<Desc/Clms Page number 1>
''GENERATEUR DE VAPEUR AVEC FOYER A AIR COMPRIME ET AVEC TURBINE A GAZ POUR L'ENTRAINEMENT DU COMPRESSEUR FAISANT PARTIE DE L'INSTALLATION"
On connaît des générateurs de vapeur dans lesquels le mélange d'air et de combustible est 'brûlé sous une pression élevée dans des chambres de combustion résistant à la pres- sion. A cet effet, l'air et le combustible sont amenés à la pression voulue au moyen de compresseurs dont l'entraînement est assuré par des turbines à gaz, utilisant comme agent moteur les gaz de combustion du générateur de vapeur. Il était d'usa ge de disposer la turbine à gaz à l'extrémité d'échappement du courant des gaz de combustion, de sorte que cette turbine fonc-
<Desc/Clms Page number 2>
tionnait avec des gaz d'échappement qui étaient déjà fortement refroidis.
Il est vrai que cette disposition supprime tout danger pour la roue et l'aubage de la turbine à gaz ; par con- tre, une telle turbine ne peut fournir qu'une faible puissance, de sorte que l'entraînement du compresseur nécessite une deu- xième machine motrice, par exemple un moteur électrique ou une turbine à vapeur. Dans le cas où, pour éviter des pertes élevées par échappement, les gaz d'échappement ne possèdent que la basse température habituelle, et lorsqu'il s'agit d'une turbine à gaz d'échappement de construction courante, la puis- sance d'un tel moteur auxiliaire doit même être beaucoup plus élevée que celle de la turbine à gaz. Etant donné que l'énergie pour le moteur auxiliaire doit être produite séparément, il en résulte des pertes très élevées, qui ont pour effet d'abais- ser le rendement de l'installation du générateur de vapeur.
Pour cette raison, on a proposé de disposer la turbine à gaz non pas à l'extrémité d'échappement du courant des gaz de combustion, mais en un point de celui-ci où la température des gaz est encore suffisamment élevée pour que la puissance de la turbine, obtenue avec ces gaz, soit suffisante pour assurer la commande du compresseur et, éventuellement, d'autres ma- chines auxiliaires nécessaires pour la marche de la chaudière, telles qu'une pompe de circulation d'eau, une pompe à combus- tible, ou analogues. Par conséquent, dans de tels générateurs de vapeur, le courant des gaz de combustion, après avoir tra- versé la turbine à gaz, est encore mis en contact avec un dispositif échangeur de chaleur, par exemple un réchauffeur d'eau 'alimentaire..
Dans ce cas, la température des gaz travaillant dans la turbine à gaz est élevée, ce qui a pour effet de rendre difficile la construction de cette turbine et diminue la sécurité de fonctionnement de celle-ci, de sorte que s'il était possible de modérer quelque peu ces températures
<Desc/Clms Page number 3>
élévées, il en résulterait un progrès considérable dans l'ex- ploitation des générateurs de vapeur avec foyer à air comprimé.
Suivant la présente invention, on ne demande à la turbine à gaz qu'une partie de la puissance nécessaire pour la com pression, l'autre partie de la puissance motrice devant être fournie par une machine auxiliaire. Dans ce cas, et étant donnée la plus faible puissance que doit fournir désormais la turbine à gaz, la température des gaz moteurs peut être moins élevée, tandis que, d'autre part, et si nécessaire, la côté de pression fournie par le compresseur peut être con- sidérablement plus élevée que celle avec laquelle travaille la turbine à gaz.
Etant donné que la puissance d'une turbine à gaz augmente ou diminue, approximativement avec la température absolue des gaz moteurs, cette température peut être abaissée approximativement dans la proportion dans laquelle la puis- sance de la machine auxiliaira augmente. Par exemple, dans le cas où l'entraînement du compresseur impliquait une température de 630 0. ou 903 abs. de la roue de la turbine, cette tempéra- turepeut désormais être ramenée à 400 C. ou 673 abs., et ceci déjà lorsque la machine auxiliaire ne fournit qu'un quart de la puissance nécessaire pour la commande du compresseur.
Or, dans le cas où la roue de la turbine ne doit pas supporter des températures supérieures à 400 c, cette roue, ainsi que l'aubage peuvent être établis simplement en acier résistant à la chaleur, et tout refroidissement de l'enveloppe de la turbine devient superflu. Malgré cet abaissement relativement considérable de la température, la puissance additionnelle nécessaire, notamment comparée à celle qui serait à fournir dans le cas de turbines à gaz disposées à l'extrémité d'échappe- ment des surfaces de chauffe, est peu élevée, de sorte que le moteur auxiliaire, lorsqu'il consiste, par exemple, en un moteur électrique, n'entraîne aucune diminution notable du
<Desc/Clms Page number 4>
rendement de l'installation de la chaudière.
Dans le cas, toutefois, où l'on désire que le moteur auxiliaire n'entraîne aucune diminution de rendement, il y a lieu d'établir le service auxiliaire de façon que la chaleur nécessaire à son fonctionnement ne constitue par une perte pour l'installation du générateur de vapeur. A cet effet, on peut prévoir plusieurs modes de fonctionnement différents, lesquels font également objet de la présente invention et seront décrits dans les exemples de réalisation qui suivent.
Fig. 1 montre une,installation suivant l'invention. Le générateur de vapeur est supposé tel que décrit dans des bre- vets antérieurs de la demanderesse. Il comporte une chambre de combustion 1 contre les parois de laquelle sont disposés les tubes d'eau traversés par les tubes de chauffe et dans les- quels a lieu la vaporisation de l'eau. Les gaz chauds s'accu- mulent dans le canal 2 d'où ils s'écoulent à travers le tube 3 contenant le surchauffeur. Ce tube aboutit dans le carneau rectangulaire 4 qui conduit à la turbine à gaz 5. Après avoir effectué leur travail dans cette turbine, les gaz de combustion arrivent, par le carneau rectangulaire 6, au tube 7 contenant un réchauffeur d'eau alimentaire et disposé (dans le dessin) derrière le tube 3 et, de là, s'échappent à l'atmosphère.
La turbine à gaz 5 commande le compresseur 8 ainsi qu'une pompe de circulation d'eau 9, cette turbine étant secondée dans ce travail, suivant l'invention, par la machine auxiliaire 10. La pompe de circulation 9 amène l'eau à vaporiser, en quantité excessive, au contact des surfaces de chauffe. La vapeur et l'eau non vaporisée arrivent par le tuyau 12 dans le séparateur 13, dans lequel l'eau est séparée de la vapeur'par une action centrifuge. La vapeur afflue par le tuyau 14 dans le surchauf- feur, tandis que l'eau retourne à la pompe par le tuyau 15.
L'eau alimentaire du réchauffeur à gaz de fumée peut être re-
<Desc/Clms Page number 5>
mise dans le circuit de la pompe de circulation en un point approprié quelconque de celui-ci. Le combustible, lequel, dans le cas décrit, est un combustible liquide, est introduit en 16, où débouche également le conduit de refoulement 17 du compresseur 8.
Comme machine auxiliaire pour seconder la turbine à gaz, on a supposé une turbine à vapeur 10. Afin d'éviter toute perte de chaleur, cette turbine à vapeur peut être avantageusement établie sous forme de turbine à contre-pression, dont la va- peur d'échappement sert à réchauffer l'eau alimentaire. Le condenseur de cette turbine est un réchauffeur à mélange 18 dans lequel l'eau alimentaire froide entre en 19 et dont elle sort réchauffée en 20 pour être réchauffée davantage dans le réchauffeur à gaz de fumée 7.
Etant donné que la chaleur de la vapeur, utilisé pour le travail de compression, arrive avec l'air jusqu'à la chambre de combustion, sous forme de chaleur de compression et de chaleur de frottement, et que la chaleur d'échappement de cette vapeur est absorbée par l'eau alimentaire, la commande du compresseur par la turbine auxiliaire n'entraîne aucune dépense de chaleur spéciale, abstraction faite de faibles pertes résultant du frottement dans les paliers, de fuites et du rayonnement.
On obtient un autre mode de fonctionnement économique pour la turbine à vapeur auxiliaire, en prévoyant cette der- nière sous forme d'une machine d'amont pour les turbines à vapeur de service. A ce propos, il y a lieu de remarquer que la puissance relativement peu élevée de la turbine auxiliaire peut également être obtenue en augmentant la pression dans la chau- dière légèrement au-dessus de la pression de service requise, l'excédent de pression étant alors utilisé pour l'actionnement de la turbine auxiliaire. La totalité, ou au moins une grande partie, de la vapeur produite dans la chaudière, est donc dirigée à travers cette dernière turbine.
Toute l'énergie de la
<Desc/Clms Page number 6>
vapeur, qui n'a pas été transformée en travail de compression, peut être récupérée de la vapeur d'échappement de la turbine auxiliaire, qui devient dans ce cas la vapeur de service de la turbine principale. Etant donné que dans le cas où la to- talité de la vapeur traverse la turbine auxiliaire, la chute de tension correspondant au travail de cette dernière est très faible, il suffit de construire cette turbine avec une roue tournant à une faible vitesse périphérique. Il importe ici d'apporter tous les soins à la construction de la boite à bourrage. Fig. 2 montre une telle turbine avec ses connexions.
21 est la turbine d'amont. La vapeur venant du surchauffeur entre en 22. 23 est la connexion pour la vapeur de service.
Cette turbine peut être réglée au moyen d'une conduite by-pass 24 dont la soupape réglable 25 laisse passer une quantité plus ou moins grande de vapeur vers la turbine auxiliaire.
Pour augmenter les limites de réglage de la turbine au- xiliaire, on peut prévoir utilement, à côté de la turbine à contrepression ou la turbine d'amont, une turbine à un ou à plusieurs étages, travaillant avec une contrepression moins élevée, par exemple la pression atmosphérique ou le vide des turbines de service. Cette turbine additionnelle sert en pre- mier lieu à compenser la diminution de puissance de la turbine auxiliaire, diminution résultant de la réduction de la vitesse de rotation du compresseur, correspondant à une marche à fai- ble charge. Avec des charges et des vitesses de rotation plus élevées, la turbine auxiliaire tournera le plus souvent à vide avec une pression inférieure à la pression atmosphérique.
La diminution de puissance de la turbine, résultant d'une moindre vitesse de rotation du compresseur, peut également être évitée en faisant tourner la turbine avec une vitesse de rotation approximativement constante et en transmettant son couple d'entraînement au compresseur au moyen d'un mécanisme
<Desc/Clms Page number 7>
de changement de vitesse. Un tel mécanisme peut par exemple consister en un dispositif hydraulique ou, éventuellement, un accouplement électrique. Le réglage de ce mécanisme, de même que le réglage de la puissance de la turbine auxiliaire, peu- vent être assurés par des dispositifs régulateurs particuliers, commandas, par exemple, par la pression de la vapeur ou par la température des gaz de oombustion.
Au lieu d'être une turbine à vapeur, la machine auxiliaire peut également consister en une turbine à gaz. Cette dernière fonctionne comme machine indépendante, c'est-à-dire qu'elle possède sa propre chambre de combustion ; gaz chauds ser- vent à produire non pas de la vapeur, mais du travail mécani- que. Ce mode d'entraînement peut également s'avérer très éco- nomique, à condition de ramener au circuit thermique du géné- rateur de vapeur la totalité de la chaleur d'échappement.
L'alimentation de cette turbine à gaz en agent moteur sous pression, peut également être assurée par les dispositifs auxiliaires du générateur de vapeur.
Dans tous les cas, la machine auxiliaire doit également pouvoir fonctionner indépendamment du générateur de vapeur, de manière qu'elle puisse servir à la mise en marche de la chaudière avec de la vapeur de source étrangère, par exemple.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
'' STEAM GENERATOR WITH COMPRESSED AIR FIREPLACE AND WITH GAS TURBINE FOR DRIVING THE COMPRESSOR FORMING PART OF THE INSTALLATION "
Steam generators are known in which the mixture of air and fuel is burnt under high pressure in pressure resistant combustion chambers. To this end, the air and the fuel are brought to the desired pressure by means of compressors driven by gas turbines, using the combustion gases from the steam generator as the driving agent. It was customary to arrange the gas turbine at the exhaust end of the flue gas stream, so that this turbine would operate.
<Desc / Clms Page number 2>
was operating with exhaust gases which were already strongly cooled.
It is true that this arrangement eliminates any danger for the impeller and the blade of the gas turbine; on the other hand, such a turbine can only provide low power, so that driving the compressor requires a second motive machine, for example an electric motor or a steam turbine. In the case where, in order to avoid high losses through the exhaust, the exhaust gases have only the usual low temperature, and in the case of an exhaust gas turbine of common construction, the power of such an auxiliary engine must even be much higher than that of the gas turbine. Since the energy for the auxiliary motor has to be produced separately, very high losses result, which have the effect of lowering the efficiency of the steam generator installation.
For this reason, it has been proposed to place the gas turbine not at the exhaust end of the flow of combustion gases, but at a point thereof where the temperature of the gases is still sufficiently high for the power of the turbine, obtained with these gases, is sufficient to control the compressor and, possibly, other auxiliary machines necessary for the operation of the boiler, such as a water circulation pump, a water pump. fuel, or the like. Therefore, in such steam generators, the flow of combustion gases, after passing through the gas turbine, is still contacted with a heat exchange device, for example a food water heater.
In this case, the temperature of the gases working in the gas turbine is high, which has the effect of making the construction of this turbine difficult and decreases the operational safety of the latter, so that if it were possible to moderate these temperatures somewhat
<Desc / Clms Page number 3>
high, this would result in considerable progress in the use of steam generators with compressed air furnaces.
According to the present invention, only part of the power required for compression is required from the gas turbine, the other part of the motive power having to be supplied by an auxiliary machine. In this case, and given the lower power that the gas turbine must now provide, the temperature of the engine gases can be lower, while, on the other hand, and if necessary, the pressure side supplied by the compressor can be considerably higher than that with which the gas turbine works.
Since the power of a gas turbine increases or decreases, approximately with the absolute temperature of the motive gases, this temperature can be lowered approximately in the proportion in which the power of the auxiliary machine increases. For example, in the event that the compressor drive involved a temperature of 630 0. or 903 abs. of the turbine wheel, this temperature can now be reduced to 400 C. or 673 abs., and this already when the auxiliary machine provides only a quarter of the power required to control the compressor.
However, in the event that the turbine wheel must not withstand temperatures above 400 c, this wheel, as well as the blading can be made simply of heat-resistant steel, and any cooling of the casing of the turbine becomes superfluous. Despite this relatively considerable lowering of the temperature, the additional power required, in particular compared to that which would have to be supplied in the case of gas turbines placed at the exhaust end of the heating surfaces, is not very high, so that the auxiliary motor, when it consists, for example, of an electric motor, does not cause any appreciable reduction in
<Desc / Clms Page number 4>
efficiency of the boiler installation.
In the case, however, where it is desired that the auxiliary engine does not cause any reduction in efficiency, the auxiliary service should be established in such a way that the heat necessary for its operation does not constitute a loss for the engine. installation of the steam generator. For this purpose, several different operating modes can be provided, which are also the subject of the present invention and will be described in the exemplary embodiments which follow.
Fig. 1 shows an installation according to the invention. The steam generator is assumed as described in previous patents of the Applicant. It comprises a combustion chamber 1 against the walls of which are arranged the water tubes crossed by the heating tubes and in which the water vaporization takes place. Hot gases accumulate in channel 2 from where they flow through tube 3 containing the superheater. This tube ends in the rectangular flue 4 which leads to the gas turbine 5. After having carried out their work in this turbine, the combustion gases arrive, through the rectangular flue 6, at the tube 7 containing a feed water heater and arranged (in the drawing) behind tube 3 and, from there, escape to the atmosphere.
The gas turbine 5 controls the compressor 8 as well as a water circulation pump 9, this turbine being assisted in this work, according to the invention, by the auxiliary machine 10. The circulation pump 9 brings water to spray, in excessive quantity, on contact with the heating surfaces. Steam and unvaporized water enter through pipe 12 into separator 13, where the water is separated from the steam by centrifugal action. Steam flows through pipe 14 into the superheater, while water returns to the pump through pipe 15.
The feed water from the flue gas heater can be
<Desc / Clms Page number 5>
put in the circuit of the circulation pump at any suitable point thereof. The fuel, which, in the case described, is a liquid fuel, is introduced at 16, where the discharge pipe 17 of the compressor 8 also opens.
As an auxiliary machine to assist the gas turbine, it has been assumed that a steam turbine 10. In order to avoid any loss of heat, this steam turbine can advantageously be set up in the form of a back-pressure turbine, the steam of which. exhaust is used to heat feed water. The condenser of this turbine is a mixture heater 18 in which the cold food water enters at 19 and from which it leaves reheated at 20 to be further reheated in the flue gas heater 7.
Since the heat of the vapor, used for the work of compression, arrives with the air to the combustion chamber, in the form of heat of compression and heat of friction, and the heat of exhaust from this steam is absorbed by the feed water, control of the compressor by the auxiliary turbine does not involve any special heat expenditure, apart from low losses resulting from friction in the bearings, leaks and radiation.
Another economical mode of operation is obtained for the auxiliary steam turbine, by providing the latter as an upstream machine for the working steam turbines. In this connection, it should be noted that the relatively low power of the auxiliary turbine can also be obtained by increasing the pressure in the boiler slightly above the required working pressure, the excess pressure being. then used for the actuation of the auxiliary turbine. All, or at least a large part, of the steam produced in the boiler is therefore directed through the latter turbine.
All the energy of the
<Desc / Clms Page number 6>
Steam, which has not been converted to compression work, can be recovered from the auxiliary turbine exhaust steam, which in this case becomes the main turbine operating steam. Since in the case where all the steam passes through the auxiliary turbine, the voltage drop corresponding to the work of the latter is very low, it suffices to construct this turbine with a wheel rotating at a low peripheral speed. It is important here to take all the care in the construction of the stuffing box. Fig. 2 shows such a turbine with its connections.
21 is the upstream turbine. Steam from the superheater enters 22. 23 is the connection for service steam.
This turbine can be regulated by means of a bypass pipe 24, the adjustable valve 25 of which allows a greater or lesser quantity of steam to pass to the auxiliary turbine.
To increase the adjustment limits of the auxiliary turbine, it is useful to provide, next to the backpressure turbine or the upstream turbine, a turbine with one or more stages, working with a lower backpressure, for example. atmospheric pressure or the vacuum of the service turbines. This additional turbine serves in the first place to compensate for the decrease in power of the auxiliary turbine, a decrease resulting from the reduction in the speed of rotation of the compressor, corresponding to operation at low load. With higher loads and higher rotational speeds, the auxiliary turbine will most often run empty at a pressure below atmospheric pressure.
The decrease in turbine power, resulting from a lower speed of rotation of the compressor, can also be avoided by rotating the turbine at an approximately constant speed of rotation and transmitting its driving torque to the compressor by means of a mechanism
<Desc / Clms Page number 7>
of speed change. Such a mechanism can for example consist of a hydraulic device or, optionally, an electrical coupling. The regulation of this mechanism, as well as the regulation of the power of the auxiliary turbine, can be ensured by special regulating devices, controlled, for example, by the pressure of the steam or by the temperature of the combustion gases.
Instead of being a steam turbine, the auxiliary machine can also consist of a gas turbine. The latter operates as an independent machine, that is to say it has its own combustion chamber; hot gases are used to produce not steam, but mechanical work. This drive mode can also be very economical, on condition that all of the exhaust heat is returned to the thermal circuit of the steam generator.
The supply of this gas turbine with pressurized driving agent can also be provided by the auxiliary devices of the steam generator.
In any case, the auxiliary machine must also be able to operate independently of the steam generator, so that it can be used to start the boiler with steam from a foreign source, for example.
CLAIMS.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.