Brevet FR2929647A1 — publié le 20091009

B09-0918FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Réduction de la température à l'entrée d'une turbine à gaz pendant des phénomènes de sous-fréquence, procédé correspondant et centrale électrique Invention de : SNIDER David A. ROSSON Randy S. HANNULA Scott V. WILKES Kevin W. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 2 avril 2008 sous le n° 12/078.612 Réduction de la température à l'entrée d'une turbine à gaz pendant des phénomènes de sous-fréquence, procédé correspondant et centrale électrique La présente invention est relative au fonctionnement des turbines à gaz, en particulier pendant des phénomènes de sous-fréquence au cours desquels la demande dépasse l'offre. Lorsque la demande d'électricité dépasse la capacité d'approvisionnement d'un réseau, la fréquence du réseau descend au- dessous de la valeur visée de 50 ou de 60 Hz. Pour des centrales électriques à turbine à gaz, la capacité de puissance de la turbine à gaz décroît ordinairement à mesure que diminue la fréquence. De la sorte, afin d'assurer la stabilité du réseau pendant de grands creux de fréquence, il peut être nécessaire d'accroître au moins temporairement la puissance délivrée par la centrale électrique à turbine à gaz. La puissance délivrée par une turbine à gaz servant à produire de l'électricité peut être accrue, par exemple, par une augmentation du débit massique du compresseur ou par une augmentation du débit du combustible. Cependant, une augmentation du débit massique du compresseur peut être limitée en raison de la marge de surpression ou d'autres limites du compresseur, tandis qu'une augmentation du débit du combustible peut être limitée pour des considérations de durée de vie de pièces, résultant d'un fonctionnement au-delà de températures de fonctionnement normales. De la sorte, on a besoin d'un mécanisme par lequel la puissance délivrée par une turbine à gaz puisse être accrue pendant des phénomènes de sous-fréquence de courte durée sans nécessiter un fonctionnement de la turbine à des températures de fonctionnement supérieures aux valeurs normales, ou afin de limiter le plus possible l'accroissement de la température de fonctionnement afin de rester conforme aux normes. Selon un exemple nullement limitatif de mise en oeuvre de la technologie décrite ici, on exploite le phénomène connu selon lequel une baisse de la température à l'entrée du compresseur accroît normalement la capacité de puissance d'une turbine à gaz. Ainsi, il est proposé un procédé pour augmenter la puissance délivrée par une centrale de production d'électricité à turbine à gaz (ou autre application à fonctionnement mécanique) comprenant un compresseur multi-étagé, une chambre de combustion et un organe formant turbine multi-étage, pendant des phénomènes durant lesquels la fréquence du réseau baisse sous une fréquence visée prédéterminée, le procédé comprenant : a) la réalisation d'une quantité de liquide ou d'air liquéfié, ou d'un mélange de gaz (que, pour simplifier, on appellera désormais "air") conçue pour permettre l'apport sélectif d'air liquéfié à une entrée d'air ambiant du compresseur ; et b) l'introduction de quantités régulées de l'air liquéfié par l'entrée d'air ambiant pendant les phénomènes. Selon un autre aspect, l'invention est relative à une centrale de production d'électricité à turbine à gaz comprenant : un compresseur multi-étagé ayant une entrée d'air ambiant ; un organe formant turbine multi-étage ; une chambre de combustion conçue pour recevoir de l'air comprimé du compresseur et pour fournir des produits de combustion gazeux à la turbine multi-étage ; et une source d'air liquéfié conçue pour fournir de l'air liquéfié à l'entrée d'air ambiant du compresseur. 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 par le dessin annexé sur lequel : la figure à dessin unique est une représentation schématique simplifiée d'une centrale à turbine à gaz comprenant un dispositif de refroidissement d'entrée de compresseur selon un exemple nullement limitatif de forme de réalisation de l'invention. En référence à la figure, une centrale 10 à turbine à gaz comprend un compresseur multi-étagé 12 qui fournit de l'air à une chambre de combustion 14 qui, à son tour, fournit des gaz de combustion chauds à une turbine à gaz multi-étage 16. Comme illustré, le compresseur 12 et la turbine 16 fonctionnent sur un arbre de rotor commun 18 qui peut également être couplé à un générateur (non représenté) en aval de la turbine 16. D'autres dispositifs de turbines peuvent également bénéficier de la présente invention. Le dispositif de turbine à gaz lui-même ne fait pas l'objet de la présente invention et n'a pas à être décrit plus en détail. Selon un exemple nullement limitatif de forme de réalisation de l'invention, une chambre d'entrée 20, à extrémité sensiblement ouverte, du compresseur 12 est conçue pour fournir à l'entrée 22 du compresseur de l'air d'admission refroidi. Un réservoir de stockage 24 est conçu pour fournir de l'air liquéfié, via un conduit 26, à une rampe d'injection 28 comportant plusieurs injecteurs 30. L'air liquéfié est de l'air qui a été refroidi à des températures très basses par compression et évacuation de chaleur. I1 a une masse volumique d'environ 870 kg/m3, cette masse volumique pouvant varier en fonction de la composition chimique de l'air. L'injection d'air liquéfié est commandée par une soupape de commande 32 dans le conduit 26, en amont de la rampe 28 et des injecteurs 30. Dans la chambre 20, la rampe 28 et les injecteurs correspondants 30 peuvent être disposés en divers endroits. Par exemple, si on place les injecteurs plus près de l'entrée 34 de la chambre, on peut obtenir une température plus uniforme car l'air s'écoule vers l'entrée 22 du compresseur, mais il peut en résulter une certaine hausse non souhaitable de la température sur le parcours. Une température plus basse mais moins uniforme peut être obtenue en plaçant la rampe 28 et les injecteurs correspondants 30 plus près de l'entrée 22 du compresseur. Ainsi, l'emplacement exact de la chambre 28 et des injecteurs 30 dépendra d'applications spécifiques, mais cela reste dans les compétences d'un spécialiste ordinaire de la technique. Le dispositif d'entrée décrit ci-dessus permet une augmentation de courte durée de la puissance délivrée en injectant de l'air liquéfié dans le système d'entrée du compresseur 12 pour ainsi abaisser la température de l'air ambiant qui entre dans le compresseur 12. La baisse de la température du fait de l'augmentation du débit d'air liquide accroît la puissance délivrée de la turbine à gaz 16, au moins temporairement, à un niveau qui, autrement, nécessiterait un fonctionnement de la turbine 16 au-delà de ses températures de fonctionnement normales. Le procédé de commande peut être un procédé reposant sur les besoins en puissance délivrée à divers niveaux de fréquence, ou sur le maintien d'une température particulière à l'entrée du compresseur. I1 peut aussi être avantageux de commander la fourniture d'air liquéfié par l'intermédiaire de la soupape 32 à la quantité minimale requise pour maintenir une puissance nécessaire à des niveaux de fréquence prédéterminés, à savoir par intermittence ou de façon modulée économisant l'air liquéfié coûteux, avec des intervalles de remplissage plus longs. On notera que l'accroissement de puissance obtenu par l'augmentation du débit massique du compresseur décrite ici peut améliorer la marge de surpression et la durée de vie des pièces du compresseur. REVENDICATIONS1. Procédé pour accroître la puissance délivrée par une centrale (10) de production d'électricité à turbine à gaz comprenant un compresseur multi-étagé (12), une chambre de combustion (14) et un organe formant turbine multi-étage (16), pendant des phénomènes au cours desquels la fréquence du réseau ou la fréquence de la turbine à gaz baisse sous une valeur visée prédéterminée, ou durant lesquels on s'attend à ce que la charge de la turbine à gaz dépasse temporairement la capacité de celle-ci, le procédé comprenant : a) la réalisation d'une quantité d'air liquéfié conçue pour permettre un apport sélectif d'air liquéfié à une entrée (22) d'air ambiant du compresseur (12) ; et b) l'introduction de quantités régulées de l'air liquéfié à l'entrée (22) d'air ambiant pendant lesdits phénomènes. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'installation d'au moins une soupape de commande (32) dans un conduit (26) fournissant l'air liquéfié à ladite entrée (22) d'air ambiant. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape (b) comporte l'injection d'air liquéfié via plusieurs injecteurs (30) situés à proximité de ladite entrée (22) d'air ambiant dudit compresseur (12). 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape (b) comporte en outre le montage desdits injecteurs (30) sur une rampe (28) et l'installation de ladite rampe (28) à l'intérieur d'une chambre (20) au voisinage immédiat de ladite entrée (22) d'air ambiant. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (b) est exécutée en fonction de la fréquence du réseau. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (b) est exécutée en fonction de la température à l'entrée (22) d'air du compresseur (12) et de la puissance délivrée par la turbine (16). 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (b) est exécutée pour fournir une quantité minime d'air liquéfié afin de maintenir une puissance délivrée requise à des niveaux de fréquence prédéterminés. 8. Centrale (10) de production d'électricité à turbine à gaz, comprenant : un compresseur multi-étagé (12) ayant une entrée (22) d'air ambiant ; un organe formant turbine multi-étage (16) ; une chambre de combustion (14) conçue pour recevoir de l'air comprimé du compresseur et pour fournir des produits de combustion gazeux à l'organe formant turbine multi-étage (16) ; et une source (24) d'air liquéfié conçue pour fournir de l'air liquéfié à ladite entrée (22) d'air ambiant du compresseur (12). 9. Centrale (10) de production d'électricité à turbine à gaz selon la revendication 8, comprenant une rampe (28) d'injection d'air liquéfié avec un ou plusieurs injecteurs (30) situés à proximité de ladite entrée (22) d'air ambiant. 10. Centrale (10) de production d'électricité à turbine à gaz selon la revendication 9, comprenant en outre un conduit (26) disposé entre ladite source (24) d'air liquéfié et ladite entrée (22) d'air ambiant, une soupape de commande (32) étant située dans ledit conduit (26), en amont de ladite rampe (28). 11. Centrale (10) de production d'électricité à turbine à gaz selon la revendication 10, dans laquelle ladite rampe (28) est disposée à l'intérieur d'une chambre (20) au voisinage immédiat de ladite entrée (22) d'air ambiant.