"Procédé de production d'énergie" "Procédé de production d'énergie"
La présente invention est relative à un procédé de production d'énergie mécanique ou d'énergie électrique, dans lequel on utilise une turbine à gaz pour la conversion de l'énegie chimique existant dans un combustible.
Lorsqu'on utilise un fluide actif dans un moteur en vue de produire de l'énergie mécanique ou de l'énergie électrique au départ de l'énergie chimique contenue dans un combustible, le fluide actif est mis sous pression et, après combustion du combustible, l'énergie ainsi libérée du combustible est absorbée dans le fluide actif. Le fluide actif comportant l'énergie absorbée est ensuite soumis à expansion pour produire de l'énergie mécanique qui peut à son tour être utilisée pour entraîner une génératrice en vue de la production de l'énergie électrique. L'énergie non convertie est rejetée sous la forme de chaleur qui peut être récupérée et utilisée. Le rendement du moteur est à son maximum lorsque la température du fluide actif pénétrant dans l'étage d'expansion est également à son maximum.
Dans le cas de turbines à gaz, on utilise une compression d'air pour la phase de mise sous pression, et la combustion directe du combustible dans l'air comprimé constitue la phase d'addition d'énergie. L'expansion dans la turbine produit l'énergie mécanique et la chaleur non convertie est emmenée par l'échappement de la turbine. Le rendement de la turbine à gaz est à son maximum lorsque la température de combustion ellemême est maximale, et ceci se produit lorsque le combustible est brûlé en présence de l'air sous pression sous des conditions stoechiométriques, c'est-à-dire lorsqu'une quantité suffisante d'air est présente pour terminer la combustion mais sans excès quelconque.
Lorsqu'une huile combustible est brûlée avec de l'air sous des conditions stoechiométriques, la température résultante est toutefois d'environ 2205[deg.]C, ce qui dépasse les limites métallurgiques de la turbine. Il en résulte qu'il est nécessaire d'utiliser un excès important d'air dans la phase de combustion, qui agit comme diluant thermique et réduit la température des produits de combustion à environ 1093[deg.]C. La nécessité d'utiliser un excès important d'air sous pression crée à son tour une charge parasite importante sur le système, puisqu'une compression de l'air nécessite de l'énergie mécanique et réduit ainsi la puissance globale produite par le système, en réduisant aussi le rendement global de celui-ci.
Un autre désavantage des cycles des turbines à gaz existantes est que la phase de mise sous pression exige une compression de l'air. La compression d'un gaz est très inefficace puisqu'il faut de l'énergie mécanique qui est la forme la plus élevée d'énergie et se dégrade en énergie thermique. L'énergie mécanique nécessitée pour la compression de l'air pourrait être réduite en utilisant un refroidissement entre étages, c'est-à-dire en refroidissant la température de l'air comprimé entre les étages successifs d'un processus de compression à plusieurs étages. Toutefois, du point de vue du rendement global du cycle, on ne peut utiliser avantageusement un refroidissement entre étages que si la chaleur retirée de l'air comprimé dans le système de refroidissement intermédiaire peut être efficacement récupérée et utilisée.
Si la chaleur est simplement rejetée à l'atmosphère, le rendement global du cycle est en fait diminué, puisqu'il faut une consommation d'une quantité supplémentaire de combustible pour compenser l'énergie perdue à travers le système de refroidissement intermédiaire. En conséquence, plutôt que de rejeter simplement la chaleur, en pratique industrielle l'exigence d'une puissance élevée pour le compresseur a été tolérée tout en conservant la chaleur dans le courant d'air comprimé.
En outre, à la lumière des limitations précédentes, il est très désirable d'utiliser un turbo-moteur à gaz, car il est capable de fonctionner à la température la plus élevée des moteurs utilisant un fluide actif pour convertir de l'énergie chimique existant dans un combustible en énergie mécanique. Toutefois, du fait de la haute température d'échappement qui est inhérente à un turbo-moteur à gaz, le rendement du cycle est limité et il en résulte que l'échappement du moteur est utilisé comme source de chaleur pour faire fonctionner un autre moteur, tel qu'une turbine à vapeur, pour augmenter le rendement global de l'utilisation du combustible. Un tel système est appelé système cyclique mixte ou combiné et est largement utilisé dans l'industrie.
Une autre utilisation de l'énergie contenue dans l'échappement d'une turbine à gaz consiste à augmenter la vapeur surchauffée qui est réinjectée dans la chambre de combustion de la turbine à gaz, par exemple suivant le brevet des Etats-Unis d'Amérique no.
3.978.661. Une autre méthode encore consiste à préchauffer l'air quittant le compresseur en utilisant l'échappement du moteur et à utiliser simultanément le refroi-dissement entre étages durant la compression (voir Kent's Mechanical Engineers Handbook, 1950). Ces systèmes montrent des rendements globaux plus élevés en ce qui concerne l'utilisation de l'énergie chimique contenue dans un combustible, mais, comme on l'expliquera par la suite, ils sont de façon inhérente moins efficaces que le procédé de la présente invention.
Un cycle combiné ne peut pas tirer parti du refroidissement intermédiaire du compresseur à air, puisque la température de la chaleur rejetée dans le système de refroidissement intermédiaire du compresseur est trop faible pour être récupérée en vue d'une utilisation efficace, par exemple pour la production de vapeur d'eau. Une petite partie de cette chaleur peut être récupérée pour le préchauffage de l'eau d'alimentation à une chaudière, comme décrit par Agnet dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no.3.335.565, mais ceci a pour résultat qu'une plus grande quantité de chaleur est rejetée avec les gaz et ne donne que peu, s'il y en a, d'augmentation nette dans la récupération de chaleur ou le rendement du cycle. Récemment, on a proposé une injection directe d'eau dans le courant d'air à titre de moyen de refroidissement intermédiaire.
Toutefois, il y a deux désavantages à agir de la sorte. Un désavantage est que la température de l'air quittant la phase de refroidissement intermédiaire est limitée par le point de rosée de l'air saturé. En outre, par l'injection directe d'eau dans l'air dans le système de refroidissement intermédiaire, la vapeur d'eau ajoutée qui sert de diluant thermique doit être comprimée dans les étages successifs suivant le système de refroidissement intermédiaire, ce qui exclut d'assurer le plein avantage de la substitution de vapeur d'eau à titre de moyen permettant d'économiser l'énergie de compression.
Foote, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no.2.869.324, a décrit la vaporisation d'eau dans l'air comprimé après chauffage à la fois de l'air et de l'eau. Toutefois, ce moyen de vaporisation exige un niveau plus élevé de température pour atteindre un chargement utile de l'air en humidité, puisque l'air et l'eau quittent le système de vaporisation en équilibre entre eux. Cette méthode de vaporisation d'eau est moins efficace que la présente invention qui peut tirer avantage de l'air pénétrant dans l'appareil saturateur à de basses températures.
Le cycle de vapeur a une irréversibilité élevée inhérente puisque la vaporisation d'eau (production de vapeur) se produit à une température constante, tandis que la libération de chaleur se produit à des températures variables. Le diagramme de la Figure 1 montre la courbe de libération de chaleur et la ligne de vaporisation d'eau.
L'ordonnée donne la température et l'abscisse la chaleur cumulation. La ligne 1 est la courbe de libération de chaleur, la ligne 2 est la ligne de vaporisation d'eau pour l'irréversibilité minimale et la ligne 3 est la ligne de vaporisation d'eau (production de vapeur). Comme on peut le voir sur ce diagramme, avec la production de vapeur, une petite différence de température entre la source de chaleur et le fluide absorbant la chaleur ne peut pas être maintenue, ce qui mène à une irréversibilité élevée dans le système et, de ce fait, à un plus faible rendement.
Une installation à cycle combiné est également coûteuse car elle exige un turbo-générateur de vapeur supplémentaire, des collecteurs de vapeur, un condenseur par surface pour la condensation de l'échappement de la turbine à vapeur, et des tours de réfrigé-ration pour rejeter la chaleur depuis le condenseur par surface vers l'atmosphère.
Un cycle à injection de vapeur ne peut pas tirer plein parti du refroidissement intermédiaire du compresseur d'air pour les mêmes raisons que celles données pour un cycle combiné. En outre, ce cycle suppose la production de vapeur et, de ce fait, la même irréversibilité lui est associée que celle décrite pour un cycle combiné, bien qu'il y ait élimination du turbo-générateur de vapeur, du condenseur par surface et des tours de réfrigération, et une réduction de la charge parasite de compression d'air par remplacement d'une certaine quantité de l'air par de la vapeur d'eau. Ceci constitue une amélioration par rapport au cycle à injection d'eau décrit dans NASA Report No.
TR-981 intitulé "Theoretical Analysis of Various Thrust-Augumentation Cycles for Turbojet Engines", de B.L.Lundin, 1950, où de l'eau est injectée sous forme liquide directement dans la chambre de combustion. L'eau injectée remplace une certaine quantité de l'air diluant mais une irréversibilité énorme lui est associée. La vaporisation de l'eau liquide dans la chambre de combustion utilise de l'énergie provenant du combustible à la température la plus élevée, ce qui a pour résultat une réduction globale du rendement. En outre, avec le cycle à injection d'eau, la chaleur disponible en provenance de l'échappement de la turbine reste encore à utiliser.
La chaleur utilisée pour la production de vapeur dans un cycle à injection de vapeur est d'une qualité beaucoup plus élevée, à savoir le niveau de température, que ce n'est désirable. A titre d'exemple, normalement pour une turbine à gaz fonctionnant à un taux de compression de 11, la pression de vapeur nécessaire pour l'injection devrait être d'au moins 1,378 MPa. La température de saturation correspondante de la vapeur d'eau est de 194,4[deg.]C. Ceci exige qu'une source de chaleur soit disponible à des températures beaucoup plus élevées, et on peut utiliser de la chaleur ne descendant que jusqu'à 215[deg.]C pour éviter des marges déraisonnables de températures.
Le cycle de récupération à refroidissement intermédiaire utilise un tel refroidissement intermédiaire durant la phase de compression d'air et de l'air comprimé préchauffé en utilisant l'échappement de la turbine avant que l'air pénètre dans la chambre de combustion. Le taux de compression optimum pour ce cycle est d'environ 6 à 7. La chaleur libérée dans le système de refroidissement intermédiaire est totalement perdue à l'atmosphère. En outre, la température des gaz quittant le préchauffeur d'air est d'environ 260[deg.]C et la chaleur contenue dans ces gaz est totalement gaspillée. La totalité du diluant thermique est comprimée, ce qui mène à une charge parasite importante ayant pour résultat un mauvais rendement global du système.
La présente invention prévoit donc un procédé de production d'énergie mécanique ou d'énergie électrique au départ d'un combustible, en utilisant une turbine à gaz dans laquelle une partie ou la totalité de l'excès de l'air que l'on utilise comme diluant thermique et fluide actif est remplacé par de la vapeur d'eau. La vapeur d'eau est introduite dans le système d'une manière très efficace par pompage sous forme d'un liquide que l'on fait suivre par une vaporisation à base température. Le pompage d'un liquide exige très peu d'énergie mécanique comparativement à la compression d'un gaz
(air). En outre, la vaporisation de l'eau est réalisée en utilisant de la chaleur d'un faible niveau dans une opération d'humidification à plusieurs étages et à con-tre-courant.
L'air comprimé est refroidi durant la compression et avant son contact avec l'eau pour tirer un plein avantage de l'humidification à basse température de l'air comprimé, qui se produit par la suite. L'humidification en plusieurs étages permet à la température de l'air comprimé de suivre étroitement les températures du milieu chauffant, ce qui réduit au minimum les irréversibilités thermodynamiques.
Le procédé de la présente invention réduit donc la charge parasite de compression de l'air diluant et assure un cycle de production d'énergie thermiquement plus efficace. L'humidification de l'air comprimé mène également à une réduction des émissions d'oxyde d'azote, ce qui évidemment est un avantage important pour l'environnement. L'invention prévoit également les moyens pour humidifier l'air comprimé d'une manière efficace du point de vue thermodynamique, en utilisant un contact direct de l'air comprimé dans un saturateur, ce qui permet à l'air d'être humidifié avec de l'eau relativement froide et sans nécessité d'une chaudière à vapeur.
L'invention sera décrite plus complètement encore avec référence aux dessins non limitatifs annexés.
La Figure 1 est un diagramme dont il a été question précédemment. La Figure 2 est une représentation schématique du procédé de la présente invention utilisant un compresseur d'air à deux étages, accouplé axialement à une turbine.
Les Figures 3 et 4 sont des schémas concernant respectivement un système à étage unique et un système à plusieurs étages.
Si on se réfère à la Figure 2 des dessins, de l'air arrivant par une canalisation 1 est introduit dans le premier étage du compresseur d'air à deux éta-
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qui sont accouplés axialement en 4. L'air comprimé sortant du premier étage 2 par une canalisation 5 se trouve à une température d'environ 149 à 205[deg.]C et passe à travers l'échangeur de chaleur 6 où il subit un échange de chaleur avec l'eau passant par la canalisation 7. La température de l'air comprimé est ainsi réduite jusqu'à environ 4,5 à environ 121[deg.]C, normalement jusqu'à environ
21 à 60[deg.]C, et cet air comprimé est ensuite envoyé par la canalisation 8 au second étage 3 du compresseur d'air.
L'air comprimé sortant du compresseur d'air par la canalisation 10 se trouve à une température d'environ 149 à environ 205[deg.]C et passe à travers l'échangeur de chaleur 11 dans lequel il y subit un échange de chaleur avec l'eau passant par la canalisation 12. La température de l'air comprimé est ainsi réduite jusqu'à une valeur d'environ 4,5 à environ 121[deg.]C, normalement jusqu'à une valeur d'environ 46 à 66[deg.]C.
L'eau se trouvant dans la canalisation 7, après échange de chaleur dans l'échangeur de chaleur 6, est introduite dans la section supérieure du saturateur
15 à une température d'environ 149 à environ 205[deg.]C. A l'intérieur du saturateur, l'air et l'eau sont mis en contact à contre-courant dans plusieurs étages, ce qui améliore le rendement thermodynamique. La pression de fonctionnement du saturateur est d'environ 1,378 MPa et la température d'eau, à cette pression, est d'environ
165,5[deg.]C. L'eau restant après la vaporisation est enlevée du bas du saturateur 15 par la canalisation 16 et pompée en 17, de préférence à travers un échangeur refroidi par air 18 et la canalisation 19, soit vers la canalisation 7 et l'échangeur de chaleur 6, soit vers la canalisation 13 et 12 jusqu'à l'échangeur-de chaleur 11, suivant les désirs.
L'air humidifié sort du saturateur 15 par la canalisation 20 sous forme d'air essentiellement saturé à environ 121[deg.]C et il est envoyé à travers l'unité de récupération de chaleur 21 en échange de chaleur avec l'échappement de la turbine 22 pour préchauffer l'air saturé avant son introduction dans la chambre de combustion 24. Le combustible destiné à la combustion est introduit par la canalisation 25 et le produit gazeux ayant subi la combustion sort par la canalisation 26 pour entraîner une turbine 22. La turbine est accouplée axialement en 4 au compresseur d'air et également à la génératrice 30 de production d'énergie électrique.
Bien que le compresseur, la turbine et la génératrice aient été .décrits et illustrés comme étant accouplés sur un seul axe, il sera évident que l'on peut utiliser d'autres agencements, comme le comprendront aisément les spécialistes en ce domaine.
A l'intérieur de l'unité de récupération de chaleur 21, l'échappement chaud provenant de la turbine à gaz passe en relation d'échange de chaleur avec de l'eau pour chauffer cette eau jusqu'à la température appropriée pour l'humidification à l'intérieur du saturateur 15. C'est ainsi que de l'eau passant par la canalisation 21 peut être prélevée pour aller à l'unité de récupération de chaleur de la façon illustrée. En outre, on peut évidemment ajouter aussi de l'eau de complément par la canalisation 32 et grâce à la pompe 33, ce qui est nécessaire pour entretenir la quantité d'eau nécessaire dans le système.
Les résultats améliorés obtenus par l'invention sont dus à l'effet synergique qui existe en raison du fait que l'on a un refroidissement entre étages et une humidification d'air à contre-courant et à plu-sieurs étages. Sans refroidissement entre étages, la température de l'air quittant le compresseur serait beaucoup plus élevée, aux environs de 315 à 427[deg.]C, et la chaleur récupérée de l'air comprimé chaud pour l'humidification serait alors à une température beaucoup trop élevée pour pouvoir être utilisée de la façon efficace pour l'humdificateur. Cette utilisation de chaleur d'un plus haut niveau, au lieu de la chaleur de bas niveau, introduit une irréversibilité importante et réduit de la sorte le rendement global du système.
Avec un refroidissement entre étages, par contre, la température de l'air quittant le compresseur est beaucoup plus basse, aux environs de 149 à 205[deg.]C, et la chaleur récupérée de cet air comprimé pour l'humidification constitue la chaleur de faible niveau qui est de la qualité préférée pour l'humidification. L'irréversibilité dans le système est ainsi réduite au minimum, ce qui a pour résultat un rendement global élevé pour le système, rendement qui est nettement plus élevé que celui de tout autre cycle d'énergie développé jusqu'à présent.
En outre, en refroidissant préalablement l'air comprimé avant qu'il entre dans l'humidificateur à contre-courant et à plusieurs étages, la température de l'eau quittant l'humidificateur est diminuée, ce qui permet de récupérer de la chaleur de faible niveau depuis les diverses sources, telles que le système de refroidissement intermédiaire et les gaz sortant du préchauffeur d'air humidifié (dans l'échappement de la turbine).
L'utilisation d'un humidificateur à contre-courant et à plusieurs étages permet l'apport de vapeur d'eau dans l'air comprimé d'une manière beaucoup plus efficace que ce n'est possible avec un appareil de contact à un seul étage. A titre d'exemple, on peut considérer le système à un seul étage de la Figure 3. L'ap-pareil de contact à un seul étage 100 (pression absolue de 1,378 MPa) reçoit 100 moles d'air par heure à 49[deg.]C par 101 et 4403 litres d'eau/heure à 138[deg.]C par 102. L'air humidifié sort par 103 à 118[deg.]C (0,04 litre de H20/litre d'air humidifié), de l'eau sortant par 104 à
118[deg.]C.
On peut considérer ces mêmes admissions d'eau et d'air à un appareil de contact à plusieurs étages suivant la Figure 4 (dans le cas en cause, il y a cinq étages).
L'air entre en 105 (100 moles d'air/heure) à 49[deg.]C et l'eau entre par 106 (4303 litre d'eau/heure à
138[deg.]C. L'air humidifié sort en 107 à 131,6[deg.]C (0,067 litre de H20/litre d'air humidifié), de l'eau sortant à
105[deg.]C par 108.
Il sera évident que le système à plusieurs étages offre des avantages importants du fait qu'il extrait 66820 W de chaleur en plus à partir de l'eau chaude pour atteindre 70% en plus d'humidification de l'air. Pour atteindre le même niveau d'humidification dans un seul étage, il faudrait ou bien augmenter la quantité d'eau de 4303 litres/heure jusqu'à 21562 litres/heure, ou bien augmenter la température de l'eau entrante de
138[deg.]C à 164,4[deg.]C et la température d'eau de sortie de
105[deg.]C à 131,6[deg.]C. L'ajoute d'étages supplémentaires permettrait des réductions encore plus grandes du débit ou de la température d'eau chaude d'entrée. A titre de variante de ce qui précède, l'eau quittant le système peut être extraite à une température plus basse. Les avantages pour le rendement du cycle seront évidents pour les spécialistes en ce domaine.
Le procédé de la présente invention peut être utilisé conjointement avec des installations de co-production, si on le désire, suivante lesquelles une partie de la chaleur de l'échappement de la turbine à gaz est utilisée pour produire de la vapeur d'eau par incorporation d'un serpentin à vapeur et de l'installation associée. De la sorte, comme le comprendront les spécialistes en ce domaine, le cycle de puissance ou énergie de la présente invention peut être utilisé à un degré plus élevé que d'autres cycles dans l'intégration à une installation produisant des quantités importantes de chaleur d'un faible niveau de température, telle qu'une installation de gazéification du charbon ou une installation géothermique, ou dans une installation utilisant des turbines de réchauffage, puisque l'humidification peut être atteinte à de telles basses températures.
Dans ce dernier cas, la première turbine fonctionnerait à une pression élevée à laquelle une expansion partielle se produirait, un combustible supplémentaire serait brûlé dans une seconde chambre de combustion, et les gaz chauds seraient détendus jusqu'au voisinage de la pression atmosphérique dans la seconde turbine.
Comme mentionné précédemment et comme cela apparaîtra de la decription précédente, le procédé de la présente invention élimine le cycle complet de vapeur d'eau qui comprendrait le turbo-générateur de vapeur, les collecteurs de vapeur, le condenseur par surface et les tours de réfrigération que l'on utilise dans le procédé cyclique combiné. Ceci mène évidemment à une réduction importante des investissements pour le procédé.
Un autre avantage majeur du présent procédé est une amélioration importante du rendement thermique. Une comparaison des rendements thermiques calculés et des consommations de chaleur pour des installations utilisant le présent procédé, avec les rendements calculés et les consommations de chaleur pour une installation traditionnelle à cycle combine est présentée par la Tableau I. Il est à noter que le rendement de l'installation à cycle combiné a plus d'influence sur les dimensions de l'installation en raison du cycle de vapeur associé. Les données publiées par la General Electric Company indiquent que le rendement pour le cycle combiné va d'environ 39,1% à 44,8% pour des installations allant de 70 MW à 600 MW.
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En considérant le tableau précédent, on verra que l'amélioration de rendement par rapport à une installation à cycle combiné est importante. Le cas d'une installation utilisant des turbines de réchauffage, dans laquelle on atteint un rendement de 53,5%, se situe dans la gamme des rendements pour les piles à combustible, en n'exigeant que des moyens mécaniques basés sur une technologie existante, plutôt que le développement de matières étrangères ou d'une nouvelle chimie. Avec des températures plus élevées de combustion dans les turbines à gaz, le rendement du procédé serait encore accru.
Dans le Tableau II, on présente une comparaison du nouveau procédé suivant l'invention avec d'autres-cycles.
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Comme cela apparaît du Tableau précédent, le rendement du cycle est nettement supérieure à celui de tout autre cycle.
On appréciera encore l'amélioration du rendement thermique de la façon suivante. Dans une installation de production d'énergie de 500 MW, avec un cycle combiné, le combustible nécessaire
<EMI ID=7.1>
Avec le cycle amélioré, le combustible nécessaire
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De ce fait, les économies en combustible avec le cycle de puissance amélioré
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Ceci correspond à une économie annuelle (à un coût de
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Le procédé de la présente invention peut également être utilisé pour convertir une chaleur de faible niveau provenant d'une autre installation, telle qu'une installation de gazéification ou une raffinerie en énergie mécanique ou en énergie électrique, avec un rendement beaucoup plus élevé que par d'autres méthodes. Le combustible utilisé dans le moteur à gaz sert à améliorer la chaleur de faible niveau récupérée. C'est ainsi que, par exemple, lorsque la chaleur de faible niveau récupérée par préchauffage de l'eau de circulation de l'humidificateur, de l'ordre de 149 à 60[deg.]C au départ d'une installation de gazéification est convertie en énergie électrique, le rendement effectif de conversion atteint environ 30%.
Le rendement thermique du procédé de la présente invention a également été comparé avec le rendement du procédé sans le système de refroidissement intermédiaire 6 pour démontrer l'importance du refroidissement intermédiaire dans l'amélioration du rendement. On a constaté que dans ce cas le rendement thermique n'est que de 45%, ce qui est une diminution significative. En outre, le rendement thermique a été calculé en omettant le système de refroidissement postérieur 11 dans le procédé et on a constaté que le rendement est légèrement inférieur, c'est-à-dire d'environ 48%.
De la sorte, bien que l'appareil de refroidissement postérieur soit- utile pour réduire encore la température de l'air comprimé avant l'humidification par rapport à ce que l'on peut atteindre en utilisant le système de refroidissement intermédiaire seul, et dans les cas où le procédé amélioré de l'invention est intégré à une autre installation, telle qu'une raffinerie ou une gazéification de charbon, comme le comprendront les spécialistes en ce domaine, ce système de refroidissement postérieur apporte une valeur déterminée, en augmentant d'environ 1% le rendement du cycle.
Toutefois, son utilisation n'est pas absolument nécessaire et ce système peut être omis du procédé de l'invention, si on le désire, en considérant le choix entre la chute de pression supplémentaire dans le système de refroidissement postérieur et l'augmentation de la quantité de chaleur récupérée.
La norme d'efficacité de conversion d'une telle chaleur de faible niveau peut être calculée suivant le brevet des Etats-Unis d'Amérique no.4.085.591, suivant lequel un gaz sous pression, par exemple de l'air, est humidifié dans une chambre de pulvérisation et détendu à travers une turbine à gaz pour tirer parti du volume spécifique plus élevé d'air humidifié. Le rendement résultant avec ce système est inférieur à 5%. En outre, il y a un certain nombre de désavantages inhérents. Pour produire des quantités appréciables d'énergie, il faut une très grande installation puisque la pression du système est limitative. Ce système ne peut pas "améliorer" l'énergie de faible niveau récupérée puisqu'il ne peut pas être utilisé conjointement à un moteur à gaz.
On comprendra de la description précédente que, avec une humidification à contre-courant et à plusieurs étages, de l'énergie chimique ou une chaleur de faible niveau complétée par de l'énergie chimique peut être-convertie en énergie mécanique ou en énergie électrique à un rendement très élevé. On comprendra également que des avantages importants pour l'environnement résulteront du procédé de la présente invention, notamment la conservation des ressources en énergie et la réduction de la pollution thermique du fait du rendement plus élevé, une réduction de la consommation d'eau, en particulier comparativement au cycle combiné ou au cycle à injection de vapeur, et une réduction des émissions d'oxydes d'azote.
Avec les installations à cycle combiné, la vapeur doit être injectée dans la chambre de combustion pour réduire de telles émissions, ce qui à son tour mène à une diminution du rendement, ce qui est par contre surmonté par la présente invention.
A la lumière de la description précédente, certaines variations et modifications du procédé de la présente invention pourront être évidentes pour les spécialistes en ce domaine. C'est ainsi que, par exemple, on peut utiliser une série de systèmes de refroidissement intermédiaire, ainsi que plus de deux étages de compression d'air. En outre, l'air d'admission au compresseur peut être refroidi en utilisant un système de réfrigération pour améliorer à la fois le rendement et la capacité du système. L'air quittant le système de refroidissement intermédiaire peut également être refroidi encore en utilisant le système de réfrigération et l'eau du saturateur peut aussi être préalablement refroidie, en utilisant un système de réfrigération, avant de pénétrer dans le système de refroidissement intermédiaire.
En outre, on peut utiliser des saturateurs de conception autres que celui illustré, par exemple une conception suivant laquelle l'eau serait introduite en plusieurs endroits.
En conséquence, il doit être entendu que de telles modifications et variantes doivent être considérées comme restant dans le cadre de la présente invention.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de production d'énergie en utilisant une turbine à gaz, comprenant l'humidification d'air comprimé au cours d'une circulation à contre-courant et à plusieurs étages avant la combustion, pour fournir de la vapeur d'eau à titre de diluant thermique pour la combustion dans cette turbine, cette eau se trouvant à une température inférieure à son point d'ébullition à la pression opératoire lorsqu'elle est en contact avec l'air comprimé susdit, celui-ci étant amené à passer en relation d'échange de chaleur avec l'eau avant l'humidification, de manière que la température de l'eau soit augmentée et que la température du gaz comprimé soit diminuée.
"Energy production process" "Energy production process"
The present invention relates to a method for producing mechanical energy or electrical energy, in which a gas turbine is used for the conversion of the chemical energy existing in a fuel.
When an active fluid is used in an engine to produce mechanical energy or electrical energy from the chemical energy contained in a fuel, the active fluid is pressurized and, after combustion of the fuel , the energy thus released from the fuel is absorbed in the active fluid. The active fluid comprising the absorbed energy is then expanded to produce mechanical energy which can in turn be used to drive a generator for the production of electrical energy. Unconverted energy is released as heat which can be recovered and used. The efficiency of the engine is at its maximum when the temperature of the active fluid entering the expansion stage is also at its maximum.
In the case of gas turbines, air compression is used for the pressurization phase, and direct combustion of the fuel in the compressed air constitutes the energy addition phase. The expansion in the turbine produces mechanical energy and the unconverted heat is taken away by the turbine exhaust. The efficiency of the gas turbine is at its maximum when the combustion temperature itself is maximum, and this occurs when the fuel is burned in the presence of air under pressure under stoichiometric conditions, that is to say when 'A sufficient amount of air is present to complete the combustion but without any excess.
When a combustible oil is burned with air under stoichiometric conditions, however, the resulting temperature is about 2205 [deg.] C, which exceeds the metallurgical limits of the turbine. As a result, it is necessary to use a large excess of air in the combustion phase, which acts as a thermal diluent and reduces the temperature of the combustion products to around 1093 [deg.] C. The need to use a large excess of pressurized air in turn creates a large parasitic load on the system, since compression of the air requires mechanical energy and thus reduces the overall power produced by the system, by also reducing the overall yield thereof.
Another disadvantage of existing gas turbine cycles is that the pressurization phase requires air compression. Compression of a gas is very inefficient since it requires mechanical energy which is the highest form of energy and degrades into thermal energy. The mechanical energy required for air compression could be reduced by using inter-stage cooling, i.e. by cooling the temperature of the compressed air between successive stages of a multi-stage compression process. floors. However, from the point of view of the overall efficiency of the cycle, it is advantageous to use inter-stage cooling only if the heat removed from the compressed air in the intermediate cooling system can be efficiently recovered and used.
If the heat is simply discharged to the atmosphere, the overall efficiency of the cycle is actually reduced, since an additional amount of fuel is consumed to compensate for the energy lost through the intercooling system. Consequently, rather than simply rejecting the heat, in industrial practice the requirement of high power for the compressor has been tolerated while retaining the heat in the compressed air stream.
In addition, in light of the above limitations, it is highly desirable to use a gas turbo engine, as it is capable of operating at the highest temperature of engines using an active fluid to convert existing chemical energy in a fuel in mechanical energy. However, due to the high exhaust temperature that is inherent in a gas turbo engine, cycle efficiency is limited and this results in the engine exhaust being used as a heat source to operate another engine. , such as a steam turbine, to increase the overall efficiency of fuel use. Such a system is called a mixed or combined cyclic system and is widely used in industry.
Another use of the energy contained in the exhaust of a gas turbine consists in increasing the superheated steam which is reinjected into the combustion chamber of the gas turbine, for example according to the patent of the United States of America no.
3,978,661. Yet another method is to preheat the air leaving the compressor using the engine exhaust and simultaneously use inter-stage cooling during compression (see Kent's Mechanical Engineers Handbook, 1950). These systems show higher overall yields with respect to the use of the chemical energy contained in a fuel, but, as will be explained later, they are inherently less efficient than the process of the present invention. .
A combined cycle cannot take advantage of the intercooling of the air compressor, since the temperature of the heat discharged into the intercooling system of the compressor is too low to be recovered for efficient use, for example for production water vapor. A small portion of this heat can be recovered for preheating feed water to a boiler, as described by Agnet in U.S. Patent No. 3,335,565, but this results in that more heat is released with the gases and gives little, if any, net increase in heat recovery or cycle efficiency. Recently, direct injection of water into the air stream has been proposed as an intermediate cooling means.
However, there are two disadvantages to doing so. A disadvantage is that the temperature of the air leaving the intermediate cooling phase is limited by the dew point of the saturated air. In addition, by direct injection of water into the air into the intermediate cooling system, the added water vapor which serves as a thermal diluent must be compressed in successive stages following the intermediate cooling system, which excludes ensure the full benefit of substituting water vapor as a means of saving compression energy.
Foote, in U.S. Patent No. 2,869,324, described the vaporization of water in compressed air after heating both air and water. However, this means of vaporization requires a higher level of temperature to achieve a useful load of air in humidity, since the air and the water leave the vaporization system in equilibrium between them. This method of spraying water is less effective than the present invention which can take advantage of the air entering the saturator at low temperatures.
The vapor cycle has an inherent high irreversibility since the vaporization of water (production of steam) occurs at a constant temperature, while the release of heat occurs at variable temperatures. The diagram in Figure 1 shows the heat release curve and the water vaporization line.
The ordinate gives the temperature and the abscissa the cumulative heat. Line 1 is the heat release curve, line 2 is the water vaporization line for minimum irreversibility and line 3 is the water vaporization line (steam production). As can be seen in this diagram, with steam production, a small temperature difference between the heat source and the heat absorbing fluid cannot be maintained, which leads to high irreversibility in the system and, this fact, at a lower yield.
A combined cycle installation is also expensive because it requires an additional turbo-steam generator, steam collectors, a surface condenser for condensing the steam turbine exhaust, and cooling towers to discharge heat from the surface condenser to the atmosphere.
A steam injection cycle cannot take full advantage of the intermediate cooling of the air compressor for the same reasons as those given for a combined cycle. In addition, this cycle supposes the production of steam and, therefore, the same irreversibility is associated with it as that described for a combined cycle, although there is elimination of the turbo-steam generator, the condenser by surface and the cooling towers, and a reduction in the parasitic charge of air compression by replacing a certain quantity of air with water vapor. This is an improvement over the water injection cycle described in NASA Report No.
TR-981 entitled "Theoretical Analysis of Various Thrust-Augumentation Cycles for Turbojet Engines", by B.L. Mondin, 1950, where water is injected in liquid form directly into the combustion chamber. The injected water replaces a certain quantity of diluting air but an enormous irreversibility is associated with it. The vaporization of liquid water in the combustion chamber uses energy from the fuel at the highest temperature, which results in an overall reduction in efficiency. In addition, with the water injection cycle, the heat available from the turbine exhaust remains to be used.
The heat used for steam generation in a steam injection cycle is of a much higher quality, namely the temperature level, than is desirable. For example, normally for a gas turbine operating at a compression ratio of 11, the vapor pressure required for injection should be at least 1.378 MPa. The corresponding saturation temperature of water vapor is 194.4 [deg.] C. This requires that a heat source be available at much higher temperatures, and heat as low as 215 [deg.] C can be used to avoid unreasonable temperature ranges.
The intercooled recovery cycle uses such intercooling during the compression phase of air and preheated compressed air using the exhaust from the turbine before air enters the combustion chamber. The optimum compression ratio for this cycle is approximately 6 to 7. The heat released into the intercooling system is completely lost to the atmosphere. In addition, the temperature of the gases leaving the air preheater is around 260 [deg.] C and the heat contained in these gases is completely wasted. All of the thermal diluent is compressed, leading to a large parasitic load resulting in poor overall system performance.
The present invention therefore provides a method of producing mechanical energy or electrical energy from a fuel, using a gas turbine in which part or all of the excess air which is uses as thermal diluent and active fluid is replaced by water vapor. Water vapor is introduced into the system in a very efficient manner by pumping in the form of a liquid which is followed by vaporization at a low temperature. Pumping a liquid requires very little mechanical energy compared to compressing a gas
(air). In addition, the vaporization of water is achieved using low level heat in a multi-stage, counter-current humidification operation.
Compressed air is cooled during compression and before contact with water to take full advantage of the low temperature humidification of compressed air, which occurs afterwards. Multi-stage humidification allows the temperature of the compressed air to closely monitor the temperatures of the heating medium, which minimizes thermodynamic irreversibilities.
The method of the present invention therefore reduces the parasitic load of compression of the diluent air and ensures a more efficient thermally efficient energy production cycle. The humidification of compressed air also leads to a reduction in nitrogen oxide emissions, which obviously is an important advantage for the environment. The invention also provides the means for humidifying the compressed air in a thermodynamically efficient manner, using direct contact of the compressed air in a saturator, which allows the air to be humidified with relatively cold water without the need for a steam boiler.
The invention will be described more completely still with reference to the accompanying non-limiting drawings.
Figure 1 is a diagram discussed above. Figure 2 is a schematic representation of the process of the present invention using a two-stage air compressor, axially coupled to a turbine.
Figures 3 and 4 are diagrams relating respectively to a single-stage system and a multi-stage system.
Referring to Figure 2 of the drawings, air arriving through line 1 is introduced into the first stage of the two-stage air compressor
<EMI ID = 1.1>
which are axially coupled at 4. The compressed air leaving the first stage 2 through a pipe 5 is at a temperature of about 149 to 205 [deg.] C and passes through the heat exchanger 6 where it undergoes a heat exchange with water passing through line 7. The temperature of the compressed air is thus reduced to about 4.5 to about 121 [deg.] C, normally up to about
21 to 60 [deg.] C, and this compressed air is then sent via line 8 to the second stage 3 of the air compressor.
The compressed air leaving the air compressor through line 10 is at a temperature of about 149 to about 205 [deg.] C and passes through the heat exchanger 11 in which it undergoes heat exchange with the water passing through line 12. The temperature of the compressed air is thus reduced to a value of approximately 4.5 to approximately 121 [deg.] C, normally up to a value of approximately 46 at 66 [deg.] C.
The water in the pipe 7, after heat exchange in the heat exchanger 6, is introduced into the upper section of the saturator
15 at a temperature of about 149 to about 205 [deg.] C. Inside the saturator, air and water are brought into contact against the current in several stages, which improves the thermodynamic efficiency. The operating pressure of the saturator is approximately 1.378 MPa and the water temperature, at this pressure, is approximately
165.5 [deg.] C. The water remaining after vaporization is removed from the bottom of the saturator 15 by the line 16 and pumped at 17, preferably through an air-cooled exchanger 18 and the line 19, either to the line 7 and the heat exchanger 6 , or towards the pipe 13 and 12 to the heat exchanger-11, as desired.
The humidified air leaves the saturator 15 through the pipe 20 in the form of essentially saturated air at around 121 [deg.] C and it is sent through the heat recovery unit 21 in exchange for heat with the exhaust of the turbine 22 for preheating the saturated air before it is introduced into the combustion chamber 24. The fuel intended for combustion is introduced via the line 25 and the gaseous product having undergone combustion leaves via the line 26 to drive a turbine 22. The turbine is coupled axially at 4 to the air compressor and also to the generator 30 for producing electrical energy.
Although the compressor, the turbine and the generator have been described and illustrated as being coupled on a single axis, it will be obvious that other arrangements can be used, as specialists in this field will readily understand.
Inside the heat recovery unit 21, the hot exhaust coming from the gas turbine passes into heat exchange relation with water to heat this water to the temperature suitable for the humidification inside the saturator 15. This is how water passing through the line 21 can be taken to go to the heat recovery unit as illustrated. In addition, it is obviously also possible to add additional water through the pipe 32 and thanks to the pump 33, which is necessary to maintain the amount of water required in the system.
The improved results obtained by the invention are due to the synergistic effect which exists due to the fact that there is cooling between stages and humidification of air against the current and in several stages. Without inter-stage cooling, the temperature of the air leaving the compressor would be much higher, around 315 to 427 [deg.] C, and the heat recovered from the hot compressed air for humidification would then be at a temperature much too high to be used effectively for the humidifier. This use of higher level heat, instead of lower level heat, introduces significant irreversibility and thereby reduces the overall efficiency of the system.
With inter-stage cooling, on the other hand, the temperature of the air leaving the compressor is much lower, around 149 to 205 [deg.] C, and the heat recovered from this compressed air for humidification constitutes the heat. low level which is of the preferred quality for humidification. Irreversibility in the system is thus minimized, resulting in a high overall efficiency for the system, which is significantly higher than that of any other energy cycle developed to date.
In addition, by pre-cooling the compressed air before it enters the multi-stage counter-current humidifier, the temperature of the water leaving the humidifier is lowered, allowing heat to be recovered from low level from various sources, such as the intercooling system and gases exiting the humidified air preheater (in the turbine exhaust).
The use of a multi-stage counter-current humidifier allows the supply of water vapor to the compressed air in a much more efficient way than is possible with a single contact device floor. As an example, we can consider the single-stage system in Figure 3. The single-stage contact device 100 (absolute pressure of 1.378 MPa) receives 100 moles of air per hour at 49 [ deg.] C by 101 and 4403 liters of water / hour at 138 [deg.] C by 102. The humidified air exits by 103 to 118 [deg.] C (0.04 liter of H20 / liter of air humidified), water leaving through 104 to
118 [deg.] C.
We can consider these same admissions of water and air to a multi-stage contact device according to Figure 4 (in the case in question, there are five stages).
The air enters in 105 (100 moles of air / hour) at 49 [deg.] C and the water enters in 106 (4303 liter of water / hour at
138 [deg.] C. The humidified air leaves in 107 at 131.6 [deg.] C (0.067 liter of H2O / liter of humidified air), from the water leaving at
105 [deg.] C by 108.
It will be obvious that the multistage system offers significant advantages in that it extracts 66820 W of additional heat from hot water to reach 70% more humidification of the air. To reach the same level of humidification in a single stage, either the quantity of water should be increased from 4303 liters / hour to 21562 liters / hour, or the temperature of the incoming water should be increased by
138 [deg.] C to 164.4 [deg.] C and the leaving water temperature of
105 [deg.] C to 131.6 [deg.] C. The addition of additional stages would allow even greater reductions in the flow rate or the temperature of the inlet hot water. As a variant of the above, the water leaving the system can be extracted at a lower temperature. The benefits to cycle performance will be evident to those skilled in the art.
The process of the present invention can be used in conjunction with co-production facilities, if desired, whereby some of the heat from the exhaust of the gas turbine is used to produce steam by incorporation of a steam coil and associated installation. In this way, as will be understood by specialists in this field, the power or energy cycle of the present invention can be used to a greater degree than other cycles in integration into an installation producing large quantities of heat d 'a low temperature level, such as a coal gasification installation or a geothermal installation, or in an installation using heating turbines, since humidification can be achieved at such low temperatures.
In the latter case, the first turbine would operate at a high pressure at which partial expansion would occur, additional fuel would be burned in a second combustion chamber, and the hot gases would be expanded to around atmospheric pressure in the second turbine.
As previously mentioned and as will appear from the previous description, the process of the present invention eliminates the complete steam cycle which would include the steam turbo generator, the steam collectors, the surface condenser and the cooling towers that we use in the combined cyclic process. This obviously leads to a significant reduction in investment for the process.
Another major advantage of the present process is a significant improvement in thermal efficiency. A comparison of the calculated thermal yields and the heat consumptions for installations using the present process, with the calculated yields and the heat consumptions for a traditional combined cycle installation is presented by Table I. It should be noted that the yield of the combined cycle installation has more influence on the dimensions of the installation due to the associated steam cycle. Data published by the General Electric Company indicates that the efficiency for the combined cycle ranges from approximately 39.1% to 44.8% for installations ranging from 70 MW to 600 MW.
<EMI ID = 2.1>
<EMI ID = 3.1>
<EMI ID = 4.1>
Considering the previous table, it will be seen that the improvement in efficiency compared to a combined cycle installation is significant. The case of an installation using heating turbines, in which a yield of 53.5% is reached, is in the range of yields for fuel cells, requiring only mechanical means based on existing technology. , rather than the development of foreign materials or new chemistry. With higher combustion temperatures in gas turbines, the process efficiency would be further increased.
In Table II, a comparison of the new process according to the invention with other cycles is presented.
<EMI ID = 5.1>
<EMI ID = 6.1>
As shown in the previous table, the performance of the cycle is significantly higher than that of any other cycle.
The improvement in thermal efficiency will also be appreciated in the following manner. In a 500 MW energy production facility, with a combined cycle, the fuel required
<EMI ID = 7.1>
With the improved cycle, the fuel needed
<EMI ID = 8.1>
As a result, fuel savings with the improved power cycle
<EMI ID = 9.1>
This corresponds to an annual saving (at a cost of
<EMI ID = 10.1>
<EMI ID = 11.1>
The process of the present invention can also be used to convert low level heat from another installation, such as a gasification installation or a refinery into mechanical energy or electrical energy, with a much higher efficiency than by other methods. The fuel used in the gas engine is used to improve the low level heat recovered. Thus, for example, when the low level heat recovered by preheating the circulation water of the humidifier, of the order of 149 to 60 [deg.] C from a gasification installation is converted into electrical energy, the effective conversion efficiency is approximately 30%.
The thermal yield of the process of the present invention was also compared with the yield of the process without the intercooling system 6 to demonstrate the importance of intercooling in improving the yield. It has been found that in this case the thermal efficiency is only 45%, which is a significant reduction. In addition, the thermal efficiency was calculated by omitting the rear cooling system 11 in the process and it was found that the efficiency is slightly lower, i.e. about 48%.
In this way, although the aftercooler is useful in further reducing the temperature of the compressed air before humidification compared to what can be achieved using the intercooling system alone, and in the cases where the improved process of the invention is integrated into another installation, such as a refinery or a gasification of coal, as will be understood by specialists in this field, this posterior cooling system provides a determined value, by increasing d '' about 1% cycle efficiency.
However, its use is not absolutely necessary and this system can be omitted from the process of the invention, if desired, considering the choice between the additional pressure drop in the posterior cooling system and the increase in amount of heat recovered.
The standard for the conversion efficiency of such a low level heat can be calculated according to US Patent No. 4,085,591, according to which a pressurized gas, for example air, is humidified in a spray chamber and expanded through a gas turbine to take advantage of the higher specific volume of humidified air. The resulting yield with this system is less than 5%. In addition, there are a number of inherent disadvantages. To produce appreciable amounts of energy, a very large installation is necessary since the system pressure is limiting. This system cannot "improve" the low level energy recovered since it cannot be used in conjunction with a gas engine.
It will be understood from the preceding description that, with a counter-current and multistage humidification, chemical energy or low level heat supplemented by chemical energy can be converted into mechanical energy or into electrical energy at a very high yield. It will also be understood that significant advantages for the environment will result from the process of the present invention, in particular the conservation of energy resources and the reduction of thermal pollution due to the higher yield, a reduction in water consumption, in particular compared to the combined cycle or the steam injection cycle, and a reduction in nitrogen oxide emissions.
With combined cycle installations, steam must be injected into the combustion chamber to reduce such emissions, which in turn leads to a decrease in efficiency, which is however overcome by the present invention.
In the light of the preceding description, certain variations and modifications of the process of the present invention may be obvious to specialists in this field. For example, a series of intercooling systems can be used, as well as more than two stages of air compression. In addition, the compressor intake air can be cooled using a refrigeration system to improve both the efficiency and the capacity of the system. The air leaving the intercooling system can also be further cooled using the refrigeration system and the water from the saturator can also be pre-cooled, using a refrigeration system, before entering the intercooling system.
In addition, it is possible to use saturators of a design other than that illustrated, for example a design according to which water would be introduced in several places.
Consequently, it should be understood that such modifications and variations should be considered as remaining within the scope of the present invention.
CLAIMS.
1. A method of producing energy using a gas turbine, comprising humidifying compressed air during a counter-current and multistage circulation before combustion, to supply steam to as thermal diluent for combustion in this turbine, this water being at a temperature below its boiling point at operating pressure when it is in contact with the above-mentioned compressed air, the latter being caused to pass into heat exchange relationship with water before humidification, so that the water temperature is increased and the temperature of the compressed gas is decreased.