Brevet FR2825754A1 — publié le 20021213

La présente invention concerne un procédé et une installation de production d'énergie au moyen d'une turbine à gaz associée à une unité de séparation d'air. De façon classique, une turbine à gaz comprend un compresseur, une chambre de combustion, ainsi qu'une turbine de détente, couplée au compresseur pour l'entraînement de ce dernier. Cette chambre de combustion reçoit un gaz de combustion, ainsi qu'une certaine quantité d'azote, destinée à abaisser la température de flamme dans cette chambre de combustion, ce qui permet de minimiser les rejets d'oxydes d'azote à l'atmosphère. De façon connue, le gaz de combustion peut être obtenu par gazéification, à savoir par oxydation de produits carbonés, tels que du charbon ou bien encore des résidus pétroliers. Cette oxydation est réalisée dans une unité indépendante, dénommée gazéifieur. De façon classique, il est possible d'associer cette turbine à gaz avec une unité de séparation d'air. Cette dernière, qui est habituellement une unité cryogénique comprenant au moins une colonne de distillation, permet de fournir, à partir d'air, au moins un courant gazeux constitué en majorité par un des gaz de l'air, notamment l'oxygène ou l'azote. L'association de cette unité de séparation d'air avec la turbine à gaz consiste à tirer parti d'au moins un des deux courants gazeux précités. A cet effet, l'oxygène et l'azote produits dans l'unité de séparation d'air sont admis respectivement dans le gazéifieur et la chambre de combustion. L'invention se propose de mettre en oeuvre un procédé de ce type, d'une manière particulièrement économique, notamment en termes énergétiques. A cet effet, elle a pour objet un procédé de production d'énergie au moyen d'une turbine à gaz associée à une unité de séparation d'air, dans lequel on admet de l'air dans ladite unité de séparation, on extrait de ladite unité de séparation au moins un courant gazeux, essentiellement constitué par un gaz de l'air, notamment de l'oxygène ou de l'azote, et on dirige le ou chaque courant gazeux vers une chambre de combustion de la turbine à gaz, caractérisé en ce qu'on contrôle au moins un paramètre lié au ou à chaque courant gazeux, en agissant sur un compresseur de ce courant gazeux disposé en aval de ladite unité de séparation d'air, et en ce qu'on affecte au ou à chaque paramètre une valeur de consigne variable, en fonction d'une valeur représentative de la charge de la turbine à gaz. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le paramètre lié au ou à au moins un desdits courants gazeux est le débit ; - le courant gazeux est essentiellement formé par de l'oxygène, on admet cet oxygène dans un gazéifieur recevant également des produits carbonés, et la valeur représentative de la charge de la turbine est le débit de produits carbonés admis dans le gazéifieur ; - le courant gazeux est essentiellement formé par de l'azote, on admet ce courant dans la chambre de combustion, et la valeur représentative de la charge de la turbine est le débit de gaz combustible admis dans cette chambre de combustion ; - le paramètre lié au ou à au moins un desdits courants gazeux est la pression ; - la valeur représentative de la charge de la turbine est une valeur de pression particulière, régnant à l'admission de la turbine à gaz, notamment dans un circuit de refoulement s'étendant entre un compresseur couplé à ladite turbine et la chambre de combustion ; - le courant gazeux est essentiellement formé par de l'azote, et on affecte à la pression de ce courant, une première valeur de consigne égale à ladite pression particulière augmentée d'une première valeur de sécurité ; - la première valeur de sécurité est comprise entre 0,1 et 10 bars, notamment entre 0,3 et 2 bars ; - le courant gazeux est essentiellement formé par de l'oxygène, on affecte à la pression d'oxygène, une seconde valeur de consigne égale à ladite pression particulière augmentée d'une seconde valeur de sécurité ; - la seconde valeur de sécurité est comprise entre 2 et 20 bars, notamment entre 3 et 10 bars ; on contrôle également la pression régnant à l'intérieur d'un gazéifieur alimentant la chambre de combustion en gaz combustible, en lui affectant un point de consigne variable en fonction de ladite valeur de pression particulière ; - la valeur de consigne est égale à ladite pression particulière, à laquelle est ajoutée une troisième valeur de sécurité ; - la troisième valeur de sécurité est comprise entre 0,5 et 10 bars, notamment entre 1 et 5 bars. L'invention a également pour objet une installation de production d'énergie au moyen d'une turbine à gaz associée à une unité de séparation d'air, cette installation comprenant des moyens permettant d'extraire de l'unité de séparation au moins un courant gazeux essentiellement constitué par un gaz de l'air, notamment de l'oxygène ou de l'azote, et des moyens d'amenée du ou de chaque courant gazeux en direction d'une chambre de combustion de la turbine à gaz, caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens de contrôle d'au moins un paramètre lié au ou à chaque courant gazeux, aptes à agir sur un compresseur de ce courant gazeux, lesdits moyens de contrôle possédant une valeur de consigne variable, en fonction d'une valeur représentative de la charge de la turbine à gaz. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : les moyens de contrôle sont des moyens de contrôle du débit ; - les moyens de contrôle sont aptes à contrôler le débit d'oxygène s'écoulant dans une ligne débouchant dans un gazéifieur, destiné à alimenter la chambre de combustion, ce gazéifieur étant également mis en communication avec une ligne d'amenée de produits carbonés, et il est prévu des moyens de contrôle du débit des produits carbonés admis dans le gazéifieur, aptes à commander les moyens de contrôle du débit d'oxygène ; - les moyens de contrôle sont aptes à contrôler le débit d'un courant d'azote s'écoulant dans une conduite débouchant dans la chambre de combustion, mise également en communication avec une conduite d'amenée de gaz combustible, et il est prévu des moyens de contrôle du débit de gaz combustible, aptes à commander les moyens de contrôle du débit du courant d'azote ; les moyens de contrôle sont des moyens de contrôle de la pression du ou d'au moins un desdits courants gazeux ; - il est prévu des moyens de mesure permettant de mesurer une valeur de pression particulière, régnant à l'admission de la turbine à gaz, notamment dans un circuit de refoulement, s'étendant entre un compresseur couplé à la turbine et la chambre de combustion, et sont en outre prévus des moyens de commande permettant d'asservir les moyens de contrôle de la pression auxdits moyens de mesure ; - il est en outre prévu des moyens de contrôle de la pression du gazéifieur, ainsi que des moyens de commande permettant d'asservir ces moyens de contrôle aux moyens de mesure. L'invention va être décrite ci-après, en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels les figures 1 et 2 sont des vues schématiques, illustrant des installations conformes à deux modes de réalisation de l'invention. Sur ces figures, les lignes représentées en traits gras permettent de véhiculer des fluides, alors que les lignes représentées en traits pointillés sont des lignes de commande. L'installation représentée à la figure 1 comprend une turbine à gaz, désignée dans son ensemble par la référence 2, qui comporte, de façon classique, un compresseur d'air 4, une turbine de détente 6, couplée au compresseur 4, ainsi qu'une chambre de combustion 8. Cette turbine à gaz 2 est également pourvue d'un alternateur 10, entraîné par un arbre 12, commun au compresseur 4 ainsi qu'à la turbine 6. Un dispositif de mesure de la charge de la turbine à gaz, c'est-à-dire de la demande énergétique qui lui est associée, est illustrée par un bloc 14, placé au voisinage de l'alternateur 10. L'installation de la figure 1 comprend également une unité de séparation d'air, désignée dans son ensemble par la référence 16. Cette dernière, qui est de type connu, est alimenté en air par une conduite 18. Elle opère par cryogénie, et comporte à cet effet plusieurs colonnes de distillation non représentées. Une ligne 20 permet d'évacuer, hors de l'unité 16, un premier courant W d'azote résiduaire (azote contenant quelques % d'oxygène). Cette ligne 20 débouche dans un compresseur 22, en aval duquel s'étend une conduite 24 qui débouche dans la chambre de combustion 8. Par ailleurs, une ligne 26 permet l'évacuation, hors de l'unité 16, d'un courant gazeux GOX riche en oxygène. Cette ligne 26 débouche dans un compresseur 28, en aval duquel s'étend une conduite 30. Cette dernière débouche dans un gazéifieur 32, de type classique, qui est également alimenté, via une ligne 34 munie d'une vanne de réglage 35, par un réservoir 36 contenant des produits carbonés, tels que du charbon. Une conduite 38, qui s'étend en aval du gazéifieur 32, véhicule le gaz combustible issu de l'oxydation des produits carbonés précités. Cette conduite 38 est mise en communication avec la chambre de combustion 8 de la turbine à gaz. Le dispositif 14 de mesure de la charge est relié à la vanne 35, par une ligne de commande 40. Ceci signifie, en d'autres termes, qu'une augmentation de la charge 14 implique une augmentation du débit de produits carbonés véhiculés dans la ligne 34. Par ailleurs, cette dernière est pourvue d'un dispositif de contrôle du débit 42, qui est mis en relation, via une ligne de commande 44, avec un dispositif 46 permettant le contrôle du débit d'oxygène dans la conduite 30. Enfin, la conduite 38 est équipée d'un dispositif 48 permettant de contrôler le débit du gaz combustible qui y circule. Le dispositif 48 est mis en relation, via une ligne de commande 50, avec un dispositif 52 permettant de contrôler le débit d'azote résiduaire s'écoulant dans la conduite 24. Le fonctionnement général de l'installation de la figure 1 va maintenant être décrit. En fonction de la charge de la turbine à gaz, un certain débit de produits carbonés est admis dans le gazéifieur 32, par la ligne 34. De l'oxygène est par ailleurs admis dans le gazéifieur, de manière à produire du gaz combustible, délivré par la conduite 38. Il existe un ratio de combustion prédéterminé R1, entre les débits respectifs de produits carbonés et d'oxygène. Le gaz combustible, véhiculé par la conduite 38, débouche dans la chambre de combustion 8 de la turbine à gaz. Cette chambre de combustion reçoit par ailleurs de l'azote résiduaire, provenant de la conduite 24. On dénomme R2 le ratio de dilution, correspondant au rapport entre les débits de gaz combustible et d'azote résiduaire. La chambre de combustion 8 reçoit par ailleurs, via une conduite 53, de l'air comprimé provenant du compresseur 4. Les gaz issus de la combustion correspondante, mélangés à l'azote résiduaire, sont envoyés vers l'admission de la turbine de détente 6, où ils se détendent en entraînant cette dernière. Ceci permet également, via l'arbre 12, l'entraînement du compresseur 4 ainsi que de l'alternateur 10, qui alimente par exemple un réseau de distribution électrique non représenté. Lorsque la charge de la turbine à gaz 2 varie, ceci provoque une variation correspondante du débit de produits carbonés s'écoulant dans la ligne 34. Ce débit est contrôlé par l'intermédiaire du dispositif 42, qui envoie alors, par la ligne 44, un ordre au dispositif de contrôle 46, de sorte que le débit d'oxygène dans la conduite 30 soit ajusté de façon correspondante, afin que le ratio de combustion R1 soit conservé. Le dispositif de contrôle de débit 46 agit directement sur le compresseur 28, de façon connue en soi, par exemple au niveau des aubes de ce dernier. Il convient de noter qu'aucun contrôle de la pression n'est opéré en sortie de ce compresseur 28. Par ailleurs, aucune vanne n'est nécessaire sur la conduite 30. Ainsi, la pression d'oxygène s'écoulant dans la conduite 30 s'établit de façon spontanée, en fonction notamment de la caractéristique de la turbine à gaz, ainsi que de celle du compresseur 28. Le débit d'oxygène circulant dans la conduite 30 est donc affecté d'un point de consigne variable en fonction du débit de produits carbonés véhiculés par la ligne 34, ce dernier débit étant lui-même commandé par la charge de la turbine et donc représentatif de celle-ci. En outre, lors d'une telle variation de la charge, le débit de gaz combustible s'écoulant dans la conduite 38 varie de façon correspondante, du fait des variations des débits de produits carbonés et d'oxygène. Le contrôle du débit de gaz combustible est assuré par le dispositif 48, qui envoie alors, par la ligne 50, un ordre au dispositif 52, de sorte que ce dernier contrôle le débit d'azote résiduaire s'écoulant dans la ligne 24, afin que le ratio R2 soit conservé. Le dispositif de contrôle 52 agit directement sur le compresseur 22, de façon analogue à ce qui a été décrit en ce qui concerne le dispositif 46 et le compresseur 28. Comme dans le cas du compresseur 28, il convient de noter qu'aucun contrôle de la pression d'azote résiduaire n'est mis en oeuvre au niveau du compresseur 22. Cette dernière s'établit donc de façon spontanée, notamment en fonction des caractéristiques de la turbine à gaz et du compresseur 22. En outre, aucune vanne n'est nécessaire sur la ligne 24. Le débit d'azote résiduaire, circulant dans la ligne 24, est donc affecté d'une valeur de consigne variable en fonction du débit de gaz combustible, ce dernier débit étant lui-même représentatif de la charge de la turbine. La figure 2 illustre une variante de réalisation de l'invention. Cette variante diffère de l'installation de la figure 1, en ce que le dispositif de contrôle 46', analogue à celui 46, agit non pas sur le compresseur 28, mais sur une vanne d'injection 54 placée sur la conduite 30. Par ailleurs, cette conduite 30 est équipée d'un dispositif 56, agissant sur le compresseur 28, en vue du contrôle de la pression d'oxygène. L'installation de la figure 2 diffère également de celle de la figure 1, en ce que le dispositif 52'de contrôle du débit, analogue à celui 52, agit non pas sur le compresseur 22, mais sur une vanne 58 placée sur la conduite 24. Cette conduite 24 est en outre munie d'un dispositif 60 de contrôle de la pression d'azote résiduaire, agissant directement sur le compresseur 22. L'installation de la figure 2 diffère enfin de celle de la figure 1, en ce que le gazéifieur 32 est pourvu d'un dispositif 62 permettant de contrôler la pression régnant à l'intérieur de ce gazéifieur. Ce dispositif 62 agit sur une vanne 64, équipant la conduite 38 de gaz combustible. Les consignes affectées aux différents dispositifs de contrôle 56,60 et 62 possèdent une valeur variable en fonction de la charge de la turbine à gaz. A cet effet, on mesure, au moyen d'un capteur 66, la pression du circuit de refoulement d'air, qui met en communication le compresseur 4 avec la chambre de combustion 8. Les points de consigne des dispositifs 56,60 et 62 correspondent alors à la valeur de pression ainsi mesurée par le capteur 66, à laquelle sont ajoutées des valeurs de sécurité AP. A cet effet, ces dispositifs 56,60 et 62 sont reliés au capteur 66 par des lignes de commande respectives, affectées des références 68,70 et 72. A titre d'exemple, le point de consigne du dispositif de contrôle 60 de la pression d'azote résiduaire correspond à la pression P mesurée par le capteur 66, à laquelle est ajoutée une valeur de sécurité API comprise entre 0,1 et 10 bars, de préférence entre 0,3 et 2 bars. La valeur de consigne du dispositif 56 de contrôle de la pression d'oxygène correspond à la valeur mesurée par le capteur 66, à laquelle est ajoutée une valeur de sécurité AP2 comprise entre 2 et 20 bars, de préférence entre 3 et 10 bars. Enfin, la valeur de la consigne du dispositif 62 de contrôle de la pression du gazéifieur correspond à la valeur mesurée par le capteur 66, à laquelle est ajoutée une valeur de sécurité AP3 comprise entre 0,5 et 10 bars, de préférence entre 1 et 5 bars. Les trois valeurs de consigne, évoquées ci-dessus, sont donc variables en fonction de la pression du circuit de refoulement, cette pression étant elle-même représentative de la charge de la turbine. Il est envisageable de faire varier ces valeurs de consigne, en fonction de pressions régnant en d'autres points de l'installation. Ainsi, un capteur non représenté, analogue à celui 66, peut être prévu dans la chambre de combustion 8. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Ainsi, il est envisageable de contrôler le débit d'un unique courant gazeux, à savoir l'azote ou l'oxygène, selon les étapes décrites en référence à la figure 1. Dans ce cas, on peut procéder à un contrôle de la pression de l'autre courant gazeux, conformément à l'exemple décrit en référence à la figure 2. Il est également possible d'alimenter la chambre de combustion 8, en utilisant un unique courant gazeux provenant de l'unité de séparation d'air. Ainsi, seul l'azote résiduaire, produit par cette unité de séparation, peut être employé, le gaz de combustion étant par exemple du gaz naturel. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. En effet, la Demanderesse a constaté que la mise en oeuvre de l'art antérieur implique une consommation énergétique particulièrement élevée. Ceci est principalement dû au fait que les compresseurs d'azote et d'oxygène, placés en aval de l'unité de séparation d'air, sont soumis à des valeurs de consigne constantes, en ce qui concerne leur pression de sortie, de même que le gazéifieur. Or, lors d'une marche réduite de la turbine à gaz, la pression régnant dans la chambre de combustion est notablement réduite. De la sorte, dans l'art antérieur faisant appel à des valeurs de consigne constantes, il se produit une détente très sensible de l'azote, de l'oxygène et du gaz de synthèse dans les vannes d'injection, ce qui induit un gaspillage d'énergie considérable. En revanche, faire varier la pression et/ou le débit d'oxygène et/ou d'azote, en fonction de la charge de la turbine, permet de réduire de façon notable l'amplitude des détentes subies par ces gaz. En particulier, le fait de contrôler le débit de ces courants gazeux permet de s'affranchir des pertes de charge inhérentes à l'utilisation des vannes d'injection. En effet, conformément à ce mode de réalisation de l'invention, les vannes précitées peuvent être supprimées, ou bien n'avoir aucune influence sur la mise en oeuvre de l'installation puisqu'elles se trouvent totalement ouvertes. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'énergie au moyen d'une turbine à gaz (2) associée à une unité de séparation d'air (16), dans lequel on admet (par 18) de l'air dans ladite unité de séparation (16), on extrait de ladite unité de séparation au moins un courant gazeux (par 20,26), essentiellement constitué par un gaz de l'air, notamment de l'oxygène ou de l'azote, et on dirige le ou chaque courant gazeux vers une chambre de combustion (8) de la turbine à gaz (2), caractérisé en ce qu'on contrôle au moins un paramètre lié au ou à chaque courant gazeux, en agissant sur un compresseur (22,28) de ce courant gazeux disposé en aval de ladite unité de séparation d'air (16), et en ce qu'on affecte au ou à chaque paramètre une valeur de consigne variable, en fonction d'une valeur représentative de la charge de la turbine à gaz (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre lié au ou à au moins un desdits courants gazeux est le débit. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le courant gazeux est essentiellement formé par de l'oxygène, en ce qu'on admet cet oxygène (par 30) dans un gazéifieur (32) recevant également (par 34) des produits carbonés, et en ce que la valeur représentative de la charge de la turbine (2) est le débit de produits carbonés admis dans le gazéifieur (32). 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le courant gazeux est essentiellement formé par de l'azote, en ce qu'on admet ce courant dans la chambre de combustion (8), et en ce que la valeur représentative de la charge de la turbine (2) est le débit de gaz combustible admis (par 38) dans cette chambre de combustion. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le paramètre lié au ou à au moins un desdits courants gazeux est la pression. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valeur représentative de la charge de la turbine est une valeur de pression particulière, régnant à l'admission de la turbine à gaz (2), notamment dans un circuit de refoulement (53) s'étendant entre un compresseur (4) couplé à ladite turbine et la chambre de combustion (8). 7. Procédé selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le courant gazeux est essentiellement formé par de l'azote, et en ce qu'on affecte à la pression de ce courant, une première valeur de consigne égale à ladite pression particulière augmentée d'une première valeur de sécurité api). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première valeur de sécurité (API) est comprise entre 0,1 et 10 bars, notamment entre 0,3 et 2 bars. 9. Procédé selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le courant gazeux est essentiellement formé par de l'oxygène, et en ce qu'on affecte à la pression d'oxygène, une seconde valeur de consigne égale à ladite pression particulière augmentée d'une seconde valeur de sécurité (AP2). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la seconde valeur de sécurité (AP2) est comprise entre 2 et 20 bars, notamment entre 3 et 10 bars. 11. Procédé selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce qu'on contrôle également la pression régnant à l'intérieur d'un gazéifieur (32) alimentant la chambre de combustion (8) en gaz combustible, en lui affectant un point de consigne variable en fonction de ladite valeur de pression particulière. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite valeur de consigne est égale à ladite pression particulière, à laquelle est ajoutée une troisième valeur de sécurité (AP3). 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la troisième valeur de sécurité (AP3) est comprise entre 0,5 et 10 bars, notamment entre 1 et 5 bars. 14. Installation de production d'énergie au moyen d'une turbine à gaz (2) associée à une unité de séparation d'air (16), cette installation comprenant des moyens permettant d'extraire de l'unité de séparation au moins un courant gazeux essentiellement constitué par un gaz de l'air, notamment de l'oxygène ou de l'azote, et des moyens d'amenée (20,26) du ou de chaque courant gazeux en direction d'une chambre de combustion (8) de la turbine à gaz (2), caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens de contrôle (46,52 ; 56,60) d'au moins un paramètre lié au ou à chaque courant gazeux, aptes à agir sur un compresseur (22,28) de ce courant gazeux, lesdits moyens de contrôle possédant une valeur de consigne variable, en fonction d'une valeur représentative de la charge (14) de la turbine à gaz. 15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que les moyens de contrôle sont des moyens de contrôle du débit (46,52). 16. Installation selon la revendication 15, caractérisée en ce que les moyens de contrôle (46) sont aptes à contrôler le débit d'oxygène s'écoulant dans une ligne (30) débouchant dans un gazéifieur (32), destiné à alimenter la chambre de combustion (8), ce gazéifieur (32) étant également mis en communication avec une ligne d'amenée de produits carbonés (34), et en ce qu'il est prévu des moyens (42) de contrôle du débit des produits carbonés admis dans le gazéifieur, aptes à commander les moyens (46) de contrôle du débit d'oxygène. 17. Installation selon la revendication 15 ou 16, caractérisée en ce que les moyens de contrôle (52) sont aptes à contrôler le débit d'un courant d'azote s'écoulant dans une conduite (24) débouchant dans la chambre de combustion (8), mise également en communication avec une conduite (38) d'amenée de gaz combustible, et en ce qu'il est prévu des moyens (48) de contrôle du débit de gaz combustible, aptes à commander les moyens de contrôle (52) du débit du courant d'azote. 18. Installation selon l'une des revendications 14 à 17, caractérisée en ce que les moyens de contrôle sont des moyens de contrôle de la pression (56,60) du ou d'au moins un desdits courants gazeux. 19. Installation selon la revendication 18, caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens de mesure (66) permettant de mesurer une valeur de pression particulière, régnant à l'admission de la turbine à gaz (2), notamment dans un circuit de refoulement (53), s'étendant entre un compresseur (4) couplé à la turbine et la chambre de combustion (8), et en ce que sont en outre prévus des moyens de commande (68,70) permettant d'asservir les moyens de contrôle de la pression (56,60) auxdits moyens de mesure (66). 20. Installation selon la revendication 19, caractérisée en ce qu'il est en outre prévu des moyens (62) de contrôle de la pression du gazéifieur, ainsi que des moyens de commande (72) permettant d'asservir ces moyens de contrôle (62) aux moyens de mesure (66).