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La présente invention concerne un procédé de régla- ge d'une installation de turbine à gaz tournant à vitesse constante et comportant une chaudière à chaleur perdue montée à la sortie de la turbine.
De telles installations sont àvantageuses par exemple dans les cas où d'une part, on dispose d'une sour- ce de chalur perdue, par suite du fonctionnement d'une installation de turbine à gaz alors que la récupération de cette chaleur constitue un bénéfice d'exploitation, et où d'autre part, pour des raisons de fabrication, on a'besoin d'une certaine quantité de vapeur dont la pro- duction nécessiterait une installation spéciale de chau- dière.
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On peut combiner avantageusement, au point de vue économique, la récupération de la chaleur perdue et la production de la vapeur, à l'aide d'une installation de turbine à gaz avec chaudière à chaleur perdue.
Mais l'exploitation d'une telle installation de turbine à gaz avec chaudière à chaleur perdue entraîne des difficultés dès que l'une ou loutre des deux parties de cette installation, ou les deux, subissent une varia- tion de charge. Il peut arriver par exemple qu'une telle variation de charge réduise la quantité disponible de chaleur perdue, alors que la quantité de vapeur dont on a besoin reste constante. Mais il peut également arriver que les périodes de consommation minimum de vapeur coin- cident avec les périodes de charge maximum de l'installa- tion de turbine à gaz. Dans la pratique, on rencontre très fréquemment un état de fonctionnement dans lequel la tur- bine fonctionne à une puissance très réduite, alors que les besoins de vapeur sont à peu près constants à la chau- dière à chaleur perdue.
Le maintien d'un fonctionnement économique dans ce cas de charge de l'installation, qui est'normalement particulièrement désavantageux, ainsi que dans d'autres cas de charge défavorables et analogues, constitue un problème technique difficile, si l'on consi- dère le fonctionnement au point de vue de l'ensemble de l'installation.
On a déjà proposé d'installer un foyer supplémen- taire spécial dans la chaudière à chaleur perdue.
Mais ce foyer supplémentaire rend l'installation plus onéreuse. De plus, avec le mécanisme de réglage qu'il nécessite, il la complique considérablement. Enfin, les canalisations et organes d'isolement qui sont nécessaires sont exposés à une charge thermique exceptionnellement élevée, ce qui constitue encore une difficulté.
On a essayé de résoudre le problème par une déri-
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vation contournant la turbine, mais on perd ainsi l'éner- . gie de pression contenue dans le fluide moteur, abstrac- tion faite des difficultés déjà mentionnées qui résultent de la présence de soupapes de dérivation dans un courant de gaz chaud.
La proposition consistant à dériver une partie du fluide moteur à partir d'un des premiers étages de la tur- bine vers la chaudière à chaleur perdue, constitue égale- ment un compromis non satisfaisant. Il faut prévoir ici encore des pertes thermo-dynamiques considérables, et les difficultés concernant les soupapes sont à peine inférieu- res à celles qui résultent d'une dérivation en amont de la turbine.
La présente invention évite les difficultés qu'on vient de décrire.
Cette invention consiste à faire échapper une par- tie du fluide de travail hors de la partie basse pression -du compresseur pour établir un fonctionnement de la tur- bine à charge réduite, et à réduire dans ce cas le débit ..de combustible assez fortement pour éviter de dépasser à l'intérieur de la turbine une certaine limite supérieure et admissible de la température.
Lorsque la diminution de charge de l'installation de turbine à gaz est relativement faible, on peut ainsi maintenir constante la température du fluide de travail à l'entrée dans la turbine, ce qui est relativement simple
Dans un autre cas de charge, il peut être suffisant de maintenir constante la température des gaz d'échappé-:' ment de la turbine.
Dans le cas d'une forte diminution de la charge, on a constaté au contraire qu'il convient de maintenir d'abord la température du fluide de travail constante à l'entrée dans la turbine au début de la diminution de char- ge, jusqu'à ce que la température des gaz d'échappement'
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se rapproche d'une limite supérieure, puis de maintenir . la température des gaz d'échappement constante pendant la suite de la diminution de la charge.
Le cas échéant, il est avantageux parfois de régler ' la température des gaz d'échappement en fonction de la charge.
Dans une installation de turbine à gaz, la présente invention consiste en un dispositif de réglage qui com- prend une canalisation de prélèvement partant de la partie basse pression du compresseur et munie d'un organe d'iso- lement, au moins un organe permettant de régler le débit de combustible envoyé au foyer, et au moins un émetteur d'impulsions influencé par la température du fluide de travail dans la zone de la turbine, cet émetteur étant relié fonctionnellement avec l'organe de réglage du débit de combustible, réduisant ce débit lorsqu'une certaine limite supérieure et admissible de température est dépas- sée, et inversement accroissant ce débit lorsqu'on tombe en-dessous d'une certaine limite inférieure de tempéra- ture.
Dans un mode de réalisation avantageux de la pré- sente invention, la turbine à gaz comporte un premier émetteur d'impulsions qui est actionné par la température du fluide de travail à l'entrée dans la turbine et qui est relié fonctionnellement avec un premier organe réglant le débit de combustible, ainsi qu'un deuxième émetteur d'impulsions actionné par la température du fluide de travail à la sortie de la turbine, relié fonctionnelle-, ment avec un deuxième organe réglant le débit de combus- tible, et situé en aval du premier organe de réglage dans le sens de la circulation du combustible.
Le premier et le deuxième émetteurs d'impulsions peuvent également être reliés fonctionnellement avec un seul organe de réglage du débit de combustible. Dans ce
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cas, une impulsion de fermeture émise par l'un des émet- teurs d'impulsions lorsqu'on atteint une limite supérieure et admissible de température, a un effet prédominant sur une impulsion d'ouverture provenant de l'autre émetteur d'impulsions.
Grâce à ce dispositif, tant que la température d'échappement de la turbine est inférieure à une certaine limite critique, le débit de combustible est réglé d'après la température à l'admission, tandis que, lorsque la tem- pérature des gaz d'échappement se rapproche d'une certaine limite critique par suite d'une détente moins poussée du fluide de.travail résultant elle-même d'une diminution de la charge, l'organe commandé par l'émetteur d'impulsions situé à l'échappement fonctionne alors, et réduit le dé- bit de combustible d'une façon correspondant à la tempéra- ture d'échappement, de façon telle qu'une impulsion oppo- sée éventuelle provenant du premier émetteur d'impulsions ne puisse pas être exécutée,
et inversement qu'une impul- sion d'étranglement provenant du premier émetteur d'impul- sions enlève tout effet à une impulsion opposée provenant du deuxième.
Les avantages de la présente invention comparati- vement aux propositions déjà connues, pour résoudre le problème posé ici, consistent dans le fait qu'on obtient le meilleur rendement thermodynamique possible de l'ins- tallation.
Le rendement à charge partielle de la turbine reste bon parce que la turbine fonctionne- à la température maxi- mum admissible, avec une quantité de fluide de travail réduite.
L'échappement d'une certaine quantité de fluide de travail hors d'un étage de prélèvement à basse pression du compresseur assure également un rendement relativement avantageux à charge partielle de cette machine, parce que
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la perte d'énergie lors du prélèvement, par exemple entre. le premier et deuxième étage, est faible, tandis que d'au- tre part, on évite de se rapprocher de la limite dite "de pompage" ce qui serait particulièrement dangereux dans le premier étage.
D'autre part, on conserve une chute de température suffisante pour la chaudière à chaleur perdue, ce qui est important, et cette chute de température peut même être encore augmentée, ce qui permet de maintenir la pression de vapeur.
Les pertes de cheminée diminuent en même temps que le débit de fluide de travail (si l'on admet à peu près les mêmes températures des gaz à la sortie de la chaudière à chaleur perdue dans la cheminée), ce qui améliole le ren, dément global de l'installation.
Enfin, les organes de réglage nécessaires se trou- vent dans la partie "froide", ce qui permet sans-difficulté d'obtenir un fonctionnement sûr de ces organes.
On décrira maintenant la présente invention à l'ai ' de d'un exemple de réalisation et du dessin ci-joint.
On voit sur ce dessin le compresseur 1 qui est monté sur le même arbre 3 que la turbine 2'., et qui est entraîné par cette turbine de même que la génératrice électrique 4.
Par la tubulure d'aspiration 16, le compresseur 1 aspire l'air qu'il envoie dans le foyer 6 par la tubulure de refoulement 5. Dans ce foyer, l'air et le combustible provenant de la canalisation 7 forment un mélange qui brûlé pour donner. un gaz chaud qui s'écoule dans la tubulure d'admission 8 de la turbine, pour quitter la turbine 2. par l'échappement 9 après avoir été détendu, et parcourir en- suite la chaudière à chaleur perdue 10.
Le compresseur 1 possède un prélèvement basse pres,-
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sion 11 muni d'un organe de fermeture 12.
Un émetteur d'impulsions 13 qui fonctionne d'après la température est monté à l'entrée 8 de la turbine, et un autre émetteur d'impulsions 13' est monté à la sortie
9 ; ces deux émetteurs sont reliés fonctionnellement avec les organes de réglage du combustible, 14 et 14', de l'ad mission de combustible 7.
L'installation décrite et le mécanisme de réglage de la présente invention fonctionnent de la façon suivan- te.
On supposera'que l'installation fonctionne au point de régime normal, c'est-à-dire avec une puissance de 100%. L'appareil utilisateur 4 de l'énergie de la tur- bine à gaz 2 produit de l'électricité, alors que la chau- dière à chaleur perdue 10 reçoit une quantité de chaleur qui est déterminée et à peu près constante, La vapeur pro duite dans la chaudière est évacuée par la canalisation de vapeur 15.
Si Ion veut dans ces conditions ramener la charge ..de la turbine 2 à 80% par exemple (par exemple par suite d'une diminution de la demande de puissance de la généra- trice électrique 4), on ouvre l'organe de fermeture 12 de la canalisation de prélèvement 11 du compresseur 1, et on laisse une partie du fluide de travail s'échapper dans l'atmosphère.
La diminution du débit de fluide de travail provo- que un excédent relatif de combustible, ce qui provoque à son tour une augmentation de la température à l'admis-, sion 8. Si l'on atteint ainsi une certaine température maximum admissible prescrite par avance, l'émetteur d'im- pulsions 13 qui fonctionne d'après la température réduit le débit de combustible en fonctionnant en liaison avec la soupape de réglage du combustible 14. Il en résulte que l'on évite de dépasser la limite admissible de tempé-
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rature, même si la charge continue à diminuer.
Quand la réduction de charge suivant ce procédé est importante, il y a également échauffement à la sortie 9 de. la turbine, et cet échauffement s'arrêt;également par sui- te de l'action combinée de l'émetteur d'impulsions 13' et de la soupape de réglage dé combustible 14', cet arrêt se produisant également à une température limite détermi- née d'avance.
Si les deux soupapes 14 et 14' sont montées en sé- rie, le débit d'admission de combustible est déterminé par la soupape dont l'ouverture est alors la plus faible. Si les deux émetteurs d'impulsions sont reliés à une seule et même soupape, le fonctionnement doit être tel qu'une impulsion d'étranglement ait la prédominance sur une im- pulsion d'ouverture.
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The present invention relates to a method of adjusting a gas turbine installation rotating at constant speed and comprising a waste heat boiler mounted at the outlet of the turbine.
Such installations are advantageous, for example in cases where, on the one hand, there is a lost source of heat, as a result of the operation of a gas turbine installation while the recovery of this heat constitutes a benefit. operation, and where on the other hand, for manufacturing reasons, a certain quantity of steam is required, the production of which would require a special boiler installation.
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From an economic point of view, the recovery of the waste heat and the production of steam can be advantageously combined with the aid of a gas turbine installation with a waste heat boiler.
However, the operation of such a gas turbine installation with a waste heat boiler gives rise to difficulties as soon as one or otter of the two parts of this installation, or both, undergo a load variation. It may happen, for example, that such a variation in load reduces the available quantity of waste heat, while the quantity of steam required remains constant. But it can also happen that the periods of minimum steam consumption coincide with the periods of maximum load of the gas turbine installation. In practice, a state of operation is very frequently encountered in which the turbine is operating at very low power, while the steam demand is almost constant at the waste heat boiler.
Maintaining economical operation in this load case of the plant, which is normally particularly disadvantageous, as well as in other unfavorable load cases and the like, is a difficult technical problem, when one considers. operation from the point of view of the entire installation.
It has already been proposed to install a special additional fireplace in the waste heat boiler.
But this additional focus makes the installation more expensive. In addition, with the adjustment mechanism it requires, it considerably complicates it. Finally, the pipes and isolating members which are necessary are exposed to an exceptionally high thermal load, which is still a difficulty.
We tried to solve the problem by
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vation bypassing the turbine, but the energy is thus lost. gie of pressure contained in the working fluid, apart from the difficulties already mentioned which result from the presence of bypass valves in a stream of hot gas.
The proposal consisting in diverting part of the working fluid from one of the first stages of the turbine to the waste heat boiler also constitutes an unsatisfactory compromise. Considerable thermodynamic losses must also be expected here, and the difficulties concerning the valves are hardly less than those which result from a bypass upstream of the turbine.
The present invention avoids the difficulties which have just been described.
This invention consists in causing part of the working fluid to escape from the low pressure part of the compressor to establish operation of the turbine at reduced load, and in this case to reduce the flow of fuel quite sharply. to avoid exceeding a certain upper and permissible temperature limit inside the turbine.
When the reduction in load of the gas turbine installation is relatively small, the temperature of the working fluid at the inlet to the turbine can thus be kept constant, which is relatively simple.
In another load case, it may be sufficient to keep the temperature of the exhaust gases from the turbine constant.
In the case of a strong reduction in the load, it has been observed, on the contrary, that the temperature of the working fluid should first be kept constant at the inlet to the turbine at the start of the reduction in load, until the exhaust gas temperature '
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gets closer to an upper limit, then hold. the exhaust gas temperature constant during the continuation of the decrease in load.
Where appropriate, it is sometimes advantageous to adjust the temperature of the exhaust gases according to the load.
In a gas turbine installation, the present invention consists of an adjustment device which comprises a bleed pipe from the low pressure part of the compressor and provided with an isolation member, at least one member allowing to adjust the fuel flow rate sent to the furnace, and at least one pulse transmitter influenced by the temperature of the working fluid in the turbine area, this transmitter being operatively connected with the fuel flow rate regulator, reducing this flow rate when a certain upper and admissible temperature limit is exceeded, and conversely increasing this flow rate when one falls below a certain lower temperature limit.
In an advantageous embodiment of the present invention, the gas turbine comprises a first pulse transmitter which is actuated by the temperature of the working fluid at the inlet to the turbine and which is operatively connected with a first member. regulating the fuel flow, as well as a second pulse transmitter actuated by the temperature of the working fluid at the outlet of the turbine, operatively connected with a second device regulating the fuel flow, and located in downstream of the first adjustment member in the direction of fuel flow.
The first and second pulse emitters can also be operatively linked with a single fuel flow regulator. In this
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In this case, a closing pulse emitted by one of the pulse emitters when an upper and permissible temperature limit is reached has a predominant effect on an opening impulse coming from the other pulse emitter.
Thanks to this device, as long as the exhaust temperature of the turbine is below a certain critical limit, the fuel flow is regulated according to the temperature at the inlet, while, when the temperature of the gases d The exhaust approaches a certain critical limit as a result of less expansion of the working fluid itself resulting in a decrease in load, the member controlled by the pulse transmitter located at the The exhaust then operates, and reduces the fuel flow in a manner corresponding to the exhaust temperature, such that a possible opposite pulse from the first pulse emitter cannot be executed,
and conversely that a throttle pulse from the first pulse emitter removes all effect from an opposing pulse from the second.
The advantages of the present invention compared to the proposals already known, for solving the problem posed here, consist in the fact that the best possible thermodynamic efficiency is obtained from the installation.
The partial load efficiency of the turbine remains good because the turbine operates at the maximum allowable temperature, with a reduced quantity of working fluid.
Exhausting a certain quantity of working fluid out of a low pressure bleed stage of the compressor also provides relatively advantageous efficiency at part load of this machine, because
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loss of energy during sampling, for example between. the first and second stage is weak, while on the other hand, approaching the so-called "pumping" limit is avoided, which would be particularly dangerous in the first stage.
On the other hand, a sufficient temperature drop is maintained for the waste heat boiler, which is important, and this temperature drop can even be further increased, which makes it possible to maintain the vapor pressure.
The chimney losses decrease at the same time as the flow of working fluid (if one admits approximately the same temperatures of the gases at the outlet of the waste heat boiler in the chimney), which improves the ren, denies overall installation.
Finally, the necessary adjustment members are located in the "cold" part, which makes it possible without difficulty to obtain safe operation of these members.
The present invention will now be described with reference to an exemplary embodiment and the accompanying drawing.
This drawing shows the compressor 1 which is mounted on the same shaft 3 as the turbine 2 '., And which is driven by this turbine as well as the electric generator 4.
Through the suction pipe 16, the compressor 1 sucks in the air which it sends into the fireplace 6 through the delivery pipe 5. In this fireplace, the air and the fuel coming from the pipe 7 form a mixture which is burnt. to give. a hot gas which flows in the inlet pipe 8 of the turbine, to leave the turbine 2 through the exhaust 9 after having been expanded, and then pass through the waste heat boiler 10.
Compressor 1 has a low pressure drawdown, -
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sion 11 provided with a closure member 12.
A pulse transmitter 13 which operates according to the temperature is mounted at the inlet 8 of the turbine, and another pulse transmitter 13 'is mounted at the outlet
9; these two transmitters are functionally connected with the fuel adjustment members, 14 and 14 ', of the fuel inlet 7.
The described installation and the adjustment mechanism of the present invention operate in the following manner.
It will be assumed that the installation is operating at normal operating point, that is to say with a power of 100%. The energy user device 4 of the gas turbine 2 produces electricity, while the waste heat boiler 10 receives a quantity of heat which is fixed and approximately constant. pump in the boiler is discharged through steam line 15.
If Ion wants under these conditions to reduce the load ... of the turbine 2 to 80% for example (for example due to a decrease in the power demand of the electric generator 4), the closure member is opened. 12 of the bleed pipe 11 of the compressor 1, and part of the working fluid is allowed to escape into the atmosphere.
The decrease in the flow rate of the working fluid causes a relative excess of fuel, which in turn causes an increase in the inlet temperature 8. If a certain maximum allowable temperature prescribed by In advance, the temperature dependent pulse transmitter 13 reduces the fuel flow by operating in conjunction with the fuel regulating valve 14. As a result, the allowable limit of temple-
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erases, even if the load continues to decrease.
When the load reduction according to this process is significant, there is also heating at the outlet 9 of. the turbine, and this heating stops; also as a result of the combined action of the pulse transmitter 13 'and of the fuel control valve 14', this stop also occurring at a determined limit temperature. - born in advance.
If the two valves 14 and 14 'are mounted in series, the fuel inlet rate is determined by the valve which then has the smallest opening. If both pulse transmitters are connected to one and the same valve, the operation must be such that a throttle pulse has predominance over an opening pulse.