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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.