Brevet FR2966511A1 — publié le 20120427

Centrale électrique à cycle combiné incluant un système de récupération du dioxyde de carbone La présente invention concerne les centrales électriques à cycle combiné et plus particulièrement, une centrale électrique à cycle combiné incluant un système de récupération du dioxyde de carbone. Dans une centrale électrique à cycle combiné (CCPP), une turbomachine à gaz entraîne un générateur qui produit de l'électricité. La chaleur rejetée par la turbomachine à gaz est utilisée pour générer de la vapeur dans un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) qui est lui-même utilisé pour générer plus d'électricité par l'intermédiaire d'une turbomachine à vapeur. De façon plus spécifique, un cycle combiné est caractéristique d'un moteur ou d'une centrale de production d'énergie utilisant plusieurs cycles thermodynamiques. Les moteurs thermiques, tels que les turbomachines à gaz, ne sont capables d'utiliser qu'une partie de l'énergie générée par leur combustible (habituellement moins de 50 %). Toute la chaleur restante (par exemple, les fumées d'échappement chaudes) provenant de la combustion est généralement rejetée. En combinant deux « cycles » ou plus, par exemple un cycle de Brayton (Gaz) et un cycle de Rankine (Vapeur) on obtient une amélioration du rendement de sortie. Selon un aspect de l'invention, une centrale électrique à cycle combiné comporte une section de compresseur incluant une entrée de compresseur et une sortie de compresseur et une section de turbine reliée fonctionnellement à la section de compresseur. La section de turbine comporte une entrée de turbine et une sortie de turbine. Un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) est relié de manière fluide à la sortie de la turbine. Une chambre de combustion comporte une extrémité de tête et une évacuation de chambre de combustion. L'extrémité de tête est reliée de manière fluide à la sortie du compresseur et l'évacuation de la chambre de combustion est reliée de manière fluide à l'entrée de la turbine. Un système de récupération du dioxyde de carbone est relié de manière fluide à au moins une parmi la sortie du compresseur et l'extrémité de tête de la chambre de combustion. Le système de récupération du dioxyde de carbone est configuré et disposé de manière à extraire un premier fluide comprenant du dioxyde de carbone et un second fluide provenant d'un flux de fluide sensiblement exempt d'oxygène transmis depuis au moins une parmi la sortie du compresseur et l'extrémité de tête de la chambre de combustion. Selon un autre aspect de l'invention, un procédé de fonctionnement d'une centrale électrique à cycle combiné comporte la transmission d'un flux de fluide à travers une section de compresseur afin de former un flux de fluide compressé, le guidage du flux de fluide compressé depuis la sortie du compresseur jusqu'à l'extrémité de tête d'une chambre de combustion, l'envoi des gaz de combustion formés dans la chambre de combustion vers l'entrée d'une section de turbine, l'échappement des gaz d'échappement provenant de la sortie de la section de turbine vers un générateur de vapeur à récupération de chaleur, la transmission d'une partie du fluide compressé sensiblement exempt d'oxygène s'écoulant depuis un élément parmi la sortie du compresseur et l'extrémité de tête de la chambre de combustion vers un système de récupération du dioxyde de carbone et l'extraction d'un premier fluide comprenant du dioxyde de carbone et d'un second fluide provenant de la partie du flux d'air comprimé sensiblement exempt d'oxygène. Selon encore un autre aspect de l'invention, un système de turbomachine comporte une section de compresseur comportant une entrée de compresseur et une sortie de compresseur et une section de turbine reliée fonctionnellement à la section de compresseur. La section de turbine comporte une entrée de turbine et une sortie de turbine. La chambre de combustion comporte une extrémité de tête et une évacuation de chambre de combustion. L'extrémité de tête est reliée de manière fluide à la sortie du compresseur et l'évacuation de la chambre de combustion est reliée de manière fluide à l'entrée de la turbine. Un système de récupération du dioxyde de carbone est relié de manière fluide à au moins une parmi la sortie du compresseur et l'extrémité de tête de la chambre de combustion, le système de récupération du dioxyde de carbone est configuré et disposé de manière à extraire un premier fluide comprenant du dioxyde de carbone et un second fluide provenant d'un flux de fluide sensiblement exempt d'oxygène transmis depuis au moins une parmi la sortie du compresseur et l'extrémité de tête de la chambre de combustion. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront d'après la description détaillée qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation, effectuée conjointement avec les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma illustrant une centrale électrique à cycle combiné incluant un système de récupération du dioxyde de carbone selon un exemple de réalisation ; et - la figure 2 est un schéma illustrant une centrale électrique à cycle combiné incluant un système de récupération du dioxyde de carbone selon un autre exemple de réalisation. Selon un exemple de réalisation, une centrale électrique à cycle combiné (CCPP) 2 représentée sur la figure 1 peut fonctionner dans ou prés des conditions stoechiométriques. Un fonctionnement dans les conditions stoechiométriques doit être compris comme signifiant l'exécution d'un processus de combustion avec juste assez d'oxydant, par exemple de l'oxygène, pour favoriser une combustion complète. La combustion est un processus de brûlage d'un hydrocarbure (courant de combustible) avec de l'oxygène, produisant du dioxyde de carbone et de l'eau. La combustion complète est définie lorsque les sous-produits d'une combustion d'un hydrocarbure avec de l'oxygène sont uniquement le dioxyde de carbone et l'eau. Un grand nombre de facteurs peuvent avoir une influence sur le fait qu'une combustion complète ou non se produit, par exemple la disponibilité de l'oxygène à proximité d'une molécule de combustible, que se produisent ou non des perturbations tels que des vibrations, des événements dynamiques, des ondes de choc et analogue. Pour favoriser la formation de dioxyde de carbone plutôt que la formation de monoxyde de carbone, on fournit au courant de combustible plus d'oxygène que ce qui est normalement nécessaire afin de favoriser une réaction de combustion complète. La CCPP 2 comporte un système de turbomachine à gaz 4 relié fonctionnellement à un système de turbomachine à vapeur 6 par l'intermédiaire d'un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) 10. Le GVRC 10 comporte une partie d'échappement 11 possédant un évent de surpression 12. La turbomachine à gaz 4 est également couplée fonctionnellement à un compresseur hors-bord 14 et à un générateur 15. Le système de turbomachine à vapeur 6 est couplé à un générateur 16. Le système de turbomachine à gaz 4 comporte une section de compresseur 20 possédant une entrée de compresseur 21 et une sortie de compresseur 22. L'entrée de compresseur 21 reçoit un flux d'air sous pression provenant d'un compresseur 14. La section de compresseur 20 comprime en outre le flux d'air sous pression arrivant dans l'entrée du compresseur 21 et évacue un flux de fluide comprimé à travers la sortie du compresseur 22. Le système de turbomachine à gaz 4 comporte également une section de turbine 28 possédant une entrée de turbine 29 recevant une partie du flux de fluide comprimé pour le refroidissement et la fermeture et une sortie de turbine 30. La section de compresseur 20 est reliée fonctionnellement à la section de turbine 28 par l'intermédiaire d'un arbre 32. La section de compresseur 20 est également reliée de manière fluide à une section de turbine 28 par l'intermédiaire d'un système de flux secondaire 33 procurant un refroidissement supplémentaire à la section de turbine 28 par l'intermédiaire d'une pluralité de chambres de combustion, deux d'entre elles sont indiquées en 34 et 35. Dans l'exemple de mode de réalisation présenté, la chambre de combustion 34 reçoit un flux d'air sous pression provenant d'un compresseur auxiliaire 36 relié de manière fluide au compresseur 14. Chaque chambre de combustion 34, 35, comporte une extrémité de tête correspondante 37 et 38 qui reçoit une autre partie du flux de fluide comprimé depuis 20 et une évacuation correspondante de chambre de combustion 40 et 41 faisant passer les gaz de combustion dans la section de turbine 28. La CCPP 2 est également représentée incluant une boucle de remise en circulation des gaz d'échappement (EGR) 43 qui relie de manière fluide un système d'EGR 45 entre le GVRC 10 et l'entrée du compresseur 21. Le système d'EGR 45 renvoie les gaz d'échappement provenant du GVRC 10 dans la section de compresseur 20 pour favoriser une combustion plus complète. Comme présenté également sur la figure 1, le système de turbomachine à vapeur 6 comporte une première section de turbine à vapeur 54 reliée fonctionnellement à une seconde section de turbine à vapeur 55. Les première et seconde sections de turbine à vapeur 54 et 55 sont reliées fonctionnellement à une section de turbine à vapeur 57 par l'intermédiaire d'un premier arbre 60. On comprendra naturellement que la section de turbine à vapeur 57 peut également être directement reliée à la seconde section de turbine à vapeur 55. La section de turbine à vapeur 57 peut également comprendre une section à double flux. Un second arbre 62 relie fonctionnellement la section de turbine à vapeur 57 à un générateur 16. Également selon l'exemple de mode de réalisation, la CCDP' 2 comporte un système de récupération du dioxyde de carbone 70 relié fonctionnellement au système de turbomachine à gaz 4 par l'intermédiaire d'une conduite 72. Un élément échangeur de chaleur 74 est agencé dans la conduite 72 entre le système de turbomachine à gaz 4 et le système de récupération de dioxyde de carbone 70. L'élément échangeur de chaleur 74 est par exemple couplé de manière fluide entre la sortie du compresseur 22 et le système de récupération 70 de dioxyde de carbone, ou/et peut être couplé de manière fluide entre une extrémité de tête 37 ou 38 d'au moins une chambre de combustion 34 ou 35, et le système de récupération 70 de dioxyde de carbone. L'élément échangeur de chaleur 74 comporte un catalyseur de CO 75 qui réagit avec tout le monoxyde de carbone restant et avec l'oxygène pour réduire encore les niveaux d'02 à des teneurs négligeables. De cette manière, un flux de fluide sensiblement exempt d'oxygène sort de l'élément échangeur de chaleur 74 et est transmis au système de récupération du dioxyde de carbone 70. L'élément échangeur de chaleur 74 élimine également une partie de la chaleur entraînée dans le flux de fluide sensiblement exempt d'oxygène transmis au système de récupération du dioxyde de carbone 70. Selon un aspect de l'exemple de mode de réalisation, l'élément échangeur de chaleur 74 abaisse la température du flux de fluide sensiblement exempt d'oxygène jusqu'à environ 220 °F (104,4 Selon un exemple de réalisation, le fluide introduit dans l'entrée du compresseur 21 est un mélange de gaz d'échappement et d'air, l'oxygène de l'extraction étant réduit à une fraction massique d'oxygène inférieure à 18 %. Selon un autre aspect de l'exemple de mode de réalisation, l'entrée du compresseur 21 est fermée à l'atmosphère et 100 % du gaz d'échappement traverse la section de compresseur 20. Avec cet agencement, le système de flux secondaire 33 transporte uniquement des gaz d'échappement, qui sont sensiblement exempts d'oxygène, à travers les circuits de flux secondaire (non représentés), autour de la section de compresseur 20 jusqu'à la section de turbine 28. L'isolation par rapport à l'ambiante du système de flux secondaire 33 garantit que seul l'oxygène entre dans la section de turbine 28 au moyen du compresseur extérieur 14 et du compresseur auxiliaire 36 par l'intermédiaire des extrémités de tête 37 et 38 des chambres de combustion 34 et 35. Dans le cas où l'on est proche d'une combustion complète, la section de turbine 28 et par extension, la section de compresseur 20, ainsi que l'extraction vers le système de récupération du dioxyde de carbone 70 sont isolés de l'oxygène. Selon cet aspect de l'exemple de mode de réalisation, de l'oxygène est présent dans l'extraction en une teneur inférieure à 2 % en volume. Egalement selon l'exemple de mode de réalisation, l'échappement est maintenu à un rapport 1:2 entre l'oxygène et le monoxyde de carbone. De cette manière, l'oxygène est réduit à des niveaux encore plus bas par le catalyseur de CO 75 inclus dans l'élément échangeur de chaleur 74. Le système de récupération du dioxyde de carbone 70 sépare un premier courant de fluide incluant du dioxyde de carbone (CO2) et un second courant de fluide contenant de l'azote (N2), de l'argon (Ar) ainsi que divers autres constituants entraînés à l'origine dans le flux de fluide sensiblement exempt d'oxygène provenant d'une partie du flux de fluide traversant le système de turbomachine à gaz 4. Selon un aspect de l'exemple de mode de réalisation, le flux de fluide sensiblement exempt d'oxygène est extrait de chaque extrémité de tête 37, 38 des chambres de combustion 34 et 35. Selon un autre aspect de l'exemple de mode de réalisation, le flux de fluide est extrait à la sortie 22 du compresseur ou à proximité. Quel que soit l'emplacement de l'extraction, du CO2 est transmis depuis le système de récupération du dioxyde de carbone 70 à travers un élément de compression 80 qui peut inclure un refroidissement intermédiaire, formant du CO2 comprimé. Le CO2 comprimé peut être utilisé dans des processus d'extraction de pétrole, la saturation d'une boisson ou tout autre processus utilisant du CO2 comprimé. Le N2, l'Ar et divers autres constituants traversent une série d'éléments de compression 83 à 85. Les éléments de compression 83 à 85 exécutent plusieurs étapes de compression qui sont utilisées pour produire la température désirée de N2, Ar et des divers autres constituants à la sortie du compresseur 85, par exemple en utilisant un refroidissement intermédiaire. Le système de récupération du dioxyde de carbone 70 est relié de manière fluide à un système de turbomachine à gaz 4 par l'intermédiaire d'une vanne régulatrice 90 positionnée en amont de l'élément échangeur de chaleur 74, par exemple reliée de manière fluide entre la sortie du compresseur 22 et l'élément échangeur de chaleur 74, ou/et entre une extrémité de tête 37 ou 38 d'au moins une chambre de combustion 34 ou 35, et l'élément échangeur de chaleur 74. La vanne régulatrice 90 est positionnée de manière sélective entre une position ouverte et une position fermée pour fournir le flux de fluide du système de turbomachine à gaz 4 vers le système de récupération du dioxyde de carbone 70. En cas de blocage du système de récupération du dioxyde de carbone 70, ou de fermeture de la vanne 90, la CCP'P 2 comporte une vanne, par exemple une vanne d'évacuation 92 et une vanne de dérivation de turbine 94. La vanne de dérivation de turbine 94 est reliée de manière fluide à une conduite de dérivation 100 s'étendant entre la conduite 72 en amont de la vanne régulatrice 90 et du GVRC 10. La vanne d'évacuation 92 est par exemple reliée de manière fluide entre la vanne de dérivation de turbine 94 et au moins un élément parmi la sortie du compresseur 22, et une extrémité de tête 37 ou 38 d'au moins une chambre de combustion 34 ou 35. Une section de turbine de dérivation 28 assure que le flux de fluide n'a pas d'impact négatif sur la combustion complète et ainsi, écarte la CCP? 2 d'un fonctionnement stoechiométrique. Avec cet agencement, en cas de défaillance de la vanne régulatrice 90 et/ou de 1a vanne de dérivation de turbine 94, la vanne d'évacuation 92 s'ouvre pour empêcher une surpression du système de récupération du dioxyde de carbone 70, provoquant un choc dans la section de compresseur 20. Si la vanne de dérivation de turbine 94 est ouverte et que la vanne régulatrice 90 est fermée, par exemple si la turbomachine à gaz 4 fonctionne avec un flux d'échappement à 100 %, l'évent de surpression 12 relié de manière fluide à la partie d'échappement 11 du GVRC 10 s'ouvre pour empêcher toute condition de surpression dans la boucle d'EGR 43. I1 va maintenant être fait référence à la figure 2 sur laquelle des numéros de référence analogues représentent des parties correspondantes sur les vues respectives, pour décrire un système de récupération du dioxyde de carbone 120 selon un aspect de l'exemple de mode de réalisation. Le système de récupération du dioxyde de carbone 120 comporte un élément de compression 125 relié de manière fluide à un réfrigérateur 129 qui abaisse encore la température du flux de fluide provenant du système de turbomachine à gaz 4. Le réfrigérateur 129 est relié de manière fluide à un échangeur de chaleur régénérateur ou à régénération 133 qui abaisse la température du fluide entre environ 25 °F (-3,89 °C) et environ -153° F (-102,78 °C). Le régénérateur 133 évacue le fluide dans un élément d'expansion 137 qui abaisse encore la température du fluide jusqu'à environ -200 °F (-128,89 °C), point auquel le fluide se sépare en deux courants, un courant de CO2 non gazeux et un courant de N2/Ar gazeux. Les deux courants de fluide séparés (qui ne sont pas marqués séparément) reviennent jusqu'au régénérateur 133 pour être chauffés par le flux traversant le régénérateur 133, allant du réfrigérateur 129 à l'élément d'expansion 137. À ce moment, le régénérateur 133 évacue le fluide en deux courants de gaz séparés incluant un courant de CO2 gazeux et' un courant de N2/Ar gazeux avec probablement divers autres constituants. Le courant de CO2 gazeux est transmis à l'élément de compression 80, tandis que le courant de N2/Ar gazeux traverse les éléments de compression 83 à 85 où l'on peut utiliser ou non un refroidissement intermédiaire. Avec cet agencement, selon l'exemple de mode de réalisation, non seulement la CCPP produit moins d'émissions d'échappement en vertu du fonctionnement stoechiométrique mais elle fournit également des courants de CO2 et de N2/Ar gazeux comprimés pouvant être utilisés dans diverses industries. Dans le cas de l'exploitation du pétrole, la CCPP fournit tout le CO2 et N2 comprimés nécessaires pour l'extraction du pétrole. Ainsi, la CCPP non seulement fournit la puissance nécessaire pour un champ pétrolifère mais supprime également le besoin de récupération et/ou de stockage supplémentaires de CO2 et de N2. 2 Centrale électrique à cycle combiné 4 Système de turbomachine à gaz 6 Système de turbomachine à vapeur Générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) 12 Event de surpression 14 compresseur 15, 16 Générateurs 20 Section de compresseur 21 Entrée de compresseur 22 Sortie de compresseur 28 Section de turbine 29 Entrée de turbine 30 Sortie de turbine 32, 60, 62 Arbre 34, 35 Chambre de combustion 36 Compresseur auxiliaire 37, 38 Extrémité de tête (34) (35) 40, 41 Évacuation de la chambre de combustion (34) (35) 45 Système de remise en circulation des gaz d'échappement (EGR) 4 Première section de compresseur de vapeur 55 Seconde section de compresseur de vapeur 57 Section de turbine à vapeur 70, 120 Système de récupération/séparation de carbone 74 Élément échangeur de chaleur 80, 83, 84, Élément de compression 85, 125 90 Vanne de régulation 92 Vanne d'évacuation 94 Vanne de dérivation de turbine 129 Réfrigérateur 133 Régénérateur 137 Élément d'expansion