Brevet FR2868120A1 — publié le 20050930

PROCEDE PERFECTIONNE DE DEMARRAGE POUR UNE CENTRALE ELECTRIQUE La présente invention est relative au fonctionnement des centrales électriques à cycle combiné et, plus particulièrement, à un procédé perfectionné de démarrage de la centrale électrique, utilisant une stratégie à facteur de charge variable, afin de réduire les émissions dont les émissions visibles telles que les "panaches jaunes". Les compagnies d'électricité ont souvent des centrales électriques situées près de zones urbaines. Si la compagnie utilise des turbines à gaz pour la production d'électricité, il est courant que des polluants visibles, couramment appelés "panaches jaunes" soient émis depuis des cheminées d'évacuation de gaz de la centrale au moment du démarrage des turbines à gaz. Un panache jaune apparaît lorsque la quantité de NO2 produits pendant le démarrage dépasse 20 parties par million ou ppm. Le panache jaune constitue un rejet visible des cheminées d'évacuation de gaz de la centrale électrique et, comme les cheminées sont ordinairement très hautes, le panache jaune est bien visible sur un grand territoire. Le panache jaune ne se manifeste ordinairement que de manière temporaire et le panache se dissipe à mesure que les turbines à gaz de la centrale atteignent leur régime nominal. Cependant, il est courant que le panache visible dure une heure et plus, voire davantage, ce qui peut provoquer un mécontentement chez les personnes vivant aux abords de la centrale. On a constaté qu'en modifiant la procédure de démarrage d'une centrale, le temps durant lequel le NO2 dépasse 20 ppm se trouve sensiblement réduit. Non seulement cela réduit le temps durant lequel un panache jaune risque d'être produit, mais encore cela fait baisser la quantité de ces émissions produites pendant le cycle de démarrage. En résumé, la présente invention concerne un procédé perfectionné de démarrage d'une centrale à cycle combiné pour produire de l'électricité. La séquence de démarrage est destinée à servir avec deux turbines à gaz qui alimentent une turbine à vapeur, mais elle peut servir avec une seule turbine à gaz ou davantage. En particulier, la présente invention emploie un facteur de charge variable plutôt qu'un facteur de charge relativement constant afin de réduire les émissions de NO2 de la centrale électrique. Selon l'invention, une première turbine à gaz est mise en marche et on la laisse fonctionner jusqu'à sa réserve tournante ou régime de charge minimale. La première turbine à gaz est alors maintenue à ce régime tandis qu'une deuxième turbine à gaz est mise en marche et qu'on la laisse atteindre sa réserve tournante. Les deux turbines à gaz sont maintenues à ce niveau de fonctionnement tandis qu'est mise en marche une turbine à vapeur avec laquelle elles coopèrent. Une fois le niveau de vapeur établi, les températures dans la turbine à vapeur atteignant des valeurs prédéterminées, les charges dans les deux turbines à gaz sont portées de leur minimum à un niveau de charge prédéterminé. Cela se fait à un rythme maximal d'augmentation. Ensuite, les charges dans les deux turbines à gaz sont déterminées par la charge dans la turbine à vapeur. Bien que le temps de démarrage total soit comparable à celui accompagnant les protocoles de démarrage actuels, la quantité de NO2 produite est sensiblement réduite. Par ailleurs, le temps pendant lequel un panache jaune visible peut être produit par la centrale où sont installées des turbines est réduit d'environ 90%. Ainsi, la quantité d'émissions et les manifestations visibles de ces émissions sont réduites. La séquence de démarrage peut être utilisée pour des démarrages à froid, à chaud et à très haute température des turbines, les émissions et le panache jaune visible étant sensiblement réduits dans chaque situation. Dans un mode de réalisation, le démarrage de la première turbine à gaz consiste à mettre celle-ci dans un régime de réserve tournante, et la deuxième turbine à gaz n'est pas mise en marche tant que la première turbine à gaz n'est pas dans son régime de réserve tournante. Dans un autre mode de réalisation, le procédé comprend en outre le démarrage de la turbine à vapeur lorsqu'une température dans l'alésage du rotor de la turbine à vapeur est à une première valeur prédéterminée. Dans un mode de réalisation, le démarrage de la turbine à vapeur nécessite en outre qu'une pression de régulation de la turbine à vapeur soit à un niveau de pression plancher qui varie selon que les turbines subissent un démarrage à froid, un démarrage à chaud ou un démarrage à très haute température. Dans un autre mode de réalisation, le procédé comprend en outre l'étape consistant à mettre en route la turbine à vapeur et à la mettre dans un mode de fonctionnement à commande de pression d'entrée, ladite étape consistant à régler à une valeur minimale les aubes directrices d'entrée (ADE) de la première turbine à gaz. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre les étapes consistant à ouvrir des robinets d'isolation à chaud et de réchauffement à froid pour un générateur de vapeur à récupération de chaleur de la deuxième turbine à gaz lorsque la deuxième turbine à gaz atteint son régime de réserve tournante pour ainsi isoler la deuxième turbine à gaz par rapport à la première turbine à gaz; porter la température dans l'alésage du rotor de la turbine à vapeur à une deuxième valeur prédéterminée; ouvrir les robinets d'isolation à haute pression dans le générateur de vapeur à récupération de chaleur de la deuxième turbine à gaz lorsque la température dans l'alésage du rotor de la deuxième turbine à gaz atteint ou dépasse sa deuxième valeur prédéterminée; et porter à la fois la température dans l'alésage du rotor à haute pression et la température dans l'alésage du rotor à pression intermédiaire de la turbine à vapeur à une valeur prédéterminée et charger la première et la deuxième turbines à gaz à un niveau de charge prédéterminé à un facteur de charge prédéterminé. Dans un autre mode de réalisation, le facteur de charge est un facteur de charge maximal pour les turbines à gaz, la charge dans la première et la deuxième turbines à gaz étant ensuite commandée suivant un facteur déterminé par la charge de la turbine à vapeur. Les objectifs, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres, de l'invention apparaîtront partiellement et seront mis partiellement en évidence ci- après. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré sur les dessins annexés, sur lesquels: les figures 1A et 1B constituent un organigramme pour l'utilisation du procédé de démarrage selon la présente invention; la Fig. 2 est un graphique illustrant les émissions de NO2 pour une turbine à gaz; les figures 3 à 5 sont des graphiques représentant des états s'accompagnant du "panache jaune" pour un démarrage à froid, un démarrage à chaud et un démarrage à très haute température de turbines à gaz utilisant des techniques antérieures; et les figures 6 à 8 sont des graphiques similaires illustrant les états améliorés de manifestation du "panache jaune" pour le démarrage à froid, le démarrage à chaud et le démarrage à très haute température des turbines à gaz utilisant le procédé selon la présente invention. Des repères correspondants désignent des éléments correspondants sur toutes les différentes figures des dessins. La description détaillée ci-après illustre l'invention à titre d'exemple nullement limitatif. La description permet clairement à un spécialiste de la technique de réaliser et d'utiliser l'invention, décrit plusieurs formes de réalisation, adaptations, variantes, alternatives et utilisations de l'invention, dont le mode de mise en oeuvre de l'invention actuellement estimé comme étant le meilleur. Considérant les dessins, la présente invention concerne un procédé de démarrage d'une centrale électrique d'une manière telle que les turbines à gaz et la turbine à vapeur avec laquelle elles coopèrent peuvent être amenées à fonctionner d'une manière qui réduit sensiblement la quantité de NO2 produite pendant cette période, ainsi qu'un "panache jaune" d'émissions qui apparaît lorsqu'un certain niveau des émissions survient. Ni la structure des turbines à gaz ou à vapeur, ni la manière dont elles sont accouplées les unes aux autres, ni leur fonctionnement au terme de la séquence de démarrage ne font partie de la présente invention. Sur la Fig. 2 est présenté un graphique représentatif qui reporte le NO2 en ppm par rapport à la puissance délivrée (en mégawatts) d'une turbine à gaz. Comme représenté sur ce graphique, le "panache jaune" apparaît lorsque NO2 > 20 ppm. La plage de fonctionnement de la turbine à gaz dans laquelle celui-ci apparaît est, comme représenté sur la Fig. 2, d'environ 20 MW à 100 MW. Par exemple, cela représente de 10 à 50% de la capacité de charge nominale d'une turbine à gaz. Pour une configuration de production d'électricité comprenant deux turbines à gaz GT1 et GT2 coopérant avec une turbine à vapeur ST, la séquence de démarrage selon la technique antérieure consiste à commencer par mettre en marche la turbine à gaz GT1. Après le démarrage de celle-ci, la température de la vapeur est portée à un premier niveau qui, par exemple, est de 371 C (700 F). Une fois que la température de la vapeur atteint ce niveau initial, la température est alors amenée à passer progressivement à 454 C (850 F). Lorsque ce deuxième niveau de température est atteint, la turbine à gaz GT1 commence à être chargée. Le niveau de charge dépend des conditions de fonctionnement de la turbine à vapeur ST, et la charge dans la turbine à gaz GT1 est accrue à raison d'environ 1% de sa charge nominale par minute jusqu'à ce que soit atteint un niveau de charge de base. Pendant que la turbine à gaz GT1 est chargée, la turbine à gaz GT2 est maintenant mise en marche. Cette deuxième turbine à gaz est alors chargée, en même temps que la turbine à gaz GT1, au même rythme d'environ 1%/min. Ce chargement se poursuit jusqu'à ce que les deux turbines à gaz GT1 et GT2, et la turbine à vapeur ST atteignent leurs charges de base. Considérant les figures 3 à 5, les résultats de cette séquence de démarrage sont illustrés pour trois régimes d'une centrale électrique: le démarrage à froid, le démarrage à chaud et le démarrage à très haute température. Les spécialistes de la technique comprendront que les graphiques des figures 3 à 5 concernent une seule centrale et que les conditions des courbes de temps (comportant un panache jaune) peuvent être différentes pour d'autres centrales. La Fig. 3 illustre un démarrage à froid au cours duquel les turbines se sont arrêtées pendant un laps de temps, par exemple de 72 heures ou plus. Comme représenté sur la Fig. 3, la turbine à gaz GT1 atteint 100% de sa vitesse nominale après une trentaine de minutes. A cet instant, la turbine commence à être chargée. Environ 1 heure après le démarrage de la turbine à gaz GT1, la turbine à vapeur ST se met en marche. Le temps pour que la turbine à vapeur atteigne son plein régime est d'environ 45 minutes. A cet instant, la turbine à vapeur commence à être chargée. La deuxième turbine à gaz GT2 est mise en marche à environ 2 heures 30 dans la séquence de démarrage, vers le repère 3 heures, la charge dans cette deuxième turbine à gaz commence à augmenter. La séquence de démarrage est terminée lorsque la turbine à vapeur ST fonctionne à 100% de sa charge nominale, environ 4 heures après le début du processus. Sur la Fig. 3, il apparaît que la région du panache jaune est provoquée par des émissions à partir des deux turbines à gaz. Un état s'accompagnant d'un panache jaune provoqué par la turbine à gaz GT1 dure une vingtaine de minutes, tandis que celui provoqué par la turbine à gaz GT2 dure une cinquantaine de minutes. Cependant, comme il y a un chevauchement dans les états avec panache jaune, la période globale des panaches jaunes dure 1 heure. La Fig. 4 illustre un démarrage à chaud au cours duquel les turbines ont été arrêtées, par exemple pendant 48 heures. Comme représenté sur la Fig. 4, la turbine à gaz GT1 atteint cette fois 100% de sa vitesse nominale en moins de 30 minutes. A cet instant, la turbine commence à être chargée. Environ 48 minutes après le démarrage de la turbine à gaz GT1, la turbine à vapeur ST se met en marche. Le temps pour que la turbine à vapeur atteigne son plein régime est alors seulement de 5 à 10 minutes, la turbine à vapeur commençant alors à être chargée. La deuxième turbine à gaz GT2 est remise en marche à peu près en même temps que la turbine à vapeur ST. Là encore, la turbine à gaz GT2 est maintenue à un bas régime, à la fois en ce qui concerne la vitesse et la charge, jusqu'à ce que la turbine à vapeur ST atteigne 100% de sa vitesse nominale et commence à être chargée. La vitesse de la turbine à gaz GT2 commence alors à augmenter aux abords du repère 55 minutes, et la charge dans cette deuxième turbine à gaz commence à augmenter aux abords du repère 80 minutes. La séquence de démarrage est terminée, la turbine à vapeur ST fonctionnant à 100% de sa charge nominale, un peu plus de 2 heures après le début 1 o du processus. Sur la Fig. 4, la région du panache jaune résulte à nouveau d'émissions des deux turbines à gaz. L'état provoqué par la turbine à gaz GT1 dure environ 13 minutes tandis que celui provoqué par la turbine à gaz GT2 dure environ 35 minutes. En raison du chevauchement, la période globale avec le panache jaune dure 45 minutes. La Fig. 5 illustre un démarrage à très haute température au cours duquel les turbines n'ont été arrêtées que pendant environ 8 heures. Sur la Fig. 5, la turbine à gaz GT1 atteint 100% de sa vitesse nominale en moins de 30 minutes. A cet instant, la turbine commence à être chargée. La turbine à vapeur ST se met en marche entre 35 et 40 minutes après le démarrage de la turbine à gaz GT1. Le temps pour que la turbine à gaz atteigne son plein régime est alors seulement d'environ 5 minutes. Aux abords de ce repère chronologique d'écoulement de 45 minutes, la turbine à vapeur ST commence à être chargée. La deuxième turbine à gaz GT2 a redémarré à peu près en même temps que la turbine à vapeur ST et sa vitesse de fonctionnement et sa charge sont accrues de la même manière que décrit à propos des figures 3 et 4. La séquence de démarrage est terminée, la turbine à vapeur ST fonctionnant à 100% de sa charge nominale environ 90 minutes après le début du processus de démarrage. Sur la Fig. 5, il n'y a pas de chevauchement d'états avec panache jaune. Un état avec panache jaune pour la turbine à gaz GT1 débute vers le repère 30 minutes et dure un peu plus de 25 minutes. Un état avec panache jaune provoqué par la turbine à gaz GT2 débute une dizaine de minutes plus tard (environ 1 heure dans la séquence) et dure un peu plus de 15 minutes. De ce fait, le laps de temps total au cours duquel un panache jaune est visible est d'une bonne quarantaine de minutes, soit environ une moitié du cycle de démarrage. En référence aux figures lA et 1B, et selon la présente invention, on utilise un nouveau procédé de démarrage qui réduit sensiblement les émissions et limite le plus possible les états avec panache jaune. Dans le procédé selon l'invention, on commence par faire monter en puissance la turbine à gaz GT1 pour la porter à son régime de réserve tournante ou de charge minimale. Une fois que la turbine à gaz atteint sa réserve tournante, la deuxième turbine à gaz GT2 est mise en marche et elle est également portée à son régime de réserve tournante. Une fois que les deux turbines à gaz GT1 et GT2 sont dans leur régime de réserve tournante, la température dans l'alésage du rotor de la section haute pression (HP) de la turbine à vapeur ST est calculée. Si la température est inférieure à 315 C (600 F), les aubes directrices d'entrée (ADE) de la turbine à gaz GT1 sont ouvertes pour régler le débit de l'air et réduire la température d'échappement. Outre le calcul de la température dans l'alésage du rotor de la section d'étage HP de la turbine à vapeur ST, la pression de régulation est vérifiée pour déterminer si le générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) est au-dessus de la pression plancher. Les spécialistes de la technique comprendront que le niveau de la pression de régulation variera selon que le démarrage est un démarrage à froid, un démarrage à chaud ou un démarrage à très haute température. Une fois que la température dans l'alésage du rotor de la section HP est égale ou supérieure à 315 C (600 F) et que la pression de régulation est égale ou supérieure à la pression plancher, le démarrage de la turbine à gaz débute sous le contrôle d'un système de commande tel que le système Mark V, dont la conception et le fonctionnement sont connus dans la technique. Une fois la turbine à vapeur ST en route, la température dans l'alésage du rotor de la section HP de la turbine est à nouveau contrôlée pour savoir si elle est alors égale ou supérieure à 177 C (350 F). Dans l'affirmative, la turbine à vapeur est alors mise dans un mode de fonctionnement à commande de pression d'entrée (CPE). Dans ce mode de fonctionnement, la quantité de vapeur fournie par les turbines à gaz GT1 et GT2 à la turbine à vapeur dépend de la charge des turbines à gaz. A cet instant, la turbine à vapeur ST est en route, les aubes directrices d'entrée de la turbine à gaz GT1 sont mises dans leur position minimale et la turbine à gaz GT2 est contrôlée pour savoir si elle fonctionne à son régime de réserve tournante. Dans l'affirmative, des robinets d'isolement à chaud et de réchauffage à froid pour le générateur de vapeur à récupération de chaleur de la turbine à gaz GT2 s'ouvrent. Cela sert à combiner la vapeur de GT2 avec celle de GT1 avant leur admission dans la turbine à vapeur ST. Ensuite, la température dans l'alésage du rotor de l'étage haute pression de la turbine à vapeur est contrôlée pour savoir si elle est égale ou supérieure à 260 C (500 F). Dans l'affirmative, les robinets d'isolement de l'étage de haute pression pour le générateur de vapeur à récupération de chaleur pour la turbine à gaz GT2 s'ouvrent. Après cela, la température dans l'alésage du rotor pour les étages à haute pression et à pression intermédiaire (IP) de la turbine à vapeur est contrôlée jusqu'à ce que, dans chaque cas, elle soit égale ou supérieure à 413 C (775 F). Lorsque ces niveaux de température sont atteints dans ces étages, les charges des deux turbines à gaz GT1 et GT2 sont accrues pour passer de leurs valeurs minimales (réserves tournantes) à 50% de leurs valeurs nominales. Cela se fait avec le facteur de charge maximal pour chaque turbine à gaz. Lorsque leurs charges sont toutes deux égales à 50% de leurs valeurs nominales, la commande de leurs charges est confiée au dispositif de commande de la turbine à vapeur, puis assurée par celui-ci. Considérant les figures 6 à 8, l'effet de ce procédé de démarrage à facteur de charge variable sur les états avec panache jaune apparaît facilement pour les conditions de démarrage à froid, de démarrage à chaud et de démarrage à très haute température des turbines. Sur la Fig. 6, la réduction de la quantité de NO2 produits pendant un démarrage à froid à l'aide du procédé selon l'invention décrit ci-dessus réduit le temps pendant lequel un panache jaune visible peut apparaître et le fait passer d'environ 1 heure, comme représenté sur la Fig. 3, à environ 5 minutes. Un état avec panache jaune durant 5 minutes peut survenir pour les deux turbines à gaz, mais les périodes durant lesquelles ceux-ci surviennent se chevauchent sensiblement, comme indiqué sur la Fig. 6. Il y a donc une réduction d'environ 90% du panache jaune. Sur la Fig. 7, la réduction de la quantité de NO2 produits pendant un démarrage à chaud à l'aide du procédé décrit plus haut réduit là encore le laps de temps pendant lequel un panache jaune visible peut apparaître pour le faire passer d'environ 45 minutes, comme représenté sur la Fig. 4, à environ 5 minutes une fois encore. Un état avec panache jaune durant 5 minutes peut à nouveau survenir pour les deux turbines à gaz; cependant, là encore, les périodes pendant lesquelles ceux-ci surviennent se chevauchent, comme indiqué sur la Fig. 7. Il y a donc une réduction d'environ 88% du panache jaune. Enfin, sur la Fig. 8, la réduction de la quantité de NO2 produits pendant un démarrage à très haute température à l'aide du procédé selon l'invention réduit le laps de temps pendant lequel un panache jaune visible peut apparaître pour le faire passer d'environ 42 minutes, comme représenté sur la Fig. 5, à environ 7 minutes. Comme dans le cas des démarrages à froid et à chaud, un état avec panache jaune durant 7 minutes peut survenir pour les deux turbines à gaz, mais les périodes pendant lesquelles ceux-ci apparaissent continuent à sensiblement se chevaucher, comme indiqué sur la Fig. 8. Il y a donc une réduction d'environ 80% du panache jaune. L'utilisation du procédé de démarrage selon l'invention n'a aucun effet notable sur le laps de temps entre le début du démarrage et l'achèvement du cycle de démarrage. Ainsi, en mettant les turbines à gaz GT1 et GT2 et la turbine à vapeur ST dans leurs modes de fonctionnement, de fortes réductions des émissions de NO2 sont obtenues et le temps pendant lequel un panache jaune visible est créé est fortement réduit, tout cela sans affecter le temps nécessaire au démarrage. REVENDICATIONS 1. Procédé de démarrage d'une pluralité de turbines à gaz utilisées dans une centrale de production d'électricité, comprenant les étapes consistant à : faire démarrer une première turbine à gaz (GT1) et l'amener à fonctionner à un régime de charge minimale; maintenir la première turbine à gaz dans son régime de charge minimale tout en mettant en marche une deuxième turbine à gaz (GT2) et en l'amenant à fonctionner à son régime de charge minimale; lancer le démarrage d'une turbine à vapeur (ST) avec laquelle coopèrent les turbines à gaz tout en maintenant les deux turbines à gaz dans leurs régimes de charge minimale; accroître la charge dans les deux turbines à gaz jusqu'à un niveau prédéterminé supérieur à leurs niveaux de charge minimale une fois que les températures de fonctionnement à l'intérieur de la turbine à vapeur atteignent des valeurs prédéterminées; et charger ensuite les deux turbines à gaz en fonction de la charge dans la turbine à vapeur avec laquelle coopèrent les turbines à gaz, la séquence de démarrage abaissant la quantité de NO2 produite pendant le démarrage des turbines et l'apparition d'un panache jaune visible dans la centrale. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les turbines à gaz sont initialement dans des conditions de démarrage à froid. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les turbines à gaz sont initialement dans des conditions de démarrage à chaud. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les turbines à gaz sont initialement dans des conditions de démarrage à très haute température. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le démarrage de la première turbine à gaz consiste à mettre celle-ci dans un régime de réserve tournante, et la deuxième turbine à gaz n'est pas mise en marche tant que la première turbine à gaz n'est pas dans son régime de réserve tournante. 6. Procédé selon la revendication 5, comprenant en outre le démarrage de la turbine à vapeur lorsqu'une température dans l'alésage du rotor de la turbine à vapeur est à une première valeur prédéterminée. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le démarrage de la turbine à 35 vapeur nécessite en outre qu'une pression de régulation de la turbine à vapeur soit à un niveau de pression plancher qui varie selon que les turbines subissent un démarrage à froid, un démarrage à chaud ou un démarrage à très haute température. 8. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre l'étape consistant à mettre en route la turbine à vapeur et à la mettre dans un mode de fonctionnement à commande de pression d'entrée, ladite étape consistant à régler à une valeur minimale les aubes directrices d'entrée (ADE) de la première turbine à gaz. 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre les étapes consistant à : ouvrir des robinets d'isolation à chaud et de réchauffement à froid pour un générateur de vapeur à récupération de chaleur de la deuxième turbine à gaz lorsque la deuxième turbine à gaz atteint son régime de réserve tournante pour ainsi isoler la deuxième turbine à gaz par rapport à la première turbine à gaz; porter la température dans l'alésage du rotor de la turbine à vapeur à une deuxième valeur prédéterminée; ouvrir les robinets d'isolation à haute pression dans le générateur de vapeur à récupération de chaleur de la deuxième turbine à gaz lorsque la température dans l'alésage du rotor de la deuxième turbine à gaz atteint ou dépasse sa deuxième valeur prédéterminée; et porter à la fois la température dans l'alésage du rotor à haute pression et la température dans l'alésage du rotor à pression intermédiaire de la turbine à vapeur à une valeur prédéterminée et charger la première et la deuxième turbines à gaz à un niveau de charge prédéterminé à un facteur de charge prédéterminé. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le facteur de charge est un facteur de charge maximal pour les turbines à gaz, la charge dans la première et la deuxième turbines à gaz étant ensuite commandée suivant un facteur déterminé par la charge de la turbine à vapeur.