrale mixte du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que: - dans la seconde chaudière de récupération, traversée par les fumées, il y a d'un côté un évaporateur haute pression (HP), avec un système de tuyau de support et un tambour à vapeur haute pression, un évaporateur basse pression (BP) avec un système de tuyau et un tambour à vapeur basse pres- sion, - l'évaporateur haute pression étant relié à un premier sur- chauffeur de vapeur haute pression et à un second surchauf- feur de vapeur haute pression, dans une conduite de vapeur, - le second surchauffeur de vapeur haute pression est relié par une conduite de vapeur haute pression à la turbine de vapeur et, - l'évaporateur basse pression est également relié à la tur- bine à vapeur par une conduite basse pression. Selon l'invention, la chaleur de récupération à basse température des fumées provenant de procédés de conver- sion thermique comme par exemple les fumées de fours à ciment et à chaux, d'installations de frittage de minerai de fer, d'aciéries, d'installations d'incinération d'ordures ou au- tres, sont appliquées tout d'abord à une chaudière de récupé- ration avant que les fumées n'arrivent dans un étage d'épuration pour être épurées et refroidies avant d'être li- bérées à l'atmosphère. On épuise de façon intense la chaleur d'une chau- dière de récupération de procédé par l'installation d'un éva- porateur haute pression et d'un système d'évaporation basse pression. Pour éviter la condensation, les deux flux de va- peur sont conduits par des tubes de support vers des systèmes de vaporisation respectifs et sont surchauffés. Cette vapeur haute pression, surchauffée est mélangée par une conduite de liaison à la vapeur générée par la chaudière du côté des gaz d'échappement de la turbine à gaz. Les deux quantités de vapeur sont surchauffées en commun dans au moins l'un des deux surchauffeurs de la chau- dière de récupération de la turbine de gaz, pour arriver à la température de vapeur souhaitée. Une conduite de liaison fait passer la vapeur surchauffée dans l'étage haute pression de la turbine à vapeur. La vapeur basse pression générée par la chaudière de récupération du procédé arrive par l'intermédiaire d'un tambour basse pression et par les conduites de liaison à un réservoir d'eau d'alimentation qui effectue un dégazage ther- mique. La vapeur basse pression, résiduelle, arrive par une conduite de liaison à l'étage basse pression de la turbine de vapeur. On compense les pertes de pression du côté des fumées par un aspirateur intégré au procédé, en aval. Le préchauffage de l'eau d'alimentation se fait dans un économiseur commun à la sortie de la chaudière de la turbine à gaz. Une vanne à trois voies ou tiroir à trois voies répartit les quantités d'eau d'alimentation entre les différents tambours haute pression respectifs. Un échangeur de chaleur eau/eau, extérieur, re- froidit l'eau d'alimentation par le condensat venant d'un condenseur pour permettre d'atteindre la température d'entrée d'eau, basse à l'entrée de l'économiseur haute pression, et de réaliser ainsi un très fort épuisement de la chaleur dans la chaudière de la turbine à gaz. Le courant électrique est généré dans la généra- trice de la turbine à gaz équipée d'une chambre de combustion DLN et dans le générateur équipé d'une turbine à vapeur à plusieurs pressions. En cas de défaillance de la turbine à gaz, la chaudière fonctionne en mode de récupération simulé. Un ven- tilateur d'air frais fournit une quantité d'air à la chau- dière égale à la quantité des gaz d'échappement de la turbine à gaz. Le brûleur auxiliaire à l'entrée de la chaudière chauffe l'air chaud pour atteindre l'état de vapeur. La centrale mixte selon l'invention combine l'utilisation de la chaleur de récupération en sortie de pro- cédé par un vaporisateur haute et basse pression, suivie d'une faible surchauffe. Toute la surchauffe de la vapeur se fait du côté des gaz d'échappement de la turbine par un surchauffeur en deux parties ainsi que d'un évaporateur haute pression et d'un économiseur haute pression, commun. L'économiseur haute pression alimente à la fois l'évaporateur haute pression du côté des gaz d'échappement de la turbine à gaz, et l'évaporateur haute pression du côté des fumées provenant de l'installation de conversion thermique. Grâce à un épuisement poussé de la chaleur de récupération du côté des gaz d'échappement de la turbine à gaz, on génère le courant avec un rendement électrique élevé. Une partie de la vapeur basse pression sert au dégazage thermique et le reste est utilisé pour générer du courant électrique; la pression de vapeur et la température de vapeur sont définies dans une très large mesure par les données relatives au gaz du procédé. Les inconvénients des installations actuelles sont les suivants: - le courant est généré à partir de la chaleur de récupéra- tion à basse température ce qui limite le rendement élec- trique, - par un foyer supplémentaire du côté des fumées de l'installation de conversion thermique, on augmente la tem- pérature des gaz en amont du générateur de vapeur de gaz d'échappement conduisant à un courant plus élevé, mais à des pertes d'énergie plus importantes et des pertes de gaz d'échappement. (Quantités de fumées supplémentaires). - dans la plupart des gaz d'échappement contenant des pous- sières, par des puissances de chauffage supplémentaires im- portantes, on atteint le point de cendres grâce à des puissances de feux supplémentaires, aboutissant à des par- ticules de poussière. Cela peut conduire à des difficultés d'encrassage supplémentaires au niveau des surfaces de chauffage. Les avantages de la centrale mixte selon l'invention sont les suivants: - en déplaçant le foyer supplémentaire dans la turbine à gaz, on augmente le rendement électrique par génération de cou- rant dans la turbine à gaz et en même temps, on permet une température de gaz d'échappement élevée pour la turbine à gaz aboutissant à des températures de vapeurs chaudes plus élevées et ainsi à une augmentation supplémentaire du ren- dement du côté de la turbine de la vapeur. - un rendement d'amortissement plus élevé pour la quantité de vapeur oscillant fortement provenant de l'installation de conversion thermique (par exemple des températures ou des gaz d'échappement qui varient fortement en fonction du pro- cédé) par le système de génération de vapeur du côté des gaz d'échappement de la turbine à gaz. - la caractéristique des gaz d'échappement et la dynamique élevée du rotor des turbines à gaz à axes multiples utili- sées pour de tels procédés de centrale, permettent même pour des variations de puissance élevées de la turbine à gaz et grâce à une régulation appropriée, de maintenir constante dans des limites très étroites la température de vapeur autorisée à la turbine à vapeur. - en cas de défaillance ou d'arrêt du côté du procédé (ins- tallation de conversion thermique), il est possible de gé- nérer le courant de manière autarcique par la chaudière de la turbine à gaz. - la génération de courant souple par l'utilisation de turbi- nes à gaz à axes multiples et puissance électrique adaptée à la puissance de vapeur globale, en surchauffe. - faible coefficient NOx grâce à l'utilisation de brûleurs à sec à faible coefficient NOx dans la turbine à gaz (par exemple des brûleurs hybrides avec 13 ppm NOx). - extension de la plage d'application pour le traitement thermique des déchets particuliers qui nécessite en général des températures de procédé élevées avec des courants mas- siques de gaz de fuite faible pour une sollicitation impor- tante en produits polluants (vanadium, chlore et alcali). Pour des raisons matérielles, on ne peut avoir une sur- chauffe importante du côté des fumées de l'installation de conversion thermique du fait qu'un déplacement de la sur- chauffe du côté des gaz d'échappement des turbines à gaz: - pas de limitation du paramètre de vapeur par les données de sortie du procédé, le potentiel de rendement pour la génération du courant se situe à environ 60 %, - comme les chaleurs de récupération commandées par le procé- dé proviennent toujours de l'installation de conversion thermique, on considère cela comme un potentiel thermique offert appliqué à une utilisation économique. La présente invention sera décrite ci-après de manière détaillée à l'aide d'un schéma du procédé dans le- quel, la génération du courant se fait par le générateur 28 de la turbine à gaz 1 et le générateur 29 de la turbine à gaz 6. Selon une installation non représentée, par exem- ple une installation de calcinage de chaux, une installation de frittage de minerai, une installation de sidérurgie ou une installation d'incinération d'ordures, la chaleur dégagée à basse température par l'installation de conversion thermique est fournie à une chaudière à gaz de procédé de récupération de chaleur 10. L'utilisation élevée de la chaleur est faite par l'installation d'un vaporisateur haute pression 16 et d'un vaporisateur basse pression 17. Pour éviter la condensation, les deux flux de va- peur sont légèrement surchauffés par les tuyaux 13, 14 du système de vaporisation respective 16, 17. Cette vapeur haute pression, surchauffée est mélangée par la conduite de mélange 21 à la vapeur générée dans la chaudière de récupération de chaleur 12 de la turbine à gaz, à travers un évaporateur haute pression 22 et un tambour haute pression 5. Les deux quantités de vapeur surchauffées à la température de vapeur souhaitée dans les deux surchauffeurs 23, 24 pour atteindre la température de vapeur souhaitée. La conduite de liaison 20 transfert la vapeur surchauffée à la turbine à vapeur 6. La vapeur basse pression de la chaudière de récu- pération de procédé 10 arrive par le tambour basse pression 12 et les conduites de liaison 25 au réservoir d'eau d'alimentation 8 qui produit un dégazage thermique. La vapeur basse pression, résiduelle arrive par la conduite de liaison 19 à la turbine de vapeur 6. On traite sans difficulté les pertes de pression du côté des fumées pour la chaudière de procédé 10 grâce au ventilateur 15 intégré dans l'installation de conversion thermique, qui existe, car le mode de surchauffe aboutit à des températures de fonctionnement faibles pour la machine soufflante. Le préchauffage de l'eau d'alimentation se fait dans l'économiseur commun 3 du côté des gaz d'échappement de la turbine à gaz 2. La vanne à trois voies 26 répartit les quantités d'eau d'alimentation entre les différents tambours haute pression 5 et 11. L'échangeur de chaleur eau/eau, 8, extérieur, re- froidit l'eau d'alimentation par le condensat venant du con- denseur 7 pour que la température d'entrée d'eau, basse, qui existe alors sur l'économiseur haute pression 3, assure une récupération très poussée de la chaleur dans la chaudière de récupération 2 de la turbine à gaz. On génère le courant électrique comme déjà indi- que à l'aide d'une génératrice 28, la turbine à gaz 1 et la génératrice 29 de la turbine à vapeur 6. En cas de dé- faillance de la turbine à gaz 1, la chaudière de récupération 2 est mise en mode de chaleur d'évacuation dite simulée. Un ventilateur d'air frais 4 transfert la même quantité de cha- leur par la conduite 42 à la chaudière 2 comme en mode de fonctionnement en turbine. Un brûleur supplémentaire 27 chauffe ainsi l'air froid avec le gaz naturel 43 jusqu'à ce que les états de vapeur correspondants suffisent pour la gé- nération effective du courant. A la fois, deux pompes d'eau d'alimentation haute pression 31 et deux pompes d'eau d'alimentation basse pres- sion 32 assurent l'alimentation des conduites 38, 39 pour l'alimentation en eau nécessaire des deux vaporisateurs haute pression (16, 17) dans les chaudières 2, 22 et de l'évaporateur 17 dans la chaudière de surchauffe 10. La vapeur consommée par la turbine à vapeur 6 sort comme condensat qui est refroidi dans un condenseur 7 pour être conduit par l'intermédiaire d'une pompe de conden- sat 33 à travers la conduite de condensat 34 dans le réser- voir d'alimentation 9. NOMENCLATURE 1 Turbine à gaz 2 Chaudière de récupération (côté des gaz d'échappement des turbines à gaz) 3 Economiseur pour le préchauffage de l'eau d'alimentation 4 Ventilateur d'air frais Tambour de vapeur haute pression 6 Turbine de vapeur 7 Condenseur 8 Echangeur de chaleur eau/eau 9 Réservoir d'eau d'alimentation Chaudière en aval de l'installation de conversion ther- mique 11 Tambour de vapeur haute pression 12 Tambour de vapeur basse pression 13 Tuyau de support, système haute pression 14 Tuyau de support, système basse pression Aspirateur 16 Evaporateur haute pression haute pression 17 Evaporateur basse pression basse pression 18 Conduite de vapeur basse pression vers 9 19 Conduite de vapeur basse pression vers 6 Conduite de vapeur haute pression 21 Conduite de vapeur haute pression 22 Evaporateur haute pression 23 Premier surchauffeur de vapeur haute pression 24 Second surchauffeur de vapeur haute pression Puissance de chauffage basse pression vers 12 et 19 26 Distribution à trois voies 27 Brûleur auxiliaire 28 Générateur sur 1 29 Générateur sur 6 Moteur de 4 31 Pompes d'alimentation haute pression 32 Pompes d'alimentation basse pression 33 Pompe à condensat 34 Conduite à condensat Conduite de fumées 36 Filtre (nettoyage des fumées) 37 Cheminée pour l'évacuation des fumées 38 Conduite d'alimentation en eau haute pression 39 Conduite d'alimentation en eau haute pression Conduite de vapeur haute pression 41 Conduite de gaz d'échappement de 1 42 Alimentation en air 43 Conduite de gaz naturel 44 Conduite d'alimentation en eau haute pression pour 1 Conduite d'alimentation en eau haute pression pour 5 46 Radiateur en surface dans 5. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Centrale électrique mixte comprenant une turbine à gaz avec un générateur électrique et un générateur de vapeur pour une turbine à vapeur à pressions multiples équipée d'une gé-5 nératrice d'électricité, les gaz sortant de la turbine à gaz étant fournis à une première chaudière de récupération de chaleur munie de surfaces de chauffage pour le préchauffage de l'eau d'alimentation, pour générer de la vapeur et surchauffer de la vapeur ainsi que les fumées d'une installation10 de conversion thermique qui sont fournies à une seconde chau- dière de récupération, caractérisée en ce que - dans la seconde chaudière de récupération (10), traversée par les fumées, il y a d'un côté un évaporateur haute pres- sion (HP) (16), avec un système de tuyau de support (13) et un tambour à vapeur haute pression (11), un évaporateur basse pression (BP) (17) avec un système de tuyau (14) et un tambour à vapeur basse pression (12), l'évaporateur haute pression (16) étant relié à un premier surchauffeur de vapeur haute pression (23) et à un second surchauffeur de vapeur haute pression (24), dans une con- duite de vapeur (21), - le second surchauffeur de vapeur haute pression (24) est relié par une conduite de vapeur haute pression (20) à la turbine de vapeur (6) et, - l'évaporateur basse pression (17) est également relié à la turbine à vapeur (6) par une conduite basse pression (25). 2 ) Centrale mixte selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' entre le premier surchauffeur de vapeur haute pression (23) et second surchauffeur de vapeur haute pression (24), il y a un tambour de vapeur haute pression (5) avec un refroidisseur de surface (46) 3 ) Centrale mixte selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie plus froide de la chaudière de récupération (2) comporte un économiseur (3) pour le préchauffage de l'eau d'alimentation des deux chaudières à récupération (2) et (10) 4 ) Centrale mixte selon la revendication 3, caractérisée par un réservoir d'eau d'alimentation (9) relié par une conduite d'eau d'alimentation (38) aux pompes d'eau d'alimentation haute pression (31) et à l'économiseur (3). ) Centrale mixte selon les revendications 2 et 3, caractérisée en ce que l'économiseur (3) est relié par la conduite d'eau d'alimentation (44) au tambour à vapeur haute pression (11) de la chaudière de récupération (10) et par la conduite d'eau d'alimentation (45) au tambour à vapeur haute pression (5), la répartition des quantités d'eau d'alimentation respectives entre les chaudières d'eau de récupération (2) et (10) se faisant par un tiroir à trois voies (26). 6 ) Centrale mixte selon les revendications 3 à 5, caractérisée en ce que le réservoir d'eau d'alimentation (9) est relié par une con- duite d'eau basse pression (39) à des pompes d'eau d'alimentation basse pression (32) et au tambour à vapeur basse pression (12) de la chaudière de récupération (10). 7 ) Centrale mixte selon les revendications 3 à 6, caractérisée en ce que la turbine à vapeur (6) et le réservoir d'eau d'alimentation (9) sont reliés par une conduite à condensat (34) au conden- seur (7) et à la pompe à condensat (33). 8 ) Centrale mixte selon la revendication 7, caractérisée par un échangeur de chaleur eau/eau (8) dans la conduite de con- densat (34), cet échangeur étant traversé par la conduite d'eau d'alimentation haute pression (38). 9 ) Centrale mixte selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' en aval de la chaudière de récupération (10), la conduite de fumées (35) comporte un dispositif de nettoyage de fumées (36) et un extracteur (15). ) Centrale mixte selon la revendication 9, caractérisée par une cheminée de gaz d'échappement (37) prévue dans la con- duite de fumées (35) entre les chaudières (2), (10). 11 ) Centrale mixte selon la revendication 1, caractérisée par un brûleur auxiliaire (27) prévu dans la conduite de gaz d'échappement (41) de la turbine à gaz (1), à l'entrée de la chaudière de récupération (2). 12 ) Centrale mixte selon la revendication 11, caractérisée en ce que le brûleur auxiliaire (27) est relié à un ventilateur d'air frais (4, 30) par une conduite (42). ) Centrale mixte selon les revendications 11 et 12, caractérisée en ce que la turbine à gaz (1) et le brûleur auxiliaire (27) sont rac- cordés chacun à une conduite de gaz naturel (43) ou à une conduite de gasole.