Brevet FR2920477A1 — publié le 20090306

B08-2157FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Invention de : KIRZHNER Joseph Procédé et système pour des conditions de fonctionnement en charge partielle de turbine à gaz Priorité d'une demande de brevet déposée aux ETATS-UNIS D'AMERIQUE le 4 septembre 2007 sous le n° 11/849.383 1 Procédé et système pour des conditions de fonctionnement en charge partielle de turbine à gaz La présente demande concerne globalement les turbines à gaz et plus particulièrement concerne un procédé et un système pour étendre les valeurs de marge de réglage effective de turbine à gaz pendant des fonctionnements en charge partielle. Les turbines à gaz ont généralement un rendement élevé dans des fonctionnements à charge de base et maximale. Ce rendement, néanmoins, diminue généralement dans les fonctionnements en charge partielle. Le fonctionnement de la turbine et les exigences d'émissions d'échappement peuvent devenir un problème à de telles charges basses. Précisément, la réduction de charge de la turbine ou "marge de réglage effective" peut généralement être accomplie en réduisant le débit de carburant vers la chambre de combustion. Cette réduction du débit de carburant, néanmoins, rend le mélange air-carburant moins riche de telle manière qu'entretenir la combustion devient plus problématique puisque les températures de combustion sont réduites. Une combustion instable peut mener à des niveaux d'émission de gaz excessifs ainsi qu'à une instabilité mécanique. Une telle instabilité peut endommager potentiellement des éléments du système de turbine à gaz en tant que tout. Une valeur de marge de réglage effective typique d'environ quarante pour cent (40%) à trente pour cent (30%) de la pleine charge peut être espérée tout en maintenant les exigences d'émission. Il y a donc un souhait pour des procédés et des systèmes améliorés pour des conditions de fonctionnement en charge partielle de turbine à gaz. De préférence, les procédés et systèmes améliorés peuvent étendre la valeur de marge de réglage effective d'une turbine à gaz en restant dans les exigences d'émission tout en maintenant ou améliorant le rendement global du système. La présente demande propose ainsi un procédé pour faire fonctionner à charge partielle un système de turbine à gaz ayant un compresseur, une chambre de combustion et une turbine. Le procédé peut inclure les étapes consistant à abaisser un débit de carburant vers la chambre de combustion, soutirer de l'air du compresseur de façon à abaisser un débit d'air vers la chambre de combustion, et renvoyer l'air soutiré vers la turbine ou un composant du système de turbine à gaz autre que la chambre de combustion. Soutirer de l'air du compresseur augmente une température de combustion dans la chambre de combustion. Augmenter la température de combustion maintient un échappement de combustion sous un niveau prédéterminé comme un niveau exigé d'émissions prédéterminé. La présente demande décrit en outre un système de turbine à gaz. Le système de turbine à gaz peut inclure un compresseur avec un refoulement de compresseur, une chambre de combustion en communication avec le compresseur, et une turbine en communication avec la chambre de combustion. Un soutirage de refoulement de compresseur peut s'étendre depuis le refoulement de compresseur vers la turbine de telle manière que l'air venant du refoulement de compresseur peut être soutiré et renvoyé à la turbine pendant les fonctionnements en charge partielle. La présente demande décrit en outre un système de turbine à gaz. Le système de turbine à gaz peut inclure un compresseur et une chambre de combustion en communication avec le compresseur. Le compresseur peut inclure une soupape de refoulement de compresseur de telle manière que l'air venant du compresseur peut être soutiré pendant des fonctionnements en charge partielle. Ceci et d'autres caractéristiques de la présente demande deviendront apparents à l'homme de l'art à la lecture de la description détaillée suivante en liaison avec les dessins, dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'un système de turbine à gaz qui est décrit ici, la figure 2 est une vue schématique d'une variante de mode de réalisation d'un système de turbine à gaz comme décrit ici. En se référant maintenant aux dessins, dans lesquels des numéros de référence identiques se réfèrent à des éléments identiques dans toutes les vues, la figure 1 est une vue schématique d'un exemple d'un système de turbine à gaz 100. Globalement décrit, le système de turbine à gaz 100 peut inclure un compresseur 110, un chambre de combustion 120 comportant un certain nombre de caissons 125, et une turbine 130. Le système de turbine à gaz 100 comprime l'air ambiant dans le compresseur 110. L'air ambiant est ensuite délivré à la chambre de combustion 120 qui est utilisée pour brûler un débit de carburant pour produire un gaz de combustion chaud. Le gaz de combustion chaud est délivré à la turbine 130 où il est détendu en énergie mécanique via un certain nombre d'aubes dans un chemin de gaz chaud. La turbine 130 et le compresseur 110 sont généralement connectés à un arbre commun 140 qui peut être connecté à un générateur électrique ou un autre type de charge 150. La charge sur le système de turbine à gaz 100 peut être déterminée par un capteur de charge 155. Le capteur de charge 155 peut être d'une conception conventionnelle. Le système de turbine à gaz 100 peut être un système de combustion sèche à faible émission de NOx (DLN) ou tout type de système de combustion. Le système de turbine à gaz 100 peut faire partie d'une centrale électrique à cycle combiné ou d'autres types d'équipement de génération d'électricité. Les niveaux d'exigence d'émission peuvent varier selon l'emplacement, le type d'équipement de génération d'électricité, les conditions de fonctionnement, et autres variables. Ici, exigence d'émission signifie une limite prédéterminée sur les émissions de turbine à gaz qui ne peut pas être dépassée. Les exigences d'émission s'attachent généralement aux émissions de NOx et de COX et d'autres types de sous-produits. Un procédé connu pour rester dans les exigences d'émission pendant les fonctionnements à charge partielle est de réduire l'angle des aubes de guidage d'entrée autour du compresseur 110 et d'activer un débit de prélèvement d'entrée en considérant une ouverture de carburant. Un tel système de commande est montré dans le brevet U.S. n° 7 219 040 intitulé "Method and System for Model Based Control of Heavy Duty Gas Turbine". En plus des conceptions de turbine existantes, un autre procédé d'exigence d'émission consiste à prélever une partie de l'air d'échappement comprimé depuis le compresseur 110 avant qu'il atteigne la chambre de combustion 120. Précisément, le débit de carburant vers la chambre de combustion 120 peut être réduit pendant la marge de réglage effective. La réduction du débit de carburant rend le mélange air/carburant plus pauvre et réduit la température dans la chambre de combustion 120. Prélever une partie de l'air de compresseur force aussi la température dans la chambre de combustion 120 à augmenter de façon à permettre au système de turbine à gaz 100 comme un tout de fonctionner à son mélange de carburant prévu. En plus d'augmenter la température dans la chambre de combustion 120, cet air prélevé peut être utilisé pour refroidir les parties de la turbine 130 situées dans le chemin de gaz chaud d'une manière similaire aux soutirages de compresseurs existant. Précisément, en plus des soutirages existants, le système de turbine à gaz 100 peut aussi avoir un certain nombre de soutirages d'étages de compresseur de refroidissement 160. Par exemple, un soutirage de compresseur 160 d'étage 9 peut être utilisé pour refroidir des étages de turbine 2 et 3 alors que les soutirages de compresseur 160 depuis les étages 13, 17, et 18, peuvent être utilisés pour refroidir les étages 1, 2 et 3 de la turbine 130. D'autres emplacements de soutirage et combinaisons peuvent être utilisés ici. Dans cet exemple, un soutirage de refoulement de compresseur 170 depuis un refoulement de compresseur 175 du compresseur 110 peut aussi être utilisé pour refroidir un étage précédent de la turbine 130 d'une manière similaire aux soutirages d'étage de compresseur 160 décrits ci-dessus. Le soutirage d'étage de compresseur 170 peut s'étendre depuis le refoulement de compresseur 175 vers le premier ou le second étage de la turbine 130. D'autres positions peuvent être utilisées ici. En variante, l'énergie du soutirage de refoulement de compresseur 170 peut être utilisée pour tout fonctionnement souhaité concernant le système de turbine à gaz 100 ou la centrale électrique comme un tout via un échangeur de chaleur 180 ou un autre type de dispositif de transfert de chaleur. L'échangeur de chaleur 180 peut être de conception conventionnelle. Par exemple, l'échangeur de chaleur 180 peut être en communication avec le refoulement de compresseur 175 et d'autres éléments d'une centrale électrique à cycle combiné comme décrit ci-dessus. Le fonctionnement des soutirages 160, 170 peut être réalisé en utilisant un capteur de température d'échappement 190. Le capteur de température d'échappement 190 peut être en communication avec l'écoulement d'échappement de la turbine 130 de façon à mesurer la température de sortie à l'intérieur. Le capteur de température d'échappement 190 peut être de conception conventionnelle. Le capteur de température d'échappement 190 peut être en communication avec une soupape de commande de débit de soutirage 200. La soupape de débit de soutirage 200 peut être une soupape à trois voies conventionnelle qui envoie l'air du soutirage de refoulement de compresseur 170 soit vers la turbine 130 pour l'y refroidir, soit vers l'échangeur de chaleur 180 pour utilisation avec la centrale électrique à cycle combiné ou autrement. Un autre capteur de température de turbine 195 peut être utilisé par rapport aux parties situées dans le chemin de gaz chaud de la turbine 130. D'autres capteurs peuvent être utilisés ici. Une soupape de commande de débit similaire 165 peut être positionnée autour des soutirages d'étage de compresseur 160 de telle manière que les soutirages d'étage de compresseur peuvent aussi être utilisés pour commander la température de la chambre de combustion 120 ou pour d'autres besoins. Par exemple, le soutirage de compresseur 160 peut être utilisé pour refroidir les divers étages de la turbine 130 comme décrit ci-dessus ainsi que pour la stabilité de la chambre de combustion 120 pendant les fonctionnements en charge partielle. Précisément, les soutirages d'étage de compresseur 160 peuvent être utilisés pendant les fonctionnements en charge partielle pour limiter l'air envoyé vers la chambre de combustion 120 tout en refroidissant la turbine 130 ou autrement. La soupape de commande de débit de soutirage 165 peut être une soupape à trois voies comme décrit ci-dessus et peut être en communication avec l'échangeur de chaleur 180 ou un type similaire de dispositif de telle manière que la chaleur et l'énergie des soutirages d'étage de compresseur 160 peuvent aussi être en communication avec d'autres éléments de la centrale électrique à cycle combiné comme décrit ci-dessus. La quantité, l'emplacement, et la température des soutirages 160, 170 peut être déterminée par les capteurs de température d'échappement 190, 195 en association avec un dispositif de commande 210. Le dispositif de commande 210 peut être tout type de microprocesseur programmable. I1 est possible d'utiliser plusieurs dispositifs de commande 210. Le dispositif de commande 210 peut stocker des paramètres de performance, des courbes, des équations, des tableaux de conversion, d'autres structures de données ainsi qu'une rétroaction immédiate provenant des capteurs de température 190, 195, du capteur de charge 155 et d'autres types d'entrée. Précisément, le dispositif de commande 210 peut ajuster sélectivement l'emplacement et le volume de la source et de la destination des soutirages 160, 170 d'après la température d'échappement, la température des parties situées dans le chemin de gaz chaud de la turbine 130, et/ou la charge sur le système de turbine à gaz 100 comme un tout. Le dispositif de commande 210 peut aussi fermer complètement certains caissons 125 dans la chambre de combustion 120. Fermer les caissons de chambre de combustion 125 peut en outre étendre les valeurs de marge de réglage effective. Le dispositif de commande 210 peut permettre la fermeture d'un ou plusieurs des caissons et faire varier les soutirages 160, 170 de façon à maintenir une température d'échappement prédéterminée et maintenir le système de turbine à gaz 100 dans les exigences d'émission. Comme montré sur la figure 1, une recirculation de gaz d'échappement 220 vers la turbine 130 peut généralement être utilisée pour réduire certaines émissions lors des fonctionnements à pleine charge. La figure 2 montre l'utilisation d'une recirculation de gaz d'échappement 220 pour des fonctionnements à charge partielle. Précisément, la recirculation de gaz d'échappement peut être dirigée vers le compresseur 110 et/ou la chambre de combustion 120. La recirculation de gaz d'échappement 220 peut être utilisée pour commander la quantité d'oxygène dans l'air envoyé vers la chambre de combustion 110 de façon à augmenter la température de chambre de combustion 120 en utilisant la chaleur et l'énergie du gaz d'échappement. En variante, la recirculation de gaz d'échappement 220 peut être délivrée à la turbine 130 sur une base sélective selon les fonctionnements dans les étages précédents de la turbine 130. La recirculation de gaz d'échappement 220 peut être délivrée vers l'entrée, le refoulement, ou tout autre étage du compresseur 110 ou de la turbine 130 ou tout autre emplacement de la chambre de combustion. La recirculation de gaz d'échappement 220 peut être délivrée sélectivement selon les conditions de fonctionnement. En utilisation, la combinaison de ces diverses techniques peut réduire la valeur de marge de réglage effective de la turbine à gaz 100 dans son ensemble à environ 14,3 % ou moins de la charge entière avec une diminution de consommation de carburant d'environ neuf pour cent (9 %) ou plus. Ces valeurs de marge de réglage effective peuvent être obtenues en maintenant la température de la chambre de combustion 120 au-dessus des limites de fonctionnement minimum en commandant la quantité d'air d'entrée. L'air pour les fonctionnements en charge partielle peut être commandé par les soutirages 160, 170 sélectionnés du refoulement de compresseur 175 et des étages de compresseur, en diminuant le nombre de caissons 125 de compresseur en fonctionnement, et/ou en renvoyant les gaz d'échappement sélectivement vers la chambre de combustion 120, le compresseur 110, et/ou la turbine 130. Diverses combinaisons de ces techniques peuvent aussi être utilisées. De même, l'utilisation des soutirages de compresseur 160, 170 réduit la température des pièces situées dans le chemin de gaz chaud de la turbine 130 de façon à étendre la durée de vie des pièces. La chaleur et l'énergie des soutirages 160, 179 peuvent en outre être transmises à l'échangeur de chaleur 180 de façon à augmenter le rendement global de la centrale thermique ou pour d'autres objets. Liste des références 100 Système de turbine à gaz 110 Compresseur 120 Chambre de combustion 125 Caissons de chambre de combustion 130 Turbine 140 Arbre 150 Charge 155 Capteur de charge 160 Soutirage d'étage de compresseur 165 Soupape de soutirage d'étage de compresseur 170 Soutirage de refoulement de compresseur 175 Refoulement de compresseur 180 Echangeur de chaleur 190 Capteur de température d'échappement 195 Capteur de température de chemin de turbine 200 Soupape de commande de soutirage de refoulement de compresseur 210 Dispositif de commande 220 Recirculation de gaz d'échappement 9 REVENDICATIONS 1. Procédé de fonctionnement à charge partielle d'un système de turbine à gaz (100) comportant un compresseur (100), une chambre de combustion (120) et une turbine (130), comprenant les opérations suivantes : diminuer un débit de carburant vers la chambre de combustion (120) ; soutirer de l'air du compresseur (110) de façon à diminuer un débit d'air vers la chambre de combustion (120) ; et renvoyer l'air soutiré à la turbine (130) ou à un composant du système de 10 turbine à gaz (100) autre que la chambre de combustion (120). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape consistant à soutirer de l'air du compresseur (110) comprend le fait de soutirer l'air d'un refoulement (175) du compresseur (100). 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape consistant à 15 soutirer l'air du compresseur (110) de façon à diminuer un débit d'air vers la chambre de combustion (120) comprend le fait d'augmenter une température de combustion dans la chambre de combustion (120). 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape consistant à augmenter une température de combustion dans la chambre de combustion (120) 20 comprend le fait de maintenir un échappement de combustion de la chambre de combustion (120) sous un niveau prédéterminé. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape consistant à renvoyer l'air soutiré vers la turbine (130) comprend le fait de refroidir la turbine (130). 25 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape consistant à renvoyer l'air soutiré vers un composant du système de turbine à gaz (100) autre que la chambre de combustion (120) comprend le fait de diriger l'air soutiré vers un échangeur de chaleur (180). 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape consistant à 30 soutirer l'air du compresseur (110) comprend un ou plusieurs soutirages d'étage de compresseur (160) et dans lequel le procédé comprend en outre le fait de diriger l'un ou plusieurs des soutirages d'étage de compresseur (160) vers la turbine (130) pendant les fonctionnements en charge partielle. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le volume d'air soutiré varie avec une charge sur le système de turbine à gaz (100), une température d'échappement de la turbine (130), ou une température dans la turbine (130). 9. Système de turbine à gaz 100, comprenant : un compresseur (110) ; une chambre de combustion (120) en communication avec le compresseur (110) ; et le compresseur (110) comprenant une soupape de refoulement de compresseur (200) de telle manière que l'air venant du compresseur (110) peut être soutiré pendant les fonctionnements en charge partielle.