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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX INSTALLATIONS AVEC TURBINES A GAZ.
L'invention est relative à une installation à turbine à gaz pour fournir un débit continu d'air chaud comprime.
Une application importante de cette installation est de four- nir du vent à un haut-fourneau mais il existe également d'autres applications qui peuvent être envisagées, par exemple des procédés chimiques pour les- quels un débit continu d'air comprimé chaud est nécessaire.
L'invention a pour objet une installation avec turbine à gaz pro- pre à fournir.un débit continu d'air chaud comprimé et comprenant un compres- seur d'air rotatif avec des moyens propres à subdiviser le débit de ce com- presseur, en aval de ce dernier, en plusieurs courants séparés, un réchauffeur d'air fonctionnant d'une manière continue et indirecte qui est traversé par un courant d'air propre à fournir le débit en question, une source de chaleur pour ledit réchauffeur, une chambre de combustion alimentée avec un autre cou- rant d'air pour entretenir la combustion et une turbine à gaz dans laquelle les l@@ gaz de combustion, provenant de ladite chambre, sont détendus pour fournir le couple moteur servant à l'entraînement dudit compresseur.
On peut alimenter la source de chaleur avec de l'air destiné à entretenir la combustion et qui est comprimé avant la combustion, le réchauf- feur d'air fonctionnant sous pressions
L'invention a également pour objet une installation avec turbine à gaz propre à fournir un débit continu d'air comprimé chaud et elle consiste à faire comporter à ladite installation un compresseur d'air rotatif, des moyens propres à subdiviser le débit de celui-ci, en aval dudit compresseur en plusieurs courants séparés, un réchauffeur d'ar, fondtionnant d'une ma- nière continue et indirecte, qui est traversé par un courant d'air pour for- mer le débit susdit,
une première chambre de combustion à laquelle un autre
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courant d'air est fourni pour produire des gaz chauds servant au-chauffage de l'air traversant le réchauffeur, une deuxième chambre de combustion ali- mentée également avec cet autre courant d'air pour entretenir,la combustion et une turbine à gaz dans laquelle les gaz de combustion, provenant desdites chambres, sont détendus pour fournir le couple servant à l'entraînement du compresseur.
Le débit du compresseur peut également former un troisième courant qui sert à la dilution des gaz de combustion avant que ceux-ci ne soient dé- tendus dans la turbine à gaz. Suivant une variante on peut prévoir un débit d'air direct depuis le compresseur vers la deuxième chambre de combustion la- quelle, dans ce cas, n'est pas alimentée avec le même courant d'air que celui fourni à"la première chambre de combustion. Un travail convenable, avec la charge partielle, peut être obtenu en utilisant un étrangleur ou papillon ré- glable dans le conduit traversé par le troisième courant ou dans le courant par lequel se fait l'alimentation directe de la deuxième chambre de combus- tion, suivant le cas.
Une turbine à air'peut être incorporée dans l'installation et dans cette turbine le courant d'air peut être détendu, ce courant étant des- tiné à fournir ensuite le débit nécessaire.. Cette turbine est établie de préférence avant l'entrée d'air dans le réchauffeur et elle peut servir éga- lement, avec avantage, pour fournir le couple d'entraînement du compresseur.
Quand on utilise un combustible gazeux, tout au moins dans les chambres de combustion, ce combustible peut être comprimé, avant usage, dans un compres- seur de gaz rotatif entraîné par la turbine. Quand m'installation est utili- sée de pair avec un haut-fourneau, ce combustible gazeux,peut être fourni par le haut-fourneau lui-même et l'air comprimé chaud, fourni par l'instal- lation est utilisé pour ventiler ledit haut-fourneau.
Un haut-fourneau moderne doit pouvoir fonctionner d'une maniè- re continue, pendant plusieurs années et peut consommer à peu près 45 kg/sec d'air réchauffé à 650 par exemple et à une pression absolue d'environ 1,75 kg/cm2. Il est actuellement courant, dans les aciéries, d'utiliser à peu près la moitié du gaz fourni par le haut-fourneau pour entraîner les venti- lateurs et pour réchauffer le gaz. Le combustible fondamental utilisé dans ces usines est le charbon de sorte qu'un accroissement faible du rendement de l'installation de ventilation permettrait d'obtenir une économie substan- tielle dans la consommation du charbon.
Dans les acéries les plus modernes l'installation de ventilation comptend des souffleries centrifuges entraînées par des turbines à vapeur et le réchauffage d'air se fait dans des grands fours contenant des empilages régénérateurs connus sous le nom d'appareils "Cowper". L'installation auxiliaire utilisée à cet effet comprend souvent : a) trois Cowper dont deux fonctionnement normalement alors que le troisième est en réserve, chaque appareil comprenant des ventilateurs et des distributeurs inverseurs ; b) deux chaudières dont une fonctionne et dont l'autre est en réserve; c) un turbo-ventilateur à vapeur et condenseur; d) une tour de refroidissement aux endroits où l'on ne dispose pas d'une source d'eau convenable.
Les progrès, faits dans les dernières années, dans la technique des turbines à gaz ont amené plusieurs ingénieurs à s'occuper de la question du remplacement des souffleries pour haut-fourneaux, du genre susindiqué, par une installation avec turbine à gaz appropriée. Il existe des propo- sitions pour entraîner les ventilateurs centrifuges par une turbine à gaz qui remplace la turbine à vapeur pour utiliser les gaz de combustion, après une certaine détente, dans la turbine à gaz pour la ventilation en prélevant à un étage intermédiaire d'un compresseur d'air axial un courant d'air qui est utilisé ensuite comme vent. D'autres propositions ont maintenu les ap- pareils Cowper et encore d'autres ont proposé diverses autres formes de ré-
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chauffeurs.
La plupart des proportions font intervenir des cycles compli- qués et certaines ont eu recours à des appareils avec deux arbres. Pour être industriellement rentable, il semble nécessaire que l'installation avec turbine à gaz pour fournir le vent à un haut-fourneau doit non seule- ment éliminer les appareils Cowper mais elle doit en outre avoir une carac- téristique de ventilation aussi bonne que celle du turbo-ventilateur à va- peur actuellement en usage. De plus, ses caractéristiques de rendement pour un fonctionnement sous charge partielle doivent être bonnes et l'installation doit pouvoir fonctionner d'une manière souple et aussi simplement que possi- ble.
L'invention a également pour objet une installation avec turbine à gaz pour ventiler un haut-fourneau et comprenant un compresseur d'air ro- tatif, un échangeur de chaleur traversé par le débit non subdivisé du compres- seur, une turbine à air dans laquelle un premier courant d'air, prélevé sur ledit débit, est détendu, un réchauffeur d'air à fonctionnement continu in- direct et sous pression auquel ce courant d'air est fourni après détente et qui fournit le vent comprimé chaud pour le haut-fourneau, une première cham- bre de combustion à laquelle l'air, destiné à entretenir la combustion, est fourni par un deuxième courant d'air prélevé sur le débit du compresseurß cette première chambre débitant des gaz chauds qui traversent le réchauffeur d'air pour céder de la chaleur au premier courant d'air,
une deuxième cham- bre de combustion, établie en série avec la première chambre et avec le ré- chauffeur d'air en aval de ceux-ci, une turbine à gaz à travers laquelle les gaz de combustion provenant des deux chambres de combustion passent, un cou- rant d'air étranglé prélevé également sur le débit du compresseur et qui est détendu dans la turbine à gaz et qui est amené ensuite avec les gaz de combustion détendus à l'entrée du gaz.chaud de l'échangeur de chaleur avant de s'échapper, un compresseur rotatif pour le combustible gazeux et dont le débit est divisé entre les deux chambres de combustion et un arbre commun sur lequel sont montés les compresseurs pour l'air et pour le gaz ainsi que les turbines pour l'air et pour le gaz, lesdites turbines entraînant les com- presseurs.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemples, quelques modes de réalisation de l'invention.
La fig. 1 montre, schématiquement, le cycle d'une installation avec turbine à gaz pour la ventilation d'un haut-fourneau et comportant un réchauffeur d'air à la pression atmosphérique.
La fige 2 montre, semblablement, un cycle analogue à plusieurs points de vue mais pour lequel le réchauffeur d'air est plus petit.
La fig. 3 montre, semblablement, une installation analogue mais qui diffère de celles-des figso l'et 2 en ce sens qu'elle comporte deux chambres de combustion, un réchauffeur d'air fonctionnant sous pression alors qu'un courant d'air diluant est fourni à la turbine à gazo
La fig. 4 montre une installation analogue à celle de la fig. 3 mais pour laquelle la deuxième chambre de combustion occupe un autre empla- cement.
La fig. 5 montre, schématiquement, le cycle d'une installation avec turbine à¯gaz pour fournir de l'air chaud à une pression de plusieurs atmosphères, cet air pouvant être utilusé pour certains traitements chimiques industriels; cette installation ne comporte pas de turbine à air comme celle qui fait partie des installations montrées sur les figures précédentes.
Pour l'installation montrée sur la fig. 1 de l'air atmosphérique est comprimé dans le compresseur rotatif 1 après avoir passé d'abord par le côté récepteur de chaleur d'un échangeur de chaleur 2. En aval de ce compres- seur le courant d'air est divisé en deux parties, une s'écoulant par le con- duit 3 avant d'être détendue dans la turbine 4. L'autre courant est amené par le conduit 5 pour former l'air destiné à entretenir la combustion dans une chambre de combustion 6. Le premier courant est chauffé dans les tubes faisant partie du réchauffeur 7 qui est du type à combustion indirecte.
Ce
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réchauffeur comprend de préférence un faisceau de tubes logé dans une boite, l'air à réchauffer traversant les tubes et recevant de la chaleur par la com- bustion d'un combustible dans ladite boîte mais à l'extérieur des tubes.' De tels réchauffeurs d'air sont utilisés par exemple pour des installations avec turbines à gaz à cycle fermé. Par la détente de l'air chauffé dans la turbine 4 on fournit le couple qui sert à l'entraînement du compresseur 1.
L'air sortant de la turbine est réchauffé dans les tubes du réchauffeur d'air indirect qui est celui dont question plus haut ou qui peut' être distinct de celui-ci, le réchauffeur ayant lieu jusqu'à la température nécessaire pour le vent fourni au haut-fourneau par le conduit 8.
Le deuxième courant d'air prélevé sur le débit du compresseur est utilisé pour entretenir la combustion directe du combustible dans la chambre 6 et les gaz chauds ainsi produits sont amenés à une turbine à gaz 11 calée sur le même arbre que le groupe formé par le compresseur d'air 1 et par la turbine à air 4. L'échappement de la turbine à gaz 11 est amené par un conduit à la boite du réchauffeur d'air dans laquelle il contribue à l'apport de chaleur. Il est possible que cet échappement convienne encore à l'entretien de'la combustion.
L'installation est alimentée par du gaz fourni par le haut-four- neau et qui, après avoir été épuré,est amené au compresseur rotatif 9 pour le gaz dans lequel il est comprimé avant d'être amené à la chambre de combus- tion 6 pour être brûlé dans celle-ci. Une alimentation séparée de gaz, pro- venant du haut-fourneau, est introduite dans la boite du réchauffeur d'air par l'orifice 19 alors que l'air frais, destiné à entretenir la combustion de ce gaz, est introduit par l'orifice 20. Les produits de la combustion sortant du réchauffeur d'air s'échappent par le conduit 17 et sont utilisés
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à l'entrée in de l'échangeur de chaleur 1?oür- chal1ffer-préalâblëmên't Id dé- Di t"â; atr:-"tgtaî -r 'ttfti1 'Opr ",le compresseur 1.
Les dimensions du réchauffeur d'air peuvent être considérablement réduites si l'on élimine la partie par laquelle il fournit de la chaleur au courant destiné à former le vent avant la détente de ce courant dans la tur- bine 4. L'installation montrée sur la fige 2 a été modifiée dans ce sens.
Le débit du compresseur d'air, avant d'être subdivisé en courants séparés, traverse le côté récepteur de chaleur de l'échangeur 2. Immédiatement après ce débit est scindé pour pouvoir s'écouler respectivement par les conduits 3 et 5. Une partie du réchauffeur d'air n'est donc plus nécessaire mais même dans ces conditions le réchauffeur, fonctionnant à la pression atmosphérique, est nécessairement encombrant de sorte que sa construction et son montage sont coûteux. Ces inconvénients sont évités quand on adopte les installa- tions modifiées montrées sur les figs. 3 à 5.
On voit sur la fig. 3 que les caractéristiques principales des installations, décrites, plus haut, on été conservées mais que les gaz de combustion provenant de la chambre 6 forment maintenant une source de chaleur pour le réchauffeur d'air 7. Ces gaz sont à une pression et à une tempéra- ture élevées de sorte que le réchauffeur d'air fonctionne sous pression. Il peut, par conséquent, avoir des dimensions notablement moindres que les ré- chauffeurs dont question plus haut. Une chambre de combustion additionnelle 10 est établie en aval de la chambre 6 et du réchauffeur d'air 7, en série avec ceux-ci.
Un excès d'air par rapport à celui nécessaire pour la combustion est fourni à la chambre 6 de sorte que le combustible gazeux additionnel, introduit dans la chambre 10, est brûlé dans celle-ci. Les gaz chauds pro- venant de cette chambre ainsi que de la chambre 6 sont détendus dans la tur- bine 11 et l'échappement de celle-ci traverse l'échangeur de chaleur 2.
Pour améliorer le rendement de l'installation quand celle-ci fonctionne à charge réduite, on a recours à un conduit en by-pass 12. A l'aide de celui-ci on prélève un autre courant d'air au débit du compres- seur et on l'amène ou bien à la chambre de combustion 10 ou bien en aval de celle-ci vers le conduit qui amène les gaz de combustion à la turbine à
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gaz 11. Cette dernière disposition est montrée sur la figo 3. Le courant en bv-pass peut être étranglé à. l'aide du robinet ou papillon 13 afin que le courant d'air diluant passant par le by-pass 12 puisse être réglé à volon- té.
Sur la figo 4 on montre une installation analogue à la précéden- te mais qui est légèrement modifiée en ce sens que la deuxième chambre de combustion, désignée dans ce cas par 10a, ne se trouve plus sur le trajet direct des gaz qui s'écoulent depuis la chambre de combustion 6, par le ré- chauffeur d'air 7, vers la turbine 11. Cette chambre 10a occupe au contrai- re un emplacement tel qu'elle reçoit directement de l'air frais, servant à l'entretien de la combustion, par le conduit en by-pass 12.
Les produits de la combustion ainsi que tout excès d'air sont amenés à l'entrée de la tur- bine à gaz 11 comme expliqué plus hauto
L'installation établie suivant la fige 3 ou 4 fonctionne avec l'étrangleur, le robinet ou le papillon 13 grand ouvert alors que la chambre de combustion 10 ou 10a est inactive quand l'installation fonctionne à une charge partielle pendant que la température du vent doit rester à une valeur élevée, par exemple de 650 . Si de l'air diluant n'est pas fourni aux gaz pénétrant dans la turbine 11, les gaz sortant de la chambre de combustion sont à une température plus élevée que ceux qui doivent être fournis à la turbine 11. L'air diluant diminue la température des gaz fournis à la tur- bine à un degré aisément réglable par l'étrangleur 13.
Pour la pleine char- ge les deux chambres de combustion 6 et 10 ou 10a interviennent simultanément.
Dans chaque cas une souplesse additionnelle est obtenue pour le fonctionnement pour la raison que la température de la chambre 10 ou 10a est rendue indépendante de celle de la chambre 6. De plus,'pour une charge par- tielle, il existe un déséquilibre entre les débits massiques du gaz et de l'air dans le réchauffeur d'air 7 et à ce déséquilibre s'oppose le courant d'air réglable passant par le by-pass 120 Un avantage additionnel, obtenu pour une charge pattielle, est que l'air;, en étant écarté du réchauffeur d'air, permet de réduire les pertes dues au compresseur du côté de l'entrée des gaz du réchauffeur de sorte que le rendement thermique de l'installation peut être maintenu à une valeur plus élevée que si l'on procédait autrement.
Un autre gain de rendement peut être obtenu, pour l'installation de la fige 3 ou 4 en faisant passer le conduit d'air 3 par un serpentin chauf- fant additionnel établi dans le réchauffeur d'air avant de le faire déboucher dans la turbine à air 4.
En ayant recours aux deux turbines 4 et 11 on obtient un avanta- ge important en ce sens due la pression opératoire de la turbine à gaz 11 est pratiquement indépendante de la pression nécessaire pour l'air comprimé dans le conduit 8. Il est ainsi possible de faire fonctionner l'installation avec une pression de ventilation basse, dans le conduit 8 et la turbine à gaz 11 peut également fonctionner avec un rapport de pression maximum.
Comparativement aux installations proposées antérieurement, les modes de réalisation décrits à l'aide des figsa 3 et 4 présentent des avan- tages considérables. Par exemple, on doit seulement faire passer la quantité d'air nécessaire par le réchauffeur et dans les deux cas le réchauffeur fond- tionne sous pression. Dans ces conditions, on diminue fortement les dimen- sions du réchauffeur d'air comparativement à ce qui devrait se faire sans cela. En utilisant un réchauffeur d'air à une pression plus élevée que la pression atmosphérique, on supprime la nécessité de l'intervention de venti- lateurs auxiliaires pour l'introduction du mélange combustible.
Pour les deux modes de réalisation', la turbine à gaz est entraînée directement par les gaz de combustion et son débit s'écoule directement par l'échangeur de chaleur vers l'échappemento La forme de son cycle n'est donc pas influencée par le réchauffeur d'air de sorte que la température maximum, qui peut être utilisée,n'est d'aucune façon dépendante du mode de construction du réchauf- feur. Le débit massique utile, founi par le conduit 8, est approximativement égal au débit massique de l'échappement de sorte que l'on obtient un rende- ment thermique plus élevé que celui qui pouvait être réalisé jusqu'ici.
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On peut s'attendre à ce que l'installation, montrée schématique- ment sur la fig. 5, trouve des applications nombreuses pour certains traite- ments chimiques pour lesquels de l'air comprime, à température élevée, doit être fourni à une pression qui varie entre des limités assez rapprochées, par exemple entre 4 et 5 atmosphères. Cette installation comprend un com - presseur d'air, un compresseur de gaz et une turbine qui sont tous montés sur le même arbre. Les éléments, montrés sur la fig. 5, portent les mêmes chiffres de référence que sur les autres figures.
On voit que le cycle est identique à l'exception de la suppression de la turbine à air 4 de sorte que les pressions, de part et d'autre du ré- chauffeur d'air, sont approximativement égales. Il en résulte que des matiè- res beaucoup plus économiques peuvent être utilisées pour les tubes du réc- chauffeur d'air avec une diminution considérable des sollicitations. Quand on fait intervenir les températures usuelles, adoptées actuellement pour des installations de ce genre, on peut envisager l'usage de tubes ordinaires en acier inoxydable pour le réchauffeur d'air de la fig 5.
Il est à noter que l'apport de la chaleur, fournie par la chambre de combustion, est généralement réglé dans une installation avec turbine à gaz en modifiant l'alimentation en combustible. Un tel réglage est, égale- ment adopté pour les installations décrites plus haut.
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IMPROVEMENTS TO INSTALLATIONS WITH GAS TURBINES.
The invention relates to a gas turbine installation for supplying a continuous flow of compressed hot air.
An important application of this installation is to supply wind to a blast furnace but there are also other applications which can be envisaged, for example chemical processes for which a continuous flow of hot compressed air is necessary. .
The object of the invention is an installation with a gas turbine capable of supplying a continuous flow of compressed hot air and comprising a rotary air compressor with means suitable for subdividing the flow of this compressor, downstream of the latter, in several separate streams, an air heater operating in a continuous and indirect manner which is crossed by an air stream suitable for providing the flow in question, a source of heat for said heater, a combustion chamber supplied with another current of air to support combustion and a gas turbine in which the combustion gases, coming from said chamber, are expanded to provide the driving torque used to drive said compressor.
The heat source can be supplied with air intended to support combustion and which is compressed before combustion, the air heater operating under pressure.
The subject of the invention is also an installation with a gas turbine suitable for supplying a continuous flow of hot compressed air and it consists in having said installation include a rotary air compressor, means suitable for subdividing the flow thereof. Ci, downstream of said compressor in several separate streams, an ar heater, melting in a continuous and indirect manner, which is crossed by a stream of air to form the aforesaid flow,
a first combustion chamber to which another
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air stream is supplied to produce hot gases serving to heat the air passing through the heater, a second combustion chamber also supplied with this other air stream for sustaining combustion and a gas turbine in in which the combustion gases from said chambers are expanded to provide the torque used to drive the compressor.
The flow from the compressor can also form a third stream which serves to dilute the combustion gases before they are expended in the gas turbine. According to a variant, it is possible to provide a direct air flow from the compressor to the second combustion chamber which, in this case, is not supplied with the same air current as that supplied to the first combustion chamber. Proper work, with partial load, can be obtained by using a throttle or throttle adjustable in the duct through which the third stream passes or in the stream through which the direct supply to the second combustion chamber is made. tion, as the case may be.
An air turbine can be incorporated in the installation and in this turbine the air flow can be expanded, this flow then being intended to provide the necessary flow. This turbine is preferably established before the entry of the air. air in the heater and can also be used, with advantage, to provide the driving torque of the compressor.
When a gaseous fuel is used, at least in the combustion chambers, this fuel can be compressed, before use, in a rotary gas compressor driven by the turbine. When the plant is used in conjunction with a blast furnace, this gaseous fuel may be supplied by the blast furnace itself and the hot compressed air supplied by the plant is used to ventilate said plant. blast furnace.
A modern blast furnace must be able to operate continuously, for several years and can consume about 45 kg / sec of air heated to 650 for example and at an absolute pressure of about 1.75 kg / sec. cm2. It is currently common practice in steelworks to use about half of the gas supplied by the blast furnace to drive the fans and to heat the gas. The basic fuel used in these plants is coal so that a small increase in the efficiency of the ventilation plant would allow substantial savings in the consumption of coal.
In the most modern steel mills the ventilation system has centrifugal blowers driven by steam turbines and the air is reheated in large furnaces containing regenerative stacks known as "Cowper" devices. The auxiliary installation used for this purpose often includes: a) three Cowper, two of which operate normally while the third is in reserve, each device comprising fans and reversing distributors; b) two boilers, one of which is operating and the other of which is in reserve; c) a steam turbo-fan and condenser; d) a cooling tower where a suitable water source is not available.
Advances in gas turbine technology in recent years have led several engineers to deal with the issue of replacing blast furnace blowers of the above type with an appropriate gas turbine installation. There are proposals to drive the centrifugal fans by a gas turbine which replaces the steam turbine to use the combustion gases, after a certain expansion, in the gas turbine for ventilation by taking from an intermediate stage of an axial air compressor a stream of air which is then used as a wind. Other proposals have maintained the Cowper devices and still others have proposed various other forms of response.
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drivers.
Most of the proportions involve complicated cycles and some have used devices with two shafts. To be industrially profitable, it seems necessary that the installation with a gas turbine to supply the wind to a blast furnace must not only eliminate the Cowper apparatus but it must also have a ventilation characteristic as good as that the steam turbo-fan currently in use. In addition, its performance characteristics for partial load operation must be good and the installation must be able to operate smoothly and as simply as possible.
The subject of the invention is also an installation with a gas turbine for ventilating a blast furnace and comprising a rotary air compressor, a heat exchanger through which the non-subdivided flow of the compressor passes, an air turbine in the compressor. which a first air stream, taken from said flow, is expanded, an air heater with direct continuous operation and under pressure to which this air stream is supplied after expansion and which supplies the hot compressed wind for the top -four furnace, a first combustion chamber to which the air, intended to support combustion, is supplied by a second current of air taken from the flow of the compressor, this first chamber delivering hot gases which pass through the heater. air to give off heat to the first draft,
a second combustion chamber, established in series with the first chamber and with the air heater downstream of these, a gas turbine through which the combustion gases coming from the two combustion chambers pass, a throttled air flow also taken from the compressor flow and which is expanded in the gas turbine and which is then fed with the expanded combustion gases to the hot gas inlet of the front heat exchanger to escape, a rotary compressor for the gaseous fuel and whose flow is divided between the two combustion chambers and a common shaft on which are mounted the compressors for air and for gas as well as the turbines for air and for gas, said turbines driving the compressors.
The accompanying drawings show, by way of examples, some embodiments of the invention.
Fig. 1 shows, schematically, the cycle of an installation with a gas turbine for the ventilation of a blast furnace and comprising an air heater at atmospheric pressure.
Fig. 2 shows, similarly, a similar cycle from several points of view but for which the air heater is smaller.
Fig. 3 shows, similarly, a similar installation but which differs from those of figso l and 2 in that it has two combustion chambers, an air heater operating under pressure while a stream of diluting air is supplied to the gas turbine
Fig. 4 shows an installation similar to that of FIG. 3 but for which the second combustion chamber occupies another location.
Fig. 5 shows, schematically, the cycle of an installation with a gas turbine to supply hot air at a pressure of several atmospheres, this air being able to be used for certain industrial chemical treatments; this installation does not include an air turbine like that which forms part of the installations shown in the preceding figures.
For the installation shown in fig. 1 Atmospheric air is compressed in the rotary compressor 1 after having first passed through the heat receiving side of a heat exchanger 2. Downstream of this compressor the air stream is divided into two parts , one flowing through line 3 before being expanded in turbine 4. The other stream is brought through line 5 to form the air intended to support combustion in a combustion chamber 6. The first current is heated in the tubes forming part of the heater 7 which is of the indirect combustion type.
This
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The heater preferably comprises a bundle of tubes housed in a box, the air to be heated passing through the tubes and receiving heat by the combustion of a fuel in said box but outside the tubes. Such air heaters are used, for example, for installations with closed cycle gas turbines. By expanding the heated air in the turbine 4, the torque is provided which is used to drive the compressor 1.
The air leaving the turbine is heated in the tubes of the indirect air heater which is the one referred to above or which may be separate from it, the heater taking place up to the temperature necessary for the supplied wind. to the blast furnace via duct 8.
The second air stream taken from the flow of the compressor is used to maintain the direct combustion of the fuel in the chamber 6 and the hot gases thus produced are brought to a gas turbine 11 wedged on the same shaft as the group formed by the air compressor 1 and by the air turbine 4. The exhaust of the gas turbine 11 is brought through a duct to the air heater box in which it contributes to the heat input. It is possible that this exhaust is still suitable for combustion maintenance.
The installation is supplied by gas supplied by the blast furnace and which, after having been purified, is brought to the rotary compressor 9 for the gas in which it is compressed before being brought to the combustion chamber. 6 to be burned in this one. A separate supply of gas from the blast furnace is introduced into the air heater box through port 19 while fresh air, intended to support combustion of this gas, is introduced through port. orifice 20. The combustion products leaving the air heater escape through duct 17 and are used
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at the inlet in of the heat exchanger 1? oür- chal1ffer-préâblëmên't Id de- Di t "â; atr: -" tgtaî -r 'ttfti1' Opr ", compressor 1.
The dimensions of the air heater can be considerably reduced if one eliminates the part by which it supplies heat to the current intended to form the wind before the expansion of this current in the turbine 4. The installation shown on Fig. 2 has been modified in this direction.
The flow of the air compressor, before being subdivided into separate streams, passes through the heat receiver side of the exchanger 2. Immediately after this flow is split so that it can flow through ducts 3 and 5 respectively. air heater is therefore no longer necessary, but even under these conditions the heater, operating at atmospheric pressure, is necessarily bulky so that its construction and assembly are expensive. These drawbacks are avoided when adopting the modified installations shown in Figs. 3 to 5.
We see in fig. 3 that the main characteristics of the installations, described above, have been retained, but that the combustion gases coming from chamber 6 now form a source of heat for the air heater 7. These gases are at a pressure and at a high temperature so that the air heater operates under pressure. It can, therefore, have dimensions significantly smaller than the heaters discussed above. An additional combustion chamber 10 is established downstream of the chamber 6 and of the air heater 7, in series therewith.
An excess of air over that required for combustion is supplied to chamber 6 so that additional gaseous fuel introduced into chamber 10 is burned therein. The hot gases coming from this chamber as well as from the chamber 6 are expanded in the turbine 11 and the latter's exhaust passes through the heat exchanger 2.
To improve the efficiency of the installation when it is operating at reduced load, a bypass duct 12 is used. Using this, another air stream is taken at the compressor flow rate. sor and is brought either to the combustion chamber 10 or downstream thereof to the duct which brings the combustion gases to the turbine to
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gas 11. This last arrangement is shown in figo 3. The bv-pass current can be throttled at. using the valve or butterfly 13 so that the flow of diluent air passing through bypass 12 can be adjusted as desired.
Fig. 4 shows an installation similar to the previous one but which is slightly modified in the sense that the second combustion chamber, designated in this case by 10a, is no longer in the direct path of the flowing gases. from the combustion chamber 6, via the air heater 7, to the turbine 11. This chamber 10a, on the contrary, occupies a location such that it receives fresh air directly, serving for the maintenance of combustion, via the bypass duct 12.
The products of combustion as well as any excess air are brought to the inlet of the gas turbine 11 as explained above.
The installation established according to fig 3 or 4 operates with the choke, the valve or the butterfly 13 wide open while the combustion chamber 10 or 10a is inactive when the installation is operating at partial load while the temperature of the wind is blowing. should remain at a high value, for example 650. If diluent air is not supplied to the gases entering the turbine 11, the gases leaving the combustion chamber are at a higher temperature than those which must be supplied to the turbine 11. The diluent air decreases the temperature. temperature of the gases supplied to the turbine to a degree easily adjustable by the throttle 13.
For full charge, the two combustion chambers 6 and 10 or 10a operate simultaneously.
In each case an additional flexibility is obtained for the operation because the temperature of the chamber 10 or 10a is made independent of that of the chamber 6. In addition, for a partial load, there is an imbalance between the cells. gas and air mass flow rates in the air heater 7 and this imbalance is opposed by the adjustable air flow passing through the bypass 120.An additional advantage, obtained for a partial load, is that the air;, being moved away from the air heater, reduces the losses due to the compressor on the gas inlet side of the heater so that the thermal efficiency of the installation can be maintained at a higher value than if we proceeded otherwise.
Another gain in efficiency can be obtained, for the installation of rod 3 or 4 by passing the air duct 3 through an additional heating coil established in the air heater before making it open into the turbine. air 4.
By using the two turbines 4 and 11, a significant advantage is obtained in this sense because the operating pressure of the gas turbine 11 is practically independent of the pressure required for the compressed air in the duct 8. It is thus possible to operate the installation with a low ventilation pressure, in the duct 8 and the gas turbine 11 can also operate with a maximum pressure ratio.
Compared to the installations proposed previously, the embodiments described with the aid of FIGS. 3 and 4 have considerable advantages. For example, one only needs to pass the required amount of air through the heater and in both cases the heater melts under pressure. Under these conditions, the dimensions of the air heater are greatly reduced compared to what should be done without it. By using an air heater at a pressure higher than atmospheric pressure, the need for the intervention of auxiliary fans for the introduction of the combustible mixture is eliminated.
For both embodiments, the gas turbine is driven directly by the combustion gases and its flow rate flows directly through the heat exchanger to the exhaust. The shape of its cycle is therefore not influenced by the heat exchanger. air heater so that the maximum temperature, which can be used, is in no way dependent on the construction of the heater. The useful mass flow rate, supplied by the duct 8, is approximately equal to the mass flow rate of the exhaust so that a higher thermal efficiency is obtained than that which could be achieved hitherto.
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It can be expected that the installation, shown schematically in fig. 5, finds numerous applications for certain chemical treatments for which compressed air, at elevated temperature, must be supplied at a pressure which varies between fairly close limits, for example between 4 and 5 atmospheres. This installation consists of an air compressor, a gas compressor and a turbine which are all mounted on the same shaft. The elements, shown in fig. 5, bear the same reference numerals as in the other figures.
It can be seen that the cycle is identical with the exception of the elimination of the air turbine 4 so that the pressures, on either side of the air heater, are approximately equal. As a result, much more economical materials can be used for the tubes of the air heater with a considerable reduction in stresses. When we bring in the usual temperatures, currently adopted for installations of this type, we can consider the use of ordinary stainless steel tubes for the air heater of fig 5.
It should be noted that the heat input, supplied by the combustion chamber, is generally regulated in an installation with a gas turbine by modifying the fuel supply. Such an adjustment is also adopted for the installations described above.