Installation motrice comprenant un cycle turbine à vapeur et un cycle turbine à gaz
L'intérêt de ce qu'on appelle les cycles mixtes, c'està-dire les installations motrices comprenant un cycle turbine à vapeur et un cycle turbine à gaz, est bien connu, en particulier pour la production, notamment dans un délai extrêmement court, d'un supplément d'énergie lors des pointes de consommation.
On connaît des installations de ce genre comprenant un cycle turbine à vapeur dont l'eau d'alimentation est réchauffée dans un poste d'eau par des soutirages de vapeur sur la turbine, et un cycle turbine à gaz, et agencée de façon qu'on puisse faire fonctionner soit le cycle vapeur seul en alimentant son dispositif générateur de vapeur en air comburant chauffé dans un réchauffeur d'air, soit les deux cycles ensemble en utilisant comme air comburant du dispositif générateur de vapeur l'excès d'air contenu dans les gaz d'échappement du cycle à turbine à gaz. Dans ces installations l'air de combustion est réchauffé au moyen de vapeur soutirée sur la turbine.
Comme les gaz d'échappement du cycle à turbine à gaz sont à température élevée et que leur débit, compte tenu de l'excès d'air, permet d'assurer en régime de pointe la combustion du combustible alimentant la chaudière, il n'est en général plus nécessaire de souffler ni de réchauffer de l'air de combustion comme en marche normale.
On peut alors laisser en service les soutirages assurant le réchauffage de l'eau d'alimentation, en interrompant les soutirages alimentant le réchauffeur d'air, puisqu'il n'y a plus aucune circulation d'air à travers ces réchauffeurs. La vapeur, qui, ainsi, n'est plus soutirée, reste alors dans le circuit principal de la turbine et se détend dans ce circuit jusqu'au condenseur. I1 en résulte une augmentation de la puissance développée par la turbine à vapeur, qui contribue à satisfaire à la pointe de consommation.
Grâce à cette disposition, la consommation spécifique de l'installation reste, en régime de pointe, très voisine de la consommation réalisée en marche normale.
L'invention a pour objet une installation motrice telle que celle qui est décrite ci-dessus, c'est-à-dire comprenant un cycle turbine à vapeur, dont l'eau d'alimentation est réchauffée dans un poste d'eau par des soutirages de vapeur, et un cycle turbine à gaz et agencée de façon qu'on puisse faire fonctionner soit le cycle vapeur seul en alimentant son dispositif générateur de vapeur en air comburant chauffé dans un réchauffeur d'air, soit les deux cycles ensemble en utilisant comme air comburant du dispositif générateur de vapeur l'excès d'air contenu dans les gaz d'échappement du cycle turbine à gaz, caractérisée en ce que le réchauffeur d'air comprend au moins un échangeur de chaleur utilisant comme fluide chauffant de l'eau chaude provenant du poste d'eau, et par une vanne permettant d'interrompre l'alimentation en eau chaude dudit échangeur de chaleur.
Cette disposition permet, en régime normal, de conserver le principe du réchauffage de l'air par prélèvement de vapeur de soutirage, ceci par l'intermédiaire de l'eau réchauffée, et permet de conserver les avantages qui en résultent au point de vue du rendement.
Si les gaz d'échappement de la turbine à gaz ne contiennent pas suffisamment d'oxygène pour assurer la fourniture convenable de comburant à la chaudière, l'installation pourra être agencée de façon qu'un complément d'air comburant puisse être fourni à la chaudière à travers le réchauffeur d'air. Le débit d'eau chaude envoyé dans celui-ci pourra alors être réduit, en régime de pointe, au moyen de la vanne de réglage.
L'installation selon l'invention présente un certain nombre d'autres avantages, notamment par la simplification qu'elle permet de réaliser dans la conception, le montage et l'exploitation du matériel.
En effet, dans cette installation on peut au moins en partie supprimer les canalisations de vapeur qui, dans les installations connues mentionnées ci-dessus, vont du dispositif de soutirage, prévu sur la turbine à vapeur, au réchauffeur d'air, ainsi qu'à la suppression des tuyauteries de retour de purge du réchauffeur d'air vers le poste d'eau.
D'autre part, I'eau chaude assurant le réchauffage de l'air est un fluide beaucoup plus facile à véhiculer que la vapeur de soutirage; autrement dit, les canalisations d'eau chaude sont d'une réalisation plus simple que celle des conduites de la vapeur soutirée.
De plus, l'installation selon l'invention offre des facilités nouvelles en ce qui concerne la disposition du réchauffeur d'air. En général, quand on utilise de la vapeur pour réchauffer l'air, il est préférable que les tubes de vapeur des échangeurs du réchauffeur soient verticaux, ce qui oblige à prévoir pour l'air un circuit horizontal. Dans le réchauffeur d'air de l'installation selon l'invention, les tubes conduisant l'eau chaude des échangeurs peuvent, au contraire, être aussi bien verticaux qu'horizontaux, voire inclinés, ce qui apporte de grandes facilités dans les dispositions de l'installation et dans le tracé des gaines d'air.
Dans l'installation selon l'invention, on évite aussi l'inconvénient, propre aux réchauffeurs d'air à vapeur, qui consiste en ce que, dans un échangeur à basse pression, où la vapeur est en dépression par rapport à l'air, de l'air passe, en cas de fuites, dans le circuit de vapeur, ce qui, en général, est très difficile à déceler et oblige finalement à effectuer des réparations souvent longues, pendant lesquelles l'installation est indisponible.
Avec un réchauffeur d'air chauffé par de l'eau, l'eau à l'intérieur des tubes de l'échangeur pourra au contraire être maintenue sous pression, sans qu'une légère fuite d'eau éventuelle vers le circuit d'air conduise à une indisponibilité de l'installation motrice.
Du fait que, dans l'installation selon l'invention, l'air est réchauffé dans le réchauffeur d'air au moins en partie avec de l'eau chaude et non pas avec de la vapeur qui se condense, on a une plus grande liberté quant au choix du nombre des échangeurs du réchauffeur d'air, ce qui permet un meilleur agencement des passages d'air et une diminution des vitesses et des pertes de charge.
L'installation selon l'invention pourrait comprendre une chaudière alimentée en air primaire et en air secondaire réchauffés séparément dans des réchauffeurs distincts pourvus d'échangeurs alimentés séparément par de l'eau chaude fournie par le poste d'eau. Une telle disposition est rendue possible par la souplesse d'exploitation due à l'utilisation de l'eau comme fluide intermédiaire. Dans une telle installation un ventilateur d'air primaire pourrait être alimenté en air froid, diminuant ainsi la consommation d'énergie de ce ventilateur.
Le dessin représente schématiquement à titre d'exemple une forme d'exécution de l'installation selon l'invention.
L'installation comprend une chaudière, non représentée, alimentée en eau par une pompe 11 et en air comburant Sa par un réchauffeur d'air 5, fournit de la vapeur à une turbine 1 pourvue d'un condenseur 2, et entraînant un alternateur la. L'installation comprend d'autre part un groupe turbine à gaz, non représentée, entraînant un autre alternateur, et mis en marche en régime de pointe. L'agencement est tel qu'en régime de pointe, les gaz d'échappement du groupe turbine à gaz soient envoyés dans la chaudière au lieu et place de l'air comburant.
Le poste d'eau 3 dans lequel a lieu le réchauffage de l'eau d'alimentation de la chaudière, comprend des échangeurs 3a, 3b, 3c, etc., alimentés en vapeur de chauffage par des soutirages de vapeur (non représentés) pris sur la turbine 1.
Le circuit 3 de réchauffage de l'eau se continue par un dégazeur 10 d'où la pompe d'alimentation 11 renvoie l'eau à la chaudière (non représentée).
En un point du circuit du poste d'eau 3 une dérivation 4 permet de prélever une certaine quantité d'eau chaude qui, envoyée à l'échangeur du réchauffeur d'air 5, sert au réchauffage de l'air de combustion 5a de la chaudière. Dans ces échangeurs, I'eau se refroidit, puis on la réintroduit en 6, dans le circuit 3. Une vanne 4b permet de couper le prélèvement d'eau chaude en régime de pointe, puisqu'il n'est plus nécessaire de chauffer de l'air comburant quand on envoie dans la chaudière les gaz d'échappement de la turbine à gaz.
Afin de pouvoir porter l'eau destinée aux échangeurs du réchauffeur 5 à une température plus élevée que celle à laquelle l'eau se trouve au point de dérivation 4, un échangeur 8 est intercalé dans la conduite d'eau 4a, entre la dérivation 4 et les échangeurs du réchauffeur 5. Cet échangeur est alimenté en vapeur de chauffage saturée à pression plus élevée fournie par un désurchauffeur 7.
Le désurchauffeur 7 reçoit par le tuyau 7a de la vapeur très surchauffée, en provenance d'un soutirage de la turbine; cette vapeur s'y désurchauffe en produisant par vaporisation de la vapeur saturée à une pression plus élevée que celle du soutirage. Dans le tuyau 7b passe de la vapeur désurchauffée qui se rend au dégazeur. Dans le tuyau 7c la vapeur saturée va du désurchauffeur 7 au réchauffeur d'eau 8.
Le point de dérivation 4 pourrait aussi, par exemple, être situé entre deux échangeurs du circuit du poste d'eau 3. Le choix de ce point de dérivation permet une adaptation de la température de l'eau chaude entre certaines limites.
Le réchauffeur d'air 5 peut être disposé indifféremment avec son axe en position horizontale, verticale ou même oblique.
Lors du fonctionnement en régime de pointe, le débit d'eau qui passe dans les échangeurs 3b, 3c, etc. du poste d'eau 3 est plus faible qu'en régime normal, du moment que l'alimentation en eau chaude du réchauffeur d'air 5 est alors interrompue par la vanne 4b et que la pompe 12 du poste d'eau n'est plus utilisée à son plein débit. On peut alors utiliser le débit de la pompe 12, devenu disponible de ce fait, pour alimenter un circuit 9a de refroidissement des compresseurs d'air de la turbine à gaz, qui sont représentés schématiquement en 9.
Pour le cas où, en régime de pointe, les gaz d'échappement de la turbine à gaz ne suffiraient pas pour assurer la fourniture convenable de comburant à la chaudière, l'installation pourrait être agencée de manière que l'on puisse envoyer de l'air de complément à la chaudière par le réchauffeur 5. Dans ce cas, le débit d'eau envoyé aux échangeurs du réchauffeur 5 sera réglé au moyen de la vanne 4b, par exemple de façon que l'eau sortant des échangeurs du réchauffeur S soit sensiblement à la même température que l'eau sortant du réchauffeur 3a.
Dans une variante, I'installation pourrait être agencée de façon qu'une partie seulement de l'air envoyé dans le foyer de la chaudière soit réchauffé par des échangeurs de chaleur à eau chaude. Dans ce cas, on montera de préférence ces échangeurs dans les parties du circuit du poste d'eau correspondant à des points de soutirage où, si on utilisait des réchauffeurs d'air chauffés à la vapeur, cette dernière serait à une pression si basse qu'elle se trouverait en dépression par rapport à l'air en cours de réchauffage.
Power plant comprising a steam turbine cycle and a gas turbine cycle
The interest of what are called mixed cycles, that is to say power plants comprising a steam turbine cycle and a gas turbine cycle, is well known, in particular for production, in particular in an extremely short time. , additional energy during peak consumption.
Installations of this type are known comprising a steam turbine cycle, the feed water of which is heated in a water station by withdrawing steam from the turbine, and a gas turbine cycle, and arranged so that it is possible to operate either the steam cycle alone by supplying its steam generator device with combustion air heated in an air heater, or the two cycles together by using the excess air contained in the steam generator device as combustion air the exhaust gases from the gas turbine cycle. In these installations the combustion air is heated by means of steam drawn off from the turbine.
As the exhaust gases from the gas turbine cycle are at high temperature and their flow rate, taking into account the excess air, makes it possible to ensure the combustion of the fuel supplying the boiler at peak speed, it does not It is generally no longer necessary to blow or heat combustion air as in normal operation.
The draw-offs ensuring the heating of the feed water can then be left in service, interrupting the draw-offs supplying the air heater, since there is no longer any air circulation through these heaters. The steam, which thus is no longer withdrawn, then remains in the main circuit of the turbine and expands in this circuit to the condenser. This results in an increase in the power developed by the steam turbine, which contributes to meeting peak consumption.
Thanks to this arrangement, the specific consumption of the installation remains, at peak speed, very close to the consumption achieved in normal operation.
The subject of the invention is a power plant such as that described above, that is to say comprising a steam turbine cycle, the feed water of which is heated in a water station by steam withdrawals, and a gas turbine cycle and arranged so that it is possible to operate either the steam cycle alone by supplying its steam generator device with combustion air heated in an air heater, or the two cycles together using as combustion air of the steam generator device the excess air contained in the exhaust gases of the gas turbine cycle, characterized in that the air heater comprises at least one heat exchanger using as heating fluid hot water coming from the water station, and by a valve making it possible to cut off the hot water supply to said heat exchanger.
This arrangement makes it possible, in normal operation, to retain the principle of reheating the air by taking off the withdrawal vapor, this by means of the reheated water, and makes it possible to maintain the resulting advantages from the point of view of yield.
If the exhaust gases from the gas turbine do not contain sufficient oxygen to ensure the proper supply of oxidizer to the boiler, the installation can be arranged so that additional combustion air can be supplied to the boiler. boiler through the air heater. The hot water flow sent into it can then be reduced, in peak mode, by means of the adjustment valve.
The installation according to the invention has a certain number of other advantages, in particular by the simplification that it allows to achieve in the design, assembly and operation of the equipment.
In fact, in this installation it is possible at least in part to eliminate the steam pipes which, in the known installations mentioned above, go from the withdrawal device, provided on the steam turbine, to the air heater, as well as the removal of the air heater purge return pipes to the water station.
On the other hand, the hot water ensuring the reheating of the air is a fluid much easier to convey than the withdrawal vapor; in other words, the hot water pipes are of a simpler construction than that of the pipes of the withdrawn steam.
In addition, the installation according to the invention offers new facilities as regards the arrangement of the air heater. In general, when steam is used to heat the air, it is preferable that the steam tubes of the heat exchangers are vertical, which makes it necessary to provide a horizontal circuit for the air. In the air heater of the installation according to the invention, the tubes leading the hot water from the exchangers can, on the contrary, be both vertical and horizontal, or even inclined, which brings great facilities to the arrangements of installation and routing of air ducts.
In the installation according to the invention, the drawback, specific to steam air heaters, which consists in that, in a low pressure exchanger, where the steam is at a depression with respect to the air, is also avoided , air passes, in the event of leaks, in the steam circuit, which, in general, is very difficult to detect and ultimately requires repairs to be carried out which are often lengthy, during which the installation is unavailable.
On the contrary, with an air heater heated by water, the water inside the exchanger tubes can be kept under pressure, without any slight water leakage to the air circuit. lead to unavailability of the power plant.
Due to the fact that, in the installation according to the invention, the air is heated in the air heater at least partly with hot water and not with condensing steam, there is a greater freedom as to the choice of the number of exchangers for the air heater, which allows a better arrangement of the air passages and a reduction in speeds and pressure drops.
The installation according to the invention could comprise a boiler supplied with primary air and secondary air heated separately in separate heaters provided with exchangers supplied separately with hot water supplied by the water station. Such an arrangement is made possible by the flexibility of operation due to the use of water as an intermediate fluid. In such an installation, a primary air fan could be supplied with cold air, thus reducing the energy consumption of this fan.
The drawing shows schematically by way of example an embodiment of the installation according to the invention.
The installation comprises a boiler, not shown, supplied with water by a pump 11 and with combustion air Sa by an air heater 5, supplies steam to a turbine 1 provided with a condenser 2, and driving an alternator la . The installation also comprises a gas turbine group, not shown, driving another alternator, and started at peak speed. The arrangement is such that, in peak mode, the exhaust gases from the gas turbine group are sent to the boiler instead of the combustion air.
The water station 3 in which the heating of the boiler feed water takes place, comprises exchangers 3a, 3b, 3c, etc., supplied with heating steam by steam withdrawals (not shown) taken on the turbine 1.
The water reheating circuit 3 is continued by a degasser 10 from which the feed pump 11 returns the water to the boiler (not shown).
At one point of the water station circuit 3, a bypass 4 enables a certain quantity of hot water to be taken which, sent to the air heater exchanger 5, is used to heat the combustion air 5a of the boiler. In these exchangers, the water cools, then it is reintroduced at 6, into circuit 3. A valve 4b makes it possible to cut off the hot water withdrawal in peak mode, since it is no longer necessary to heat up. the combustion air when the exhaust gases from the gas turbine are sent into the boiler.
In order to be able to bring the water intended for the exchangers of the heater 5 to a temperature higher than that at which the water is at the bypass point 4, an exchanger 8 is interposed in the water pipe 4a, between the bypass 4 and the exchangers of the reheater 5. This exchanger is supplied with saturated heating vapor at higher pressure supplied by a desuperheater 7.
The desuperheater 7 receives, through the pipe 7a, very superheated steam, coming from a withdrawal of the turbine; this vapor is desuperheated there by producing saturated vapor by vaporization at a pressure higher than that of the withdrawal. Desuperheated steam passes through pipe 7b which goes to the degasser. In pipe 7c saturated steam goes from desuperheater 7 to water heater 8.
The bypass point 4 could also, for example, be located between two exchangers of the water station circuit 3. The choice of this bypass point allows an adaptation of the temperature of the hot water between certain limits.
The air heater 5 can be arranged indifferently with its axis in a horizontal, vertical or even oblique position.
During peak operation, the flow of water passing through exchangers 3b, 3c, etc. station 3 is lower than in normal mode, as long as the hot water supply to air heater 5 is then interrupted by valve 4b and pump 12 of the water station is not no longer used at full speed. It is then possible to use the flow rate of the pump 12, which has become available as a result, to supply a cooling circuit 9a for the air compressors of the gas turbine, which are shown schematically at 9.
In the event that, at peak operation, the exhaust gases from the gas turbine are not sufficient to ensure the proper supply of oxidant to the boiler, the installation could be arranged so that it is possible to send gas. 'supplemental air to the boiler via heater 5. In this case, the water flow sent to the exchangers of the heater 5 will be regulated by means of the valve 4b, for example so that the water leaving the exchangers of the heater S or substantially at the same temperature as the water leaving the heater 3a.
In a variant, the installation could be arranged so that only part of the air sent to the furnace of the boiler is reheated by hot water heat exchangers. In this case, these exchangers will preferably be mounted in the parts of the water station circuit corresponding to draw-off points where, if steam-heated air heaters were used, the latter would be at a pressure so low that 'it would be at a depression relative to the air being heated.