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"Procédé pour augmenter le rendement des systèmes générateurs à turbine à gaz utilisant des combustibles gazeux de faible pouvoircalorifique".
La présente invention est relative à un procédé pour augmenter le rendement des systèmes générateurs à turbine à gaz utilisant des combustibJes de faible pouvoir calorifique, en augmentant la température absolue de l'air d'entrée dans le système afin de reduire ou d'éliminer la nécessité de prélever ou soutirer de l'air du système,
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comme il est nécessaire de le faire dans les systèmes traditionnels.
Les courants de combustible et d'air sont réduits mais la puissance de sortie est maintenue.
L'utilisation de turbines à gaz pour fournir de l'énergie électrique avec production sumultanée facultative de vapeur d'eau est avantageuse du point de vue industriel. De teiles turbines à gaz comprennent normalement au moins une unité de compression, au moins une unité de combustion et au moins une uni té de détente ou turbine. Les rendements des divers systèmes varient suivant, parmi d'autres facteurs, le pouvoir calorifique du gaz que t'on brûle. il existe un intérêt croissant à pouvoir utiliser des gaz de pouvoirs calorifiques inférieurs aux pouvoirs traditionnels, ou des gaz d'un faible pouvoir calorifique, dans les systèmes générateurs à turbine à gaz.
Un tel gaz à faible pouvoir calorifique peut être produit, par exemple, par gazéification avec soufflage d'air de combustibles de faible qualité, tels que la tourbe, et/ou de déchets combustibles, qui contiennent des quantités importants d'oxygène et d'eau sous forme d'humidité et qui peuvent être refroidis par l'évaporation d'un jet d'eau, depuis la température de gazéification jusqu'à une température convenant pour I'utilisation dans l'unité de combustion d'un système à turbine a gaz.
Lorsqu'on utilise de tels gaz d'un faible pouvoir calorifique dans un système à turbine à gaz, il est habituellement nécessaire de soutirer une partie de l'air traversant l'unité de compres-
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sion du système. La masse importante de combustible gazeux de faible pouvoir calorifique, humide, necessaire dans t'unite de combustion du système pour atteindre Ja température d'entrée envisagée à l'unité de détente a pour résultat un débit massique accru à travers t'unite de détente et une pression d'entrée dans cette unité, qui est accrue également.
Un soutirage d'air à la sortie de t'unite de compression peut alors être nécessaire pour empecher un à-coup dans l'unité de compression par limitation de la circulation dans t'unite de détente et, de ce fait, de la pression à la sortie de l'unité de cornpression et à t'entree de l'unité de détente. Un soutirage d'air allant jusqu'a environ 20 % peut être nécessaire, suivant le nombre de KJ par dm' et la température du gaz combustible, et ce pour empêcher un à-coup.
Ce soutirage d'air représente une perte d'énergie du fait que l'air peut avoir été comprimé depuis la pression atmosphérique jusqu'à
8-20 atmosphères par J'unité de compression. Normalement, la perte d'énergie va jusqu'à 30 % de t'energie produite par le moteur à turbine à gaz. A titre de variante, l'air peut être détendu dans un dispositif auxiliaire pour récupérer t'energie de J'unité de compression, mais une tette détente auxiliaire nécessite une installation et des frais supplémentaires.
Mangan et coll., dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3.150.487, décrivent un procédé de fonctionnement d'un système à turbine à gaz, comportant une unité de compression, une unité de combustion et une unité de détente, et dans lequel les gaz de décharge sont utilisés pour former de la vapeur d'eau destinée à faire fonctionner une turbine à vapeur et, directement ou indirectement, à chauffer l'air alimenté à t'unite de compression. Mangan et col. invoquent des améliorations au rendement d'une installation intégrée de production d'énergie, utilisant une turbine à gaz avec une turbine à vapeur entraînée par de la vapeur d'eau produite par le gaz d'échappement issu de la turbine à gaz.
La Haye dans le brevet des Etats-Unis d'Amerique nO 3. 422. 800 envisage un système amélioré de réglage pour une turbine à gaz et un système de chaudière de recuperation, semblable à celui de Mangan et col. et qui règle indépendamment les capacités de
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production de vapeur d'eau de la chaudière malgré des variations dans la charge de la turbine à gaz.
L'inventon de Rice dans Je brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3.703.807 est une amelioration au procédé de Mangan et col., en ce sens qu'une partie des gaz broyés de la chaudière est mélangée avec de l'air ambiant pénétrant dans la section à gaz avant filtration, ce qui a pour résultat une reduction de ! a perte de chaleur à la cheminée et ce qui augmente ainsi le rcndement de l'installation de production d'énergie.
Collet dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4.426.842 prévoit également de chauffer de fair alimenté à une unité de compression, l'invention se rapportant à un système de récupération de chaleur, suivant lequel une partie de la chaleur perdue existant dans les gaz de combustion après leur détente est renvoyée par un dispositif de récupération dans Je courant d'air de combustion.
Mangan et col., La Haye et Rice ne se referent pas à des combustibtes spécifiques quelconques. utilisés dans leurs unités de combustion. Collet utilise un combustible du type gaz naturel ou un combustible liquide dans son unité de combustion.
Le but de l'invention est de prévoir un procédé efficace permettant d'utiliser un combustible humide de faible qualité dans un cycle de turbine à gaz-turbine a vapeur. Avec cet but en vue, Ja présente inventon concerne un procédé permettant de faire fonctionner un système a cycle combiné comportant une unité de compression, une unité de combustion, dont la décharge est reliée à une chaudière adaptée pour amener de la vapeur à une turbine à vapeur associée et utilisant un combustible gazeux présentant un faible pouvoir calorifique, produit dans un gazéificateur, et dont les gaz d'echappement chauds sont déchargés dans une unité de détente pour faire fonctionner un générateur,
et dans lequel une partie de l'air venant de J'unité de compression est soutirée du système de manière à empêcher des ä-coups dans l'unité de compression susdite par limitation de la circulation des gaz de combustion vers cette unité de
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détente, ce procédé étant caractérisé en ce que l'air chargé à l'unité de compression est chauffé pour augmenter sa temperature absolue d'environ 5 à environ 30 % au-dessus de la temperature ambiante, en utilisant les gaz de combustion chauds détendus provenant de l'unité
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de détente susdite pour réduire le volume d'air venant de t'unite de compression, qui est soutiré hors du système et augmenter ainsi le rendement du système à turbine à gaz,
les gaz de combustion chauds susdits passant d'abord dans une chaudière avant leur utilisation pour Je chauffage susdit, une première portion de l'air provenant de t'unite de compression étant envoyée à t'unite de cornbustion susdite, tandis qu'une seconde portion de cet air comprimé est envoyée à une unité de surpression et ensuite au gazéificateur précité.
Avec ce procété, les systèmes générateurs à turbine à gaz peuvent utiliser des gaz combustibles humides, de faible pouvoir calorifique, avec peu ou pas de soutirage à la sortie de 'unité de compression, sans la perte d'énergie et/ou les frais qui y sont normafement associés. Le procédé qui maintient Ja puissance de sortie de la turbine à gaz mais diminue la quantité nécessaire de circulation de combustible et d'air, implique le chauffage de l'air d'entrée d'une manière suffisante pour augmenter la température absolue de l'air
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d'entrée a l'unite de compression, en réduisant sa densité et en dimi- nuant ainsi son débit massique,
puisque l'unité de compression presente un volume de circulation essentiellement constant à son entree. La demanderesse a constate qu'une augmentation de la température absolue
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de l'air d'entrée à unité de compression, lorsqu'on utilise des gaz humides d'un faible pouvoir calorifique dans t'unite de combustion, diminuera la masse d'air à traver I'unité de compression et réduira ainsi de façon significative ou même éliminera la nécessité d'un soutirage d'air depuis le système.
C'est ainsi qu'en augmentant la température absolue de l'air d'entree d'environ 5 à environ 30 % ; généralement d'environ 8 à environ 20 %, au-dessus de la température ambiante, ou au-dessus de la température d'entrée d'air généralement utilisée, la masse de circuiation d'air sera réduite suivant presque le même pourcentage et la quantité de soutirage d'air nécessaire sera sensiblement reduite ou bien ce soutirage ne sera pas nécessaire.
Une variation de la température d'entrée d'air n'influence pas Je travail de compression, puisque ce travail pour une pression donnée est directement proportionnel au produit de la température absolue et de la circulation d'air, qui est inversement propor-
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tionnel à la température absolue. Si la température et la pression allant a t'unite de détente sont maintenues constantes, le caractère constant de la circulation donnera une puissance de sortie constante.
Bien qu'une augmentation de la temperature d'entrée n'ait pas d'effet significatif sur le debit de) a turbine à gaz, elle diminue la quantité d'admission de combustible nécessaire. Comme une tempe- rature d'air d'entrée accrue a pour résultat une température accrue à la sortie de l'unité de compression, il faut moins de combustible pour élever la température jusqu'à la vateur envisagée a t'entree de t'unite de détente. De cette manière, le rendement de la turbine à gaz, c'est-à-dire le rapport entre la puissance de sortie et l'admission de combustible, est augmenté.
L'invention pourra être mieux comprise grace a la description suivante d'une forme de réalisation préférée, illustrée, à titre d'exemple seulement, par les dessins annexés.
La Figure 1 est un schéma simplifié du fonctionnement d'un générateur à turbine à gaz suivant le nouveau procédé de l'invention, cette vue montrant un système permettant d'augmenter ia température de J'air alimenté à l'unité de compression.
La Figure 2 est un schéma simplifié du procédé de J'invention, semblable à la Figure t mais montrant un autre moyen permettant d'augmenter la température de l'air alimenté à l'unité de compression.
Si on se reporte à la Figure !, un combustible solide, tel que de la tourbe ou des rebuts combustibles, est introduit par le conduit 2 dans un gazéificateur 4 ou, par n'importe quel procédé traditionnel, par exemple par gazéification grâce à un courant d'air, le combustible solide est converti en un produit gazeux à prédominance de combustible gazeux d'un faible pouvoir calorifique, tel que du monoxyde de carbone et de i'hydrogène. Par l'expression "faible pouvoir calorifique", on signifie que le gaz ainsi produit aura un pouvoir calorifique de l'ordre d'environ 2, 98 a environ 5,59 KJ/dm3.
Le produit gazeux ainsi formé est envoyé par un conduit 6 à un vaporisateur 8 où de l'eau provenant d'un conduit 10 est vaporisée pour réduire Ja température du gaz ä un niveau auquel il peut etre utilisé de façon
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convenable dans t'unite de combustion 12. Toute eau non évaporée est enlevée de l'unité de vaporisation 8 par le conduit 14. Le gaz refroidi est alors envoyé par un conduit 16 dans un filtre 18 où prati- quement la totalité des matières en particules se trouvant dans le gaz peuvent en être séparées, et finalement par le conduit 20 dans l'unité de combustion 12.
De l'air, chauffé suivant l'invention, que l'on décrira par la suite, es ! envoyé par un conduit 22 dans t'unite de compression 24, où il est comprimé jusqu'à un niveau élevé de pression, comme dans les procédés traditionnels, cet air étant retiré de cette unité par le conduit 26. Une partie de l'air du conduit 26 est envoyee par le conduit 2S dans un échangeur de chaleur 30 et it sort de ce dernier par le conduit 32.
La demanderesse a constaté que, lorsqu'on utilise des gaz de faible pouvoir calorifique, il était nécessaire de soutirer du système jusqu'à 20 % en volume de fair comprime grace a une vanne 34 existant dans le conduit de sortie 36. Ceci était nécessaire parce que la masse importante de combustible gazeux humide de faible pouvoir calorifique, nécessaire dans t'unite de combustion 12 pour atteindre la température d'entree envisagée à l'unité de détente, donnait un debit massique accru d'air à travers t'unite de détente et une pression
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d'entrée accrue ä l'unité.
Suivant la pratique de la présente invention, il ne faut que peu ou pas de soutirage d'air par le conduit 36 et, en conséquence, la vanne 34 peut être fermée ou bien on peut la supprimer, ou bien encore elle peut être ouverte suivant les nécessités, pour obtenir une très faible somme de soutirage.
Suivant le nouveau procédé de t'invention, la totalité ou pratiquement la totalité de l'air comprimé se trouvant dans le conduit 32 est envoyée par le conduit 38 à une série de refroidisseurs . 40 où leur température est réduite, en utilisant n'importe quel moyen indirect approprié. Une partie de l'air refroidi est envoyée par le conduit 42 à une unité de surpression 44. La partie restante de l'air refroidi
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est renvoyée par le conduit 62 à l'unité de détente de Ja turbine à gaz, où cet air est utilisé pour maintenir Jes parties composantes de l'unité de détente à des températures opératoires inférieures à
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celle des gaz de combustion entrants.
L'air comprimé partant de l'unité de surpression 44 est ensuite envoyé par le conduit 46 à travers un échangeur de chaleur 30 où il est chauffé par un échange indirect avec l'air venant du conduit 28, et il est ensuite envoyé dans le gazéificateur 4 par le conduit 48 en vue de la gazéification du combustible solide amené par le conduit 2.
L'air du conduit 26, qui n'a pas été enlevé de celui-ci
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par le conduit 28, est envoyé par le conduit 50 à unité de combustion 12. Si on le désire, une certaine quantité d'eau peut également etre introduite dans t'unite de combustion 12 par le conduit 52 afin de réduire la teneur en oxydes d'azote des gaz de combustion qui y sont obtenus. Les gaz de combustion ainsi obtenus sont envoyes par le conduit 54 à t'unite de détente 56 qui est généralement accouplée, du point de vue fonctionnement, à l'unité de compression 24 et à un générateur 58.
Les gaz de combustion detendus issus de l'unité
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de detente 56 sont enlevés de celte-ci par le conduit 60 et envoyés ä une unite de chaudière 64 pour produire de la vapeur d'eau qui est envoyée par le conduit 66 à une turbine à vapeur 68.
Suivant l'invention définie ici, afin de réduire ou d'éliminer pratiquement totalement le soutirage d'air comprimé depuis te conduit 36, l'air pénétrant dans le système par le conduit 70 est chauffé pour augmenter sa température absolue d'environ S à environ 30 %, généralement d'environ 8 à environ 20 %, avant passage de cet air dans le conduit 22 et à travers l'unité de compression 24.
Ceci se fait en utilisant n'importe quel moyen approprié mais, suivant les formes de réalisation que t'on préfère, fair du conduit 70 est chauffe, directement ou indirectement, par les gaz d'échappement provenant du Systeme. Dans la forme de réalisation de la Figure I, cela se fait en faisant passer les gaz d'echappement chauds se trouvant dans Je conduit 72 en contact direct avec l'air entrant par le conduit 70, dans un mélangeur 74.
Par des moyens non Hiustres, une partie du gaz d'échappement est mélangée avec l'air entrant pour obtenir un mélange gazeux ayant la température désirée pour fair pénétrant dans l'unité de compression 24 et contenant une quantité suffisante
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d'air pour l'utilisation ultérieure dans t'unite de combustion 12. Le mélange chauffe est envoyé à l'unité de compression 24, tandis que le restant du gaz d'échappement est retiré du système par un conduit 76. Dans la forme de réalisation de la Figure 2, le gaz d'échappement passe à travers un échangeur de chaleur 78 en contact indirect avec Pair entrant par le conduit 70 pour chauffer cet air jusqu'au niveau désiré de température.
Les valeurs données dans le Tableau I suivant montrent les avantages inattendus obtenus en augmentant la température absolue
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de l'air entrant dans le système générateur à turbine à gaz. Le combus- tibte utilisé pour obtenir le gaz de faible pouvoir calorifique (4, 47 KJ/dm3) était de la tourbe présentant un pouvoir calorifique très bas de 13. 946 KJ/kg, produisant un gaz combustible d'un pouvoir catorifigue de 4. 223 KJ/kg. Le fonctionnement est réalisé, dans un cas, en ne prévoyant pas un préchauffage de fair ambiant et en utilisant un soutirage d'air, tandis que, dans t'autre cas, fair est préchauffé par mélange avec les gaz d'échappement détendus chauds, sans pratiquement de soutirage d'air.
Pour les résuitats présentés ci-après, la pression, la température, le pouvoir calorifique du mélange gazeux
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et son poids sont donnés avec référence aux conduits correspondants de la Figure 1.
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TABLEAUI
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<tb> Conduit <SEP> Pression <SEP> T <SEP> J/kg <SEP> x <SEP> 103 <SEP> Mg <SEP> Pression <SEP> T <SEP> J/kg <SEP> x <SEP> 101 <SEP> Mg
<tb> MPa <SEP> C <SEP> par <SEP> heure <SEP> MPa <SEP> C <SEP> par <SEP> heure
<tb> 22 <SEP> 0,11 <SEP> 15 <SEP> 66,25 <SEP> 562,72 <SEP> --- <SEP> 75 <SEP> 126,98 <SEP> 465,20
<tb> 26 <SEP> 0, <SEP> 99 <SEP> 332 <SEP> 391,03 <SEP> 562,72 <SEP> 0,99 <SEP> 452 <SEP> 518,16 <SEP> 465,20
<tb> 50 <SEP> 0, <SEP> 99 <SEP> 332 <SEP> 390,98 <SEP> 361,73 <SEP> 0,99 <SEP> 452 <SEP> 518,16 <SEP> 378,75
<tb> 28 <SEP> 0, <SEP> 99 <SEP> 332 <SEP> 390,98 <SEP> 200,98 <SEP> 0,99 <SEP> 452 <SEP> 518,16 <SEP> 86,47
<tb> 32 <SEP> 0, <SEP> 98 <SEP> 297 <SEP> 354, <SEP> 02 <SEP> 200, <SEP> 98 <SEP> 0, <SEP> 98 <SEP> 383 <SEP> 444, <SEP> 96 <SEP> 86, <SEP> 47
<tb> 38 <SEP> 0, <SEP> 98 <SEP> 297 <SEP> 354,02 <SEP> 102,79 <SEP> 0,
98 <SEP> 383 <SEP> 444, <SEP> 96 <SEP> 86, <SEP> 44
<tb> 36 <SEP> 0, <SEP> 98 <SEP> 297 <SEP> 354,02 <SEP> 98,19 <SEP> 0,98 <SEP> 383 <SEP> 444,96 <SEP> 35,94
<tb> 62 <SEP> 0, <SEP> 96 <SEP> 205 <SEP> 257, <SEP> 98 <SEP> 46, <SEP> 14 <SEP> 0, <SEP> 97 <SEP> 204 <SEP> 256, <SEP> 07 <SEP> 38, <SEP> 15
<tb> 42 <SEP> 0, <SEP> 94 <SEP> 66 <SEP> 117,04 <SEP> 56,61 <SEP> 0,95 <SEP> --- <SEP> --- <SEP> 48,29
<tb> 46 <SEP> 2,06 <SEP> 161 <SEP> 213,87 <SEP> 56,64 <SEP> --- <SEP> 161 <SEP> 213,92 <SEP> 48,29
<tb> 48 <SEP> 1, <SEP> 98 <SEP> 282 <SEP> 338,34 <SEP> 56,64 <SEP> --- <SEP> --- <SEP> --- <SEP> 48,29
<tb> 6 <SEP> 1, <SEP> 82 <SEP> 899 <SEP> 1337,16 <SEP> 95,69 <SEP> --- <SEP> --- <SEP> --- <SEP> 81,63
<tb> 20 <SEP> i, <SEP> 81 <SEP> 482 <SEP> 762, <SEP> 27 <SEP> 113, <SEP> 76---97, <SEP> 05
<tb> 54 <SEP> 0, <SEP> 95 <SEP> 984 <SEP> 1229, <SEP> 83 <SEP> 505, <SEP> 53 <SEP> 0,
<SEP> 95 <SEP> 987 <SEP> 1219,99 <SEP> 505,98
<tb> 60 <SEP> 1, <SEP> 05 <SEP> 502 <SEP> 619,55 <SEP> 522,99 <SEP> --- <SEP> 504 <SEP> 616,32 <SEP> 517,73
<tb> 72 <SEP> 1, <SEP> 02 <SEP> 287 <SEP> 369,64 <SEP> 522,99 <SEP> --- <SEP> 286 <SEP> 365,09 <SEP> 517,73
<tb>
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Les résultats obtenus, tels que ci-dessus, sont tout à fait inhabituels. Dans un cas où l'air n'est pas préchauffé et est introduit dans l'unité de compression à 15OC, on soutire environ J7, 5 % de l'air hors du système pour empêcher des à-coups dans l'unité de compression. Ceci est déterminé par comparaison de la quantité d'air retirée du système par le conduit 36 (98, 19 mg par heure) avec la quantité d'air introduite dans le système par le conduit 22 (552, 72 mg par heure).
Dans le second cas, par contre, Ja température de l'air entrant est élevée de 15"C à 75 C, ce qui représente une augmentation de la température absolue de près de 21 %. Lorsque ceci est fait, aucune quantité appréciable d'air n'est soutirée du système par le conduit 36 05, 94 mg par heure). La quantité d'air pénétrant dans le système est réduite de 562, 72 mg par heure à 465, 20 mg par heure, à savoir une réduction légèrement supérieure à 17 %. De plus, la quantité de combustible gazeux pénétrant dans le système par le conduit 6 est réduite de 95, 67 mg par heure ä 81, 63 mg par heure, ä savoir une réduction de près de 15 %.
Et en outre, de façon surprenante, tes pressions, les températures et les débits des gaz de combustion quittant t'unite de combustion 12 par le conduit 54 sont pratiquement Jes mêmes que dans le cas où l'air n'est pas préchauffé.
De ce fait, Je rendement d'un système générateur
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ä turbine à gaz utilisant des combustibles de faible pouvoir calorifique est augmenté grace à la solution consistant à élever la température absolue de l'air penetrant dans le système. 11 faut moins d'air et moins de combustible, la puissance de sortie est maintenue, et il n'est pas necessaire de prevoir un soutirage d'air hors du système pour empecher des à-coups dans t'unite de compression.