Brevet FR2932220A1 — publié le 20091211

B09-1740FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Système de récupération de la chaleur perdue générée par un système auxiliaire de turbomachine Invention de : CHILLAR Rahul J. SMITH Michael B. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 10 juin 2008 sous le n° 12/136.337 Système de récupération de la chaleur perdue générée par un système auxiliaire de turbomachine La présente invention concerne de façon générale des systèmes pour améliorer le rendement d'une centrale électrique ; de façon plus spécifique mais aucunement limitative, des systèmes pour utiliser la chaleur perdue générée par une centrale électrique pour diminuer le travail effectué par un générateur de vapeur à récupération de chaleur. De façon générale, un grand nombre de composants et/ou de systèmes d'une centrale électrique doivent être refroidis. Ces composants peuvent inclure par exemple, mais sans y être limités, un générateur ; un système d'huile de graissage ; un transformateur ; un système de refroidissement d'entrée de turbine ; le refroidissement d'un système de refroidissement intermédiaire de compresseur et analogue. Ces composants et systèmes rejettent la chaleur générée par les pertes (par ventilation, de paliers, de chauffage électrique, etc.). Ces fonctions de refroidissement ont généralement une influence directe sur les performances et sur le rendement de la centrale électrique. Ces systèmes font couramment usage d'un patin individuel pouvant utiliser des échangeurs de chaleur refroidis par de l'air ou par de l'eau. Par exemple mais sans y être limité, un patin d'eau de refroidissement de générateur peut utiliser un échangeur de chaleur dont le milieu de refroidissement est de l'eau. Un patin d'huile de graissage peut utiliser des échangeurs de chaleur refroidis par de l'eau. Un patin de refroidissement intermédiaire de compresseur peut utiliser de l'eau à la température ambiante. Un patin de refroidissement de transformateur peut refroidir le transformateur en utilisant des échangeurs de chaleur refroidis par de l'air. Ces patins de refroidissement indépendants rejettent la chaleur perdue issue du refroidissement des composants et des systèmes de la centrale électrique mentionnés ci-dessus. Une centrale électrique à cycle combiné utilise un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG). La centrale électrique utilise l'échappement d'une turbine à gaz pour chauffer de l'eau à l'intérieur du HRSG pour créer de la vapeur. La vapeur se condense et s'écoule vers un condenseur, après utilisation par une turbine à vapeur ou un autre processus. La vapeur condensée (appelé ci-après � condensat � ou analogue) s'écoule dans une boucle de condensat jusqu'à une section du HRSG pour être réchauffée. Le HRSG comporte généralement une section d'économiseur qui chauffe le condensat jusqu'à une température intermédiaire avant de se vaporiser instantanément. L'utilisation de l'économiseur dans un HRSG diminue le rendement global de la centrale électrique. I1 n'existe actuellement aucun système connu intégrant les composants d'une centrale électrique permettant d'utiliser la chaleur perdue susmentionnée pour chauffer le condensat et d'éliminer ou de réduire l'utilisation de l'économiseur. Pour les raisons précédentes, il existe un besoin pour un système qui reprend la chaleur perdue évacuée par les systèmes auxiliaires d'une centrale électrique. Le système doit utiliser la chaleur perdue pour augmenter la température du condensat s'écoulant à l'intérieur du HRSG. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un système pour améliorer le rendement d'une centrale électrique est fourni dans lequel la centrale électrique comprend au moins une turbine à gaz et un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG), le système comprenant : au moins un système auxiliaire ; dans lequel l'au moins un système auxiliaire est en communication fluide avec au moins un composant de la centrale électrique ; et retire la chaleur perdue reçue depuis l'au moins un composant de la centrale électrique ; un condenseur intégré au HRSG, dans lequel le condenseur reçoit un condensat depuis le HRSG et comprend une boucle de condensat ; dans lequel la boucle de condensat transfère une partie du condensat vers une partie d'entrée de l'au moins un système auxiliaire ; et une boucle de récupération de chaleur, dans lequel la boucle de récupération de chaleur utilise le condensat pour transférer la chaleur perdue depuis l'au moins un système auxiliaire vers le HRSG ; dans lequel la boucle de récupération de chaleur élève la température du condensat avant de revenir vers le HRSG ; réduisant le travail effectué par le HRSG et augmentant le rendement de la centrale électrique. Ces caractéristiques, aspects et avantages de la présente invention ainsi que d'autres seront mieux compris en lisant la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels des caractères analogues représentent des éléments analogues dans l'ensemble des dessins : - la figure 1 est un schéma illustrant des patins de refroidissement indépendants utilisés pour rejeter la chaleur perdue dans les systèmes auxiliaires de centrale électrique de l'art antérieur ; - la figure 2 est un schéma illustrant un système destiné à utiliser la chaleur perdue pour chauffer le condensat dans un HRSG selon un mode de réalisation de la présente invention. La description détaillée qui suit des modes de réalisation préférés se réfère aux dessins annexés qui illustrent des modes de réalisation spécifiques de l'invention. D'autres modes de réalisation ayant des structures et des fonctionnements différents ne s'écartent pas de la portée de la présente invention. On utilise ici une certaine terminologie pour la commodité du lecteur seulement et elle n'est pas destinée à être considérée comme une limitation de la portée de l'invention. Par exemple, des mots tels que � supérieur �, � inférieur �, � gauche �, � droit �, � avant �, � arrière �, � haut �, � bas �, � horizontal �, � vertical �, � amont �, � aval �, � avant �, � arrière �, et analogue décrivent simplement la configuration représentée sur les figures. L'élément ou les éléments d'un mode de réalisation de la présente invention peuvent en fait être orientés dans une direction quelconque et en conséquence, la terminologie doit être comprise comme englobant de telles variantes sauf spécification contraire. La présente invention a pour effet technique d'augmenter la température du condensat s'écoulant dans un HRSG en intégrant les composants de la centrale électrique qui évacuent la chaleur perdue. Un mode de réalisation de la présente invention prend la forme d'un système pouvant récupérer la chaleur perdue pour chauffer le condensat. Un mode de réalisation de la présente invention peut être fabriqué avec des matériaux quelconques pouvant supporter l'environnement de fonctionnement auquel est exposée la présente invention. La présente invention peut être appliquée à la grande diversité de centrales électriques comportant au moins une turbine de combustion (turbine à gaz, dérivée de l'aéronautique ou analogue) ; au moins un générateur de vapeur à récupération de chaleur (chaudière, HRSG ou analogue) ; et au moins un condenseur. Suivent des exemples mais non limitatifs des types de configuration de centrale électrique auxquels s'applique la présente invention. Un mode de réalisation de la présente invention peut s'appliquer à une centrale électrique comportant une turbine à gaz, une turbine à vapeur, un HRSG et un condenseur. Un mode de réalisation de la présente invention peut s'appliquer à une centrale électrique comportant une turbine à gaz, un HRSG et un condenseur. La centrale électrique peut ici utiliser la vapeur créée par le HRSG pour un autre processus. En se référant maintenant aux figures où les divers numéros représentent des éléments analogues dans l'ensemble des diverses vues, la figure 1 est un schéma illustrant des patins de refroidissements indépendants qui rejettent la chaleur perdue dans une centrale électrique de l'art antérieur. La figure 1 illustre une centrale électrique comprenant une turbine à gaz 100 ; un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) 165 ; une turbine à vapeur 170 ; un condenseur 175 ; et un générateur 155. La turbine à gaz 100 comprend un compresseur à écoulement axial 110 ayant un arbre de rotor 120. De l'air d'entrée 105 entre dans le compresseur en 110, est comprimé puis est évacué vers un système de combustion 130 où un carburant 135 tel qu'un gaz naturel est brûlé pour fournir des gaz de combustion de haute énergie 140 ; entraînant la section de turbine 145. Dans la section de turbine 145, l'énergie des gaz chauds 140 est convertie en travail dont une partie est utilisée pour entraîner le compresseur 110 par l'intermédiaire de l'arbre 120, le reste étant disponible pour entraîner une charge telle que le générateur 155. Un transformateur 160 est physiquement couplé au générateur 155 et règle la tension de l'électricité produite par le générateur 155. Un HRSG 165 peut recevoir l'échappement 150 de la section de turbine 145. La chaleur de l'échappement 150 chauffe le condensat (non illustré) s'écoulant à l'intérieur de la boucle de condensat 177 du HRSG 165. Le condensat se vaporise ensuite instantanément, la vapeur pouvant s'écouler vers la turbine à vapeur 170. Après avoir généré un couple, la vapeur peut s'écouler vers le condenseur 175 où elle se condense en revenant sous forme de condensat. Des pompes d'alimentation de chaudière (non illustrées) ou analogue peuvent déplacer le condensat dans la boucle de condensat 177 pour retourner dans le HRSG 165 où le processus d'écoulement mentionné ci-dessus se répète. Des composants de la centrale électrique tels que, mais sans y être limités, la turbine à gaz 100, le générateur 155 et le transformateur 160 génèrent de la chaleur perdue qui doit être éliminée. Ces composants comportent généralement des systèmes auxiliaires incluant des échangeurs de chaleur ou analogue qui éliminent la chaleur perdue. Les systèmes auxiliaires peuvent utiliser des fluides tels que, mais sans y être limités, de l'air, de l'huile et de l'eau pour refroidir les fluides utilisés par les systèmes auxiliaires pour éliminer la chaleur perdue. Suivent des exemples, mais non limitatifs, de fluides couramment utilisés par des systèmes auxiliaires spécifiques. Pour abaisser la température des composants situés dans le compresseur 110, on utilise un patin de refroidissement intermédiaire de compresseur (CIS) 180, qui contient de l'eau en tant que fluide de refroidissement. Le CIS 180 comporte une ligne chaude de CIS 181 qui élimine l'air comprimé chauffé qui traverse le CIS 180 où s'effectue un refroidissement ; et la ligne froide du CIS 183 ramène l'air refroidi jusqu'au compresseur 110. Pour abaisser la température de l'huile de lubrification (graissage) utilisée dans la turbine à gaz 100 et le générateur 155, on utilise un patin de refroidissement d'huile de graissage (LOCS) 185. Le LOCS 185 élimine la chaleur du LOCS 185 au moyen d'un échangeur de chaleur refroidi par de l'eau utilisant de l'air à la température ambiante. Le LOCS 185 comporte des lignes 187, 189, 191 qui font circuler l'huile de graissage à travers le LOCS permettant à l'huile de graissage du refroidisseur de retourner vers la turbine à gaz 100. Le générateur 155 utilise un patin d'eau de refroidissement (CWS) 193 pour abaisser la température des composants internes. Le CWS 193 comporte une ligne chaude de CWS 195 et une ligne froide de CWS 197 pour faire circuler le fluide de refroidissement à travers le CWS 193 et le générateur 155. Les composants du transformateur 160 sont refroidis par un patin de refroidissement de transformateur (TCS) 200. Le TCS 200 peut utiliser de l'huile comme milieu de refroidissement. Le TCS 200 peut utiliser une ligne chaude de TCS 201 et une ligne froide de TCS 203 pour éliminer la chaleur perdue de façon similaire aux processus mentionnés ci-dessus. Ces systèmes auxiliaires, CIS 180, LOCS 185, CWS 193 et TCS 200 ne sont généralement pas intégrés pour chauffer le condensat dans la boucle de condensat 177. La chaleur perdue éliminée par ces systèmes n'est pas reprise et ainsi, l'énergie thermique est perdue. La figure 2 est un schéma illustrant un système d'utilisation de la chaleur perdue pour chauffer le condensat dans un HRSG 165 selon un mode de réalisation de la présente invention. Comme expliqué, la présente invention peut être appliquée à la grande diversité de centrales électriques comportant au moins une turbine de combustion (turbine à gaz, dérivée de l'aéronautique ou analogue) au moins un générateur de vapeur à récupération de chaleur (chaudière, HRSG ou analogue) et au moins un condenseur. Un mode de réalisation de la présente invention est appliqué à la configuration de centrale électrique illustrée sur la figure 1. L'explication de la figure 2 est limitée à la présente invention. La présente invention utilise le condensat sortant du condenseur 175 comme source de fluide de refroidissement utilisée par les échangeurs de chaleur des systèmes auxiliaires. Cette propriété élimine la nécessité de fournir divers fluides de refroidissement (huile, eau, air ou analogue) aux échangeurs de chaleur. La présente invention transfère également l'évacuation des échangeurs de chaleur (le fluide de refroidissement qui est chauffé) vers une partie d'entrée du HRSG 165. Cette caractéristique diminue de manière significative le travail requis par le HRSG 165 pour élever la température du condensat pour permettre la génération de vapeur. Un mode de réalisation de la présente invention reprend la chaleur perdue évacuée par au moins un système auxiliaire. Un mode de réalisation de la présente invention intègre le système auxiliaire avec le chemin d'écoulement du condensat utilisé avec le HRSG 165. Comme illustré sur la figure 2, un mode de réalisation de la présente invention peut inclure une boucle de récupération de chaleur 230 en communication fluide avec la boucle de condensat 177. Dans un mode de réalisation de la présente invention, la boucle de condensat 177 peut commencer sur une sortie du condenseur 175. Le condensat peut s'écouler depuis le condenseur 175 vers un dégazeur 210 qui peut éliminer la majorité de l'air situé dans le condensat. Le condensat peut ensuite s'écouler vers une section de � collecteur � ou analogue de la boucle de condensat 177. La section de collecteur permet généralement des liaisons individuelles entre la boucle de condensat 177 et un échangeur de chaleur d'un système auxiliaire. Comme illustré sur la figure 2, chacun des systèmes auxiliaires mentionnés ci-dessus, CIS 180, LOCS 185, CWS 193 et TCS 200 peut être intégré avec le collecteur de la boucle de condensat 177. Cette propriété permet au condensat de servir d'alimentation en fluide de refroidissement pour chaque système auxiliaire, comme expliqué. En conséquence, dans un mode de réalisation de la présente invention, le CIS 180 comporte une alimentation en condensat de CIS 212 ; le LOCS 185 comporte une alimentation en condensat de LOCS 216 ; le CWS 193 comporte une alimentation en condensat de CWS 220 ; et le TCS 200 comporte une alimentation en condensat de TCS 224. La figure 2 illustre également le chemin d'écoulement du HRL 230. Le HRL 230 sert à transférer vers le HRSG 165 le condensat chauffé par la chaleur perdue dans la pluralité de systèmes auxiliaires. Le HRL 230 peut inclure une section de collecteur permettant une connectivité individuelle avec chaque système auxiliaire, de façon similaire à la section de collecteur de la boucle de condensat 177. Comme illustré sur la figure 2, chacun des systèmes auxiliaires mentionnés ci-dessus, CIS 180, LOCS 185, CWS 193 et TCS 200 peut être intégré avec le collecteur du HRL 230. En conséquence, dans un mode de réalisation de la présente invention : le CIS 180 comporte un retour de condensat de CIS 214 ; le LOCS 185 comporte un retour de condensat de LOCS 218 ; le CWS 193 comporte un retour de condensat de CWS 222 ; et le TCS 200 comporte un retour de condensat de TCS 226. Le chemin d'écoulement du HRL 230 peut généralement commencer au niveau de la partie de collecteur et de l'extrémité du HRSG 165. Comme expliqué, la présente invention diminue le travail effectué par une section d'économiseur d'un HRSG 165. Par exemple, mais sans y être limité, les sections d'économiseur actuellement connues chauffent l'eau qui revient du condenseur 175 comme illustré sur la figure 1. Ce � chauffage sensible � effectué par la section d'économiseur peut faire monter le condensat d'environ 49°C (120 degrés Fahrenheit) à environ 88°C (190 degrés Fahrenheit) ; après quoi le condensat peut se vaporiser instantanément. La section d'économiseur a ici grossièrement chauffé le condensat de 39°C (70 degrés Fahrenheit). La présente invention permet au(x) système(s) auxiliaire(s) de la centrale électrique d'effectuer la majorité du chauffage sensible. En poursuivant avec l'exemple précédent, un mode de réalisation de la présente invention peut chauffer le condensat jusqu'à approximativement 66°C (150 degrés Fahrenheit), exigeant de la section d'économiseur de chauffer le condensat jusqu'à 88°C (190 degrés Fahrenheit). I1 suffit ici à la section d'économiseur de chauffer le condensat grossièrement de 22°C (40 degrés Fahrenheit), ce qui constitue une différence significative. Cet avantage de la présente invention autorise une section d'économiseur du HRSG 165 de taille relativement plus petite par rapport à une centrale électrique équipée de façon similaire ne comportant pas le mode de réalisation de la présente invention. Un exploitant peut constater quelques avantages en utilisant la centrale électrique avec un économiseur plus petit. Un petit économiseur peut créer une contre-pression inférieure. Généralement, plus la contre-pression est faible, moins la turbine à gaz 100 effectue de travail pour pousser l'échappement 150 vers le HRSG 165. Une réduction de contre-pression permet à une plus grande quantité d'énergie d'entraîner la charge (générateur, commande mécanique ou analogue) ; ce qui peut améliorer le rendement de la turbine à gaz 100. Bien que la présente invention ait été présentée et décrite avec beaucoup de détails en ce qui concerne seulement quelques exemples de modes de réalisation de celle-ci, les hommes de l'art comprendront que l'on ne souhaite pas limiter l'invention aux modes de réalisation, car diverses modifications, omissions et additions peuvent être effectuées sur les modes de réalisation décrits sans s'écarter matériellement des nouveaux enseignements et avantages de l'invention, en particulier à la lumière des enseignements précédents. Turbine à gaz 100 Air d'entrée 105 Compresseur 110 Arbre 120 Système de combustion 130 Carburant 135 Gaz de combustion 140 Section de turbine 145 Échappement 150 Générateur 155 Transformateur 160 HRSG 165 Turbine à vapeur 170 Condenseur 175 Boucle de condensat 177 Patin de refroidissement intermédiaire de compresseur (CIS) 180 Ligne chaude de CIS 181 Ligne froide de CIS 183 Patin de refroidissement d'huile de graissage (LOCS) 185 Lignes de LOCS 187,189,191 Patin d'eau de refroidissement (CWS) 193 Ligne chaude de CWS 195 Ligne froide de CWS 197 Patin de refroidissement de transformateur (TCS) 200 Ligne chaude de TCS 201 Ligne froide de TCS 203 Dégazeur 210 Alimentation en condensat de CIS 212 Retour de condensat de CIS 214 Alimentation en condensat de LOCS 216 Retour de condensat de LOCS 218 Alimentation en condensat de CWS 220 REVENDICATIONS1. Système pour améliorer le rendement d'une centrale électrique, dans lequel la centrale électrique comprend au moins une turbine à gaz (100) et un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) (165), le système comprenant : au moins un système auxiliaire ; dans lequel l'au moins un système auxiliaire est en communication fluide avec au moins un composant de la centrale électrique, et retire la chaleur perdue reçue depuis l'au moins un composant de la centrale électrique ; un condenseur (175) intégré au HRSG (165), dans lequel le condenseur (175) reçoit un condensat depuis le HRSG (165) et comprend une boucle de condensat (177) ; dans lequel la boucle de condensat (177) transfère une partie du condensat vers une partie d'entrée de l'au moins un système auxiliaire ; et une boucle de récupération de chaleur (230), dans lequel la boucle de récupération de chaleur (230) utilise le condensat pour transférer la chaleur perdue depuis l'au moins un système auxiliaire vers le HRSG (165) ; dans lequel la boucle de récupération de chaleur (230) élève la température du condensat avant de revenir vers le HRSG (165), réduisant le travail effectué par le HRSG (165) et augmentant le rendement de la centrale électrique. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel la boucle de condensat (177) est configurée de manière à permettre au condensat de s'écouler depuis le condenseur (175) à travers au moins un dégazeur (210) et vers une partie d'entrée de l'au moins un système auxiliaire. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel la boucle de récupération de chaleur (230) est configurée de manière à permettre au condensat de s'écouler depuis une partie d'évacuation de l'au moins un système auxiliaire vers une partie d'entrée du HRSG (165). 4. Système selon la revendication 3, dans lequel au moins un système auxiliaire comprend un patin de refroidissement intermédiaire de compresseur (CIS) (180), dans lequel le CIS (180) est intégré à laturbine à gaz (100), et module la température interne d'un composant de compresseur situé dans la turbine à gaz (100). 5. Système selon la revendication 4, dans lequel la partie d'entrée du CIS (180) reçoit le condensat à une première température depuis la boucle de condensat (177) et évacue le condensat à une deuxième température vers la boucle de récupération de chaleur (230). 6. Système selon la revendication 3, dans lequel l'au moins un système auxiliaire comprend un patin de refroidissement d'huile de graissage (LOCS) (185), dans lequel le LOCS (185) est intégré à la turbine à gaz (100), et module la température de l'huile de graissage. 7. Système selon la revendication 6, dans lequel une partie d'entrée du LOCS (185) reçoit un condensat à une première température depuis la boucle de condensat (177) et évacue le condensat à une deuxième température vers la boucle de récupération de chaleur (230). 8. Système selon la revendication 3, dans lequel l'au moins un système auxiliaire comprend un patin d'eau de refroidissement (CWS) (193), dans lequel le CWS (193) est intégré à la turbine à gaz (100), et module la température du système d'eau de refroidissement de l'au moins une turbine à gaz (100). 9. Système selon la revendication 8, dans lequel une partie d'entrée du CWS (193) reçoit le condensat à une première température depuis la boucle de condensat (177) et évacue le condensat à une deuxième température vers la boucle de récupération de chaleur (230). 10. Système selon la revendication 3, dans lequel l'au moins un système auxiliaire comprend un patin de refroidissement de transformateur (TCS) (200) ; dans lequel le TCS (200) est intégré à au moins un transformateur de la turbine à gaz de la centrale électrique (100), et module la température du fluide de refroidissement de l'au moins un transformateur.