FR2528493A1

FR2528493A1 - Ensemble de chambre de combustion a lit fluidifie sous pression a rechauffage pour une centrale electrique

Info

Publication number: FR2528493A1
Application number: FR8309703A
Authority: FR
Inventors: Paul Allan Berman
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1982-06-10
Filing date: 1983-06-10
Publication date: 1983-12-16
Also published as: US4476674A; IT8321441A0; JPS6360214B2; MX158479A; KR920005849B1; FR2528493B1; JPS593119A; KR840005190A; IT1206749B; AR230513A1; CA1209812A

Abstract

DE L'AIR COMPRIME PAR UN COMPRESSEUR 32 PASSE PAR DES TUBES D'ECHANGE THERMIQUE 28 DANS UN LIT FLUIDIFIE SOUS PRESSION POUR ETRE DIRIGE VERS UNE TURBINE 26 A HAUTE PRESSION. DU CHARBON EST BRULE DANS LE LIT FLUIDIFIE POUR CHAUFFER LES GAZ DE SORTIE A 900C, CES GAZ PASSANT PAR UN EPURATEUR 36 POUR ETRE DIRIGES VERS UNE TURBINE A BASSE PRESSION 38.

Description

Ensemb Le de chambre de combustion a lit fluidifié sous pression à

rechauffagre pour une centrale électrique :,a présente invention concerne un ensem;lble de chambre de combustion à lit fluidifié sous pression, à rechauffage pour une centrale électrique. Des chambres de combustion à lit fluidifié sous pression permettent le chauffage de centrales électriques au charbon d'une manière économique et acceptable pour l'environnement En général, des litsfludifiés sous pres- sions peuvent être installés dans des centrales existantes à turbines à vapeur pour obtenir de meilleures rendements 10 de chauffage dans des applications à la réalimentation ou dans de nouvelles centrales électriques comportant à la fois des turbines à gaz et à vapeur en un cycle combiné Dans une chambre de combustion à lit fluidifié debase, des particules granulaires sont supportées par 15 une plaque distributrice d air L'air introduit dans le lit par la plaque distributrice fait passer les particu- les en suspension et en circulation Dans ces conditions, la matière du lit ressemble à un fluide visqueux, ou lit fluidifié Quand le débit d'air est accru, des bulles 20 d'air se forment dans le lit lui donnant l'apparence d'un liquide en ébullition violante Les particules granulai- res se déplacent alors de façon turbulente en facilitant un bon contact gaz-solide. Si le lit est chauffé et un combustible est in- 25 troduit, unecombustion se produit, l'air de fluidifica- tion devenant l'air de combustion Le mouvement turbulent du lit peut produire unrendement élevé de combustion et des températures homogènes du lit ',e lit peut fonctionner de façon adiabatique ou avec des tubes d'échange thermique 30 dans le lit pour en contrôler la température En général, le caloporteur utilisé avec un échangeur thermique dans Le lit est de l'air ou de l'eau. %e lit fluidifié et turbulent produit un coef- ficient de transfert thermique du lit au tube plus élevé

2 que le coefficient apparaissant dans des échangeurs thermiques courants a convection forcée, réduisant ainsi les conditions dimensionnelles de l'échangeur thermique. La teripérature homogène du lit simplifie la conception de 5 l'6 chan-eur thermique et élimine la possibilité des points chauds. Etant donné que pratiquement tout type de com- bustible peut être br lé dans un lit fluidifié, il est souvent utilisé pour br ler des matières peu courantes. 10 Du charbon, de l'huile de schiste, de l'huile lourde, des graisses, des déchets solides et des copeaux de bois ont été utilisés comrnle combustible dans un lit fluidifié. Cette souplesse prend sa valeur avec l'utilisa- tion du charbon car la combustion du charbon dans un lit 15 fluidifié est indépendante de la teneur en cendre de ce charbon Les seules limites que les cendres de charbon placent sur la chambre de combustion à lit fluidifié est la température de fonctionnement qui est limitée au point de fusion des cendres, au-dessous de 9800 C. 20 Dans les années 1950, il a été découvert que si du charbon brûle dans un lit fluidifié formé de parti- cules de calcaire ou de dolomie, les émissions de souf re sont réduites par la réaction 2502 + 2 Ca O + 02 -= 2 Ca SO 4. Par conséquent, une chambre de combustion à lit fluidifié 25 offre une variante à une centrale coupnte chauffée au charbon avec un épurateur Le lit fluidifié peut brtler des charbons de diverses teneur en soufre tout en mainte- nant de faibles émissions de souffre en modifiant l'ali- mentation en calcaire ou en dolornie pour maintenir le bon 30 rapport moléculaire entre le calcaire et le soufre Con- trairement à un épurateur, aucune modification d'équipement n'est nécessaire pour obtenir cet équilibre la ciné- tique de la réaction caloium-soufre limite la température du lit à un minimum de 790 C. 35 Les chambres de combustion à lit fluidifié peuvent fonctionner à la pression atmosphérique ou à une pression élevée de l'air pour réduire Les dimensions de

3 Ipunité et apporter d'autres avantages Bien que des chambres de combustion à lit fluidifié à pression atmos- pliérique soient en usage commercial depuis des années, notamment en Europe, le chauffage d'une chambre de com- 5 bustion à lit fluidifié sous pression avec charbon est relativement récent. Il n'existe jusqu'à présent aucune centrale électrique à chambre de combustion à lit fluidifié sous pression à l'échelle commerciale La première application 10 d'un lit fluidifié sous pression à grande échelle aux Etats Unis d'Amérique date du début des années 1940 avec l'avènement du procédé de craquage catalytique ,a majorité des lits fluidifiés construits jusqu'ici ont été utilisées dans l'industrie du traitement Certains infor- mations utiles concernant la combustion du charbon en lit fluidifié sous pression ont été obtenus grâce à ces années d'expérience, plus précisément dans les domaines d'alimentation et d'élimination de solides d'un récipient sous pression, d L nettoyage d'air chaud et de la concep- 20 tion des turbines à expansion Ces informations ont con- duit à des équipements du commerce qui conviennent pour des applications à la combustion en lit fluidifié sous pression. Pour obtenir des informations plus spécifiques 25 sur la combustion du charbon dans un lit fluidifié sous pression, un certain nombre d'installations d'essai ont été construits et mises en fonctionnement et une usine de démonstration à l'échelle commerciale a été mise en construction Des installations d'essai ont donné des informations étendues sur tous les aspects de réalisation d'un ensemble de chambre de combustion à lit fluidifié sous pressior e bon fonctionnement d'une telle chambre de combustion a été démontré et des investigations para- métriques des variables qui en affectent le fonctionnement 35 ont été menées Des points essentiels de conception et de relation de fonctionnement comprennent: capture du souffre en fonction du temps de résidence d'un gaz du type adsorbant et du rapport inolé-

4 culaire entre le calcium et le souffre chute de pression en fonction de la vitesse de úluidifictiion et de l'épaisseur du lit, temps de résistance du raz en fonction de la 5 vitesse de fluidification et de l'épaisseur du lit rendement de combustion en fonction du temps de résidence du gaz, de la température du lit et du pourcentage d'air en excès Des résultats d'essai ont montré qu'un rapport 10 Ca/S de 1,5 ou davantage capture aui oi Oins 905 du souf- fre et qu'un choix approprié des variables du processus conduit à des rendenents de combustion de 991 et au-delà sans recyclage précis I est également apparu que les émissions NTO sont relativement insensibles aux variables x 15 du processus et sont inférieures à une limite officielle du 1 kg/59 cal. Lerésidu solide d'une chambre de combustion à lit fluidifié sous pression chauffé au charbon est faci- lemnent manipulé et contient principalement du sulfate 20 de calcium et des cendres de charbon inertes La quanti- té de résidu solide produit dans une chambre de combus- tion à lit fluidifié sous pression est inférieure à celle produite par un épurateur de gaz à tuyère. D'autres informations publiques sur l'état de 25 la technique des lits fluidifiés sous pression sont présentées dans un rapport OPNTL/1 I-7401 de Septembre 19 f 80 Oak Ridge National Laboratory, intitulé State of the Art of Pressurized Fluidized ted Combustion System par R L Graves et dans un article de 1981 dans IEEE 30 intitull pressurized l'ludized Bed Cormbustion of Coal For Electric Power Generation The AEP Approach. Ence qui concerne la combustion du charbon, la chambre à combustion à lit fluidifié sous pression offre certaine avantages sur cel-les à pression atrnosphé- 35 rique LT'utilisation du carbone et l'efficacité de la capture du soufre sont accrues et moins d'oxydes d'azote sont émis à la pression élevée de ce lit fluidifié.

Un autre avantage de la chamibre de combustion a lit fluidifié sous pression et qu'elle peut être uti- lisée dans une centrale électrique à cycle combiné pour obtenir des rendements du cycle global plus élevés que 5 celui des unités à turbine à vapeur à lit fluidifié à la pression atmosphérique ou chauffé au charbon pulvéri- sé. Un autre avantage majeur d'un ensemble de combus- tion de charbon à lit fluidifié sous pression réside dans 10 le fait que les dimensions du foyer et par conséquent le nombre des points d'alimentation en charbon sont fonction inverse de la pression au foyer. Ainsi, les dimensions du foyer et son prix peuvent être considérablement réduits par la mise sous 15 pression de l'unité Mais pour fournir l'air comprimé au foyer de façon économique, une turbine à gaz doit être alimentée par les gaz de sortie de la chambre de combustion à haute température et à haute pression pour dévelop- per la puissance relativement importante nécessaire paur 20 entra ner le compresseur d'air d'entrée de la chambre de combustion L'utilisation d'une turbine à gaz permet d'augmenter le rendement du cycle avec une pression élevée du foyer comme par exemple 106 Pa dans un cycle combiné de turbine à gaz et à vapeur similaire à celui utilisé 25 dans de nombreuses centrales électriques en fonctionne- ment aux Etats Unis d'Amérique, utilisant du Pétrole ou du gaz combustible Par contre, les problèmes posés par la corrosion, liérosion et les dépôts dans la turbine si du charbon est utilisé comme combustible ont soulevé 30 les difficultés de développement d'un tel ensemble. Compte tenu de cette technologie des lits f Lui- difiés sous pression, une démarche pour poursuivre le progrès consiste à conceptualiser et à réaliser un ensem- ble de cyole combiné et de centrales à lit fluidifié 35 sous pression dans lequel les avantages du lit fluididifé sous pression sont exploités de façon efficace dans les

6 limites actuelles et futures de 1 a teclnmologie d'épura- tion des gaz car elle est liée à La protection des par- ties chaudes des turbines contre la corrosion, l'érosion et le dépôt. 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur L esquels: La Figure 1 illustre un ensemble antérieur utilisant une chambre de combustion à lit fluidifié sous pression, la Figure 2 représente schématiquement un en- semble de chambre de combustion à lit fluidifié sous pression à rechauffage, réalisé selon les principes de 15 l ' invention, la Figure 3 représente un mode de réalisation de D 4 'invention dans lequel un lit fluidifié sous pression à rechauffage est utilisé dans un cas de réaménagement d' usine, 20 la Figure 4 représente un mode de réalisation de l'invention qui fonctionne à une température de re- chauffage plus élevée, et les Figures 5 et 6 sont des diagrammes d'qui- libre d'énergie pour des systèmes à cycle combiné dans 25 lesquels les modes de réalisation des Figures 2 et 4 sont respectivement utilisés. Un ensemble de chambre de combustion à lit fluidifié sous pression, à rechauffage, pour une centrale électrique comporte un compresseur pourcomprimer de l ' air 30 d'une source relativement propre jusqu'à une valeur élevée et une unité de chambre de combustion comprenant un lit adsorbant et des dispositifs d'alimentation en combustible et des tubes d'échangeurs thermiques disposés en relation d'échange thermique avec le lit de combustion 'air qui 35 sort du compresseur est dirigé vers les tubes d'échange thermique et de là vers l'entrée de la turbine à haute pression pour alimenter une turbine à gaz à haute pression.

7 Au moins une partie de l'air sous pression sortant de la turbine est dirigé vers l'unité de chambre de combus- tion pour être réchauffé et pour fluidifier le lit et dry supporter la combustion du combustible Le gas pré- 5 chauffé à a sortie de la chambre de combustion est épu- ré pour protéger des parties chaudes de la turbine contre toute dégradation résultant autrement d'un entra nement depuis l'unité de chambre -de combustion Te gaz épuré et rechauffé est dirigé vers l'entrée d'une turbine à gaz 10 à basse pression pour l'alimenter, un dispositif pour diriger les gaz de sortie de la turbine à basse pression vers un dispositif de récupération de chaleur afin de pro- duire une énergie supplémentaire pour le fonctionnement de la centrale et un dispositif pour commander le niveau 15 de fonctionnement de l'ensemble de chambre de combustion. Dans une centrale électrique 10 à lit fluidifié sous pression de la technique antérieure représentéesur la Fig 1 , du charbon est fourni à une chambre de combus- tion 12 avec de l'air comprimé fourni par un compresseur 20 14 qui, à son tour, est entratné par une turbine à gaz 16 à expansion Les gas chauds qui en résultent sont épurés par un dispositif 18 et subissent leur expansion dans la turbine 16 Tes produits de combustion dirigés vers la tur- bine 16 à haute pression et haute température doivent ttre 25 épurés de façon appropriée pour éviter des problèmes de corrosion, d'érosion et de d 6 pôt dans la turbine, résultant des matières produites à l'intérieur du lit. Aux températures courantes des gaz de sortie de la chambre de combustion (par exemple 870 C) les systèmes 30 d'épuration actuellement connus (principalement des cyclo- nes à étages multiples) peuvent, avec une grande robustesse, réduire à des niveaux acceptables l'érosion et la corro- sion des turbines Hais en raison de La conception anté- rieure des lits fluidifiés sous pression, tes dép 8 ts dans 's 5 les turbines posent un problème car les vapeurs alcalines qui sont développées dans les produits de combustion à la température courante des gaz de sortie de la chambre de combustion ne sont pas éliminées des -az chauds et passent

'.a turirtco ", ou elles se comportent comne une "colle" pour e dépôt de particules sur les parties chaudes de l.a turbine De plus, avec l'am élioration des possibilités d'épuration que la technique actuelle développe, la réa- 5 lisation antérieure du lit fluidifié sous pression limite la mesure dans laquelle les rendements plus élevés peuvent ttre oibtenus. D'une manière plus avantageuse, la Figure 2 montre un ensemble 20 à lit fluidifié sous pression, à 10 rechauffa:e, dans lequel une chambre de combustion 22 à lit fluidifié sous pression et un ensemble de turbines de combustion 24 sont disposés pour fonctionner selon l'invention avec un rendement amélioré et de moindres risques de dégradation des parties chaudes de la turbine en raison 15 de l'entratnement de particules provenant de la chambre de combustion 22. En général, de l'air atmosphérique propre est comprimé jusqu'à une pression telle que 1 ,2 x 106 Pa par un compresseur 26 et dirigé vers un échangeur thermique 20 tubulaire 28 qui est disposé dans un lit fluidifié chaud dans la chambre de combustion 22 TL'air propre est chauffé dans les tubes Jusqu'à une température telle que 8150 C par la combustion de charbon qui est fourni au lit comme l'indique la référence 30. 25 Tl'air propre, chaud et comprimé est dirigé vers l'entrée d'une turbine 32 à haute pression (HP) dans la- quelle il se détend partiellement jusqu'à une pression ré- duite comme 0,4 x 106 Pa, fournissant ainsi au moins la plus grande partie de la puissance nécessaire pour entrat- 30 ner le compresseur 26 L'air qui sort de la turbine à haute pression est également à une température réduite, comme 595 C et il est dirigé en partie (par exemple un tiers) vers la chambre de combustion 22 à lit fluidifié sous pres- sion, dans laquelle il fluidifie le lit, fournit l'oxygène 35 nécessaire pour la combustion du charbon et est comprimé et réchauffé jusqu'à une température de l'ordre de 8700 C. La turbine à haute pression 32 fonctionne ainsi avec de l'air propre et elle peut être réalisée soua une

forme courante sans conception avancée de turbine ou autres protections spéciales contre la dgrladation palr Les gaz chauds provenant du lit fluidifié sous pression. Ta comr landc de la centrale est basée sur la température 5 de l'air d'entrée à la turbine à haute pression au moyen d'un dispositif de commande 31 qui répule une vanne 33 de ddrivation d'échangeur thermique et des vannes d'en- trée de tubine à haute pression comme L'indique la réfé- rence 33. 10 Les deux autres tiers des gaz de sortie de la turbine à haute pression sont dérivés, de la chambre de combustion 22 comme l'indique La référence 34 et sont mélangés avec le débit de gaz chaud provenant de la chanm- bre de combustion 22 après leur épuration par un cyclone 15 à étages multiples ou autre système d'épuration 36 appro- prié. Le courant mélangé peut avoir une température telle que 705 C, ce qui constitue une valeur élevée par réchauffage au-dessus de la température à la sortie de 20 la turbine à haute pression, mais nettement réduite par la dilution du mélange par rapport à la température de 870 O C des produits de combustion sortant de la chambre de combustion 22. Le courant mélangé est dirigé vers une turbine 25 38 à basse pression (LP) dans laquelle il se détend pour entra ner une génératrice électrique 40 et fournir une puissance supplémentaire nécessaire pour entratner le compresseur 26. La sortie de la turbine à basse pression est 30 normalement conduite (ce qui n'est pas représenté sur la Fig 2) vers un système de récupération de chaleur ou une chaudière existante afin de produire de la vapeur pour un Générateur de vapeur Un exemple d'une application de réaménagement d'une centrale à vapeur est représenté 35 sur la t Fit 3 sur laquelle une turbine 42 à gaz à basse pression fournit de l'air chaud à une chaudière existante 44 pour réduire te débit de combustible de la chaudière

10 ainsi qu'à une tuyère dans laquelle l'alimentation en eau de la chaudière est chauffée dans un refroidisseur de gaz 4 o Une turbine à gaz 50 à haute pression est com- Dinée avec la turbine 42 à basse pression pour I'entratne- 5 ment d'une génératrice 49, et fonctionne par ailleurs de la manière décrite en regard de La Fig 2 Ta vapeur pro- venant de la chaudière 44 entraîne une génératrice à tur- bine à vapeur. IL résulte du fonctionnement de l'ensemble re- 10 présenté sur la Fiz 2, ou de son application à la Fig 3, qu'il n'est pas nécessaire que la turbine 32 à haute tem- pérature soit renforcée car elle reçoit de L'air propre et chaud qui ne pose aucun prob Lème spécial concernant la longévité ou l'encrassement de ses parties chaudes Li ex- 15 panseur de lit fluidifié sous pression ou la turbine à basse pression 38 reçoit un courant de gaz relativement froid (au-dessous de 7050 C dans ce cas) dans lequel le niveau de concentration en particules à été nettement réduit par la dilution avec l'air propre de sorte qu'il est fai- 20 sable et raisonnable de la protéger contre l'érosion ou autre dégradation Les matières alcalines sont sèches et non collantes à la température relativement basse du gaz de sorte que les dégradations des parties chaudes de la turbine par dépôt et corrosion, qui ne seraient pas autre- 25 ment évitées par un épurateur à cyclone, sont nettement réduites ou éliminées En outre, le rendement global du cycle est amélioré par l'effet du rechauffage dans le processus d'expansion et la chambre à combustion 22 à lit fluidifié sous pression fonctionne à une pression modérée 30 simplifiant les conditions d'alimentation en charbon et en adsorbant et en améliorant les performances de sépara- teurs à cyclones. En ce qui concerne la mise en oeuvre de l'in- vention, les informations supplémentaires suivantes s'ap35 pliquent: En ce qui concerne l'ensemble de chambre de combustion à lit fluidifié sous pression, cet ensemble

est réalisé selon le cycle combiné dans lequel il doit fonctionner Une grande variété de configurations de cycles des turbines avec un ensemble de chambre de com- bustion à lit fluidifié sous pression sont possibles 5 avec différents régimes de chauffage, selon les principes de l'invention, à la fois dans des applications de réamé- nagement et de nouvelles centrales. En général, les différents cycles combinés possibles avec lit fluidifié sous pression se caractéri- 10 sent par un éxcès d'air élevé ou réduit L'excès dl air concerne le débit d'air en combustion totale par rapport au débit stoachéométrique A l'exception des lits adia- batiques, l'excès d'air réel dans la chambre de combus- tion à lit fluidifié sous pression est normalement de 15 l'ordre de 3 OY,. Dans le cycle à faible excès d'air, tout l'air de la turbine à combustion passe par la chambre de com- bustion à lit fluidifié sous pression et il est utilisé dans le processus de combustion Ce type de cycle se ca- 20 ractérise par un pourcentage élevé de puissance totale fournie par le système à vapeur et son rendement global est fortement affecté par le cycle de vapeur Les cycles a fort excès d'air ont un panrcentage plus élevé de puis- sance totale produite par la turbine à combustion. 25 Te niveau de pression du lit peut différer en fonction de la position du lit fluidifié sous pression dans le cycle thermodynamique Des niveaux de pression se situant de une à quelques atmosphères peuvent être ob- tenus Le choix d'un excès d'air élevé ou faible (avec le 30 choix adiabatique de refroidissement d'air ou de refroi- dissement de vapeur dans le lit) associé avec le niveau deépression dans le lit offre une Large plage d'options de cycles. En ce qui concerne la chambre de combustion à 35 lit fluidifié sous pression, dans le présent mode de réa- lisation, le chauffage de l'air du lit se fait dans deux modules identiques supportés par jupe, dont chacun n'entre

12 eux a un diamètre de 15,75 m et une hauteur de 15,85 m. Les modules fonctionnent en parallèle Chaque unité com- porte un lit fluidifié de forme annulaire d'un diamètre extérieur de 10,33 m par 6,25 m qui recouvre un fais- 5 ceau de tubes hori;o:ortaux: Chaque faisceau comporte 7 8 tubes d'acier inoxydable identiques d'un di amètre extérieur de 27,6 mmin et d'une épaisseur de paroi de 4,2 min. ,a longueur effective de transfert de chaleur des tubes est environ 18,5 m. 10 Les tubes sont courbés en forme de serpentin, disposés et supportés en groupes de quatre pour former 192 éléments La disposition en quatre boucles est cou- rante dans la section de récupération de chaleur d'un générateur de vapeur courant de centrale électrique Les 15 quatre tubes de chaque élément forment quatre longueurs de 4,3 m en travers du lit avec un rayon de courbure de 75 mm Les tubes mesurent 2,25 m depuis le tube inférieur jusqu'à l'axe supérieur Après la courbure et l'assem- blage, chaque élément est courbé à un rayon de 3,8 m-et 20 positionné dans l'anneau pour coincider avec les 192 arcs qui décrivent une spirale centrée à 25,3 mm à partir de la circonférence du cercle de départ d'un diam Atre de 3,11 m Les hauteurs au départ des éléments de tubes al- ternent de 75 mm et forment une configuration de tubes. 25 Les hauteurs au départ des éléments de tubes alternent de 75 mm et forment qu'une configuration de tubes étagée ou triangulaire avec des centres de tubes orizontaux centrés à 120 min, à une hauteur de 75 mm Grâce au rayon de courbure de 3,8 m, les éléments suivent des trajets 30 à peu près identiques Gtespace entre les éléments et les tabes est uniforme dans tout l'anneau Le lit se fluidifie uniformément sans formation de canaux ou ségré- gation et l'air se distribue uniformément parmi les 768 tubes. 35 Les éléments de tubes sont supportés par un ensemble de crochets et d'échelles dans lequel les cro- chets engagent des bagues fixées sur les imites intérieu-

* 1 j ras et extcrieures de L'anneau (noyau et p(riph 6 rie). Ln coupant les tubes d'entr 6 e et de sortie à l'extérieur de :a rurion de noyau, il est possible de sortir un éLé- ment individuel de faisceaux de tubes dans L'espace libre M prévu au-dessus du lit pour l'entretien ou le remplacemraent. Des tubulures et des conduites qui amènent et emmènent l'air des éLéments se trouvent à l'intérieur du noyau pour les protéger contre la température du lit de 9000 C L'air pénètre dans le module par des conduites d'un 10 diamètre extérieur de ,00 rîm qui entourent ltaxe central et relient éventuelement une tubulure de 1200 mm près du sommet du noyau ',a tubulure relie et délivre de l'air à une tubulure annulaire d'entrée d'un diamètre de :OO rm par deux conduites de diamètre extérieur de 350 mm, en 15 forme de rayons ,a tubulure annulaire est faite d'un tube en ASCIE SA 106 courbé à un rayon extérieur pour obtenir un diamètre moyen de 3,6 m. Les tubes sont courbés à partir des éléments et pénètrent radialement dans la tubulure En raison du 20 grand nombre de tubes, des bifurcations sont utilisées pour réduire le nombre de pénétrations dans le noyau et la tubulure, et pour donner un espacement raisonnable - dans cette dernière Tes bifurcations réduisent les 768 tubes d'un diamètre extérieur de 48 mmn en 384 tubes d'un 25 diamètre extérieur de 66,7 mm qui sont soudés sur te no- yau par un manchon thermique pour assurer un joint étan- che aux gaz entre le lit et le noyau. En passant par le lit à 900 C, l'air est chauf- fé de 340 à F 15 C et son débit volumétrique est doublé. 30 Pour maintenir les pertes de pression aux vateurs voulues, l'air de décharge est recueilli des éléments dans ce cas par deux sorties de diamètre extérieur de 600 mm et d'une épaisseur de 50 mm en Incoloy 8 OOH, et par deux tubes d'atimentation du type à rayons d'un diamètre extérieur 35 de 50 mnl qui transportent l'air chauffé depuis le module à lit fluidifié sous pression. En ce qui concerne la fourniture et l'échappement

i 4 d'air de combustion, ce dernier est délivré à chaque module de lit fluidifié sous pression à un débit de 0,75 x 10 lzp/h à 5900 C et 4,13 x 105 Pa L'air pénètre radialement dansl'unité par deux buses à manchon ther- mnique d'un diamètre extérieur de 600 min espacées de 1800. A partir de ces buses, l'air sort vers une chambre/ conduite de distribution d'air en acier inoxydable entre le noyau et la coquille sous pression La conduite à une Largeur de 1775 mm, une hauteur de 900 min avec un rayon 10 intérieur de 3,23 m Elle est renforcée avec des haubans intérieurs en tube T'extérieur des parois latérales et du fond sont isolés Le dessus de la chatnfbre/conduite constitue Le dessous du lit fluidifié et contient environ 3200 buses en forme de T de 18,7 mm avec un pas d'environ 15 35,5 cm 2 ,' air pénètre dans les distributeurs en forme de T, subit une perte de pression d'environ 7 x Lo 3 Pa, et se décharge dans le lit à 150 min au-dessus du sommet de la conduite La disposition est telle qu'environ 150 mm de matière de lit est entassé en haut de la conduite pour 20 L'isoler de la température de 9000 C. La conduite en forme de galette est supportée tous les 300 par des entretoises en forme de coudes soudées sur le noyau et la coquille sous pression Des tampons coulissant en céramique sont prévus à chaque en- 25 tretoise et la conduite est clavetée et guidée radiale- ment à l'extérieur de l'axe du module Grâce à cette disposition, la conduite peut tolérer une dilatation thermi- que radiale de 55 mm provoquée par l'air de combustion à une température de 5900 C sans surchauffe de l'acier 30 des supports ou sans fournir de façon non uniforme l'air de combustion au lit. La section transversale de La conduite est suffisamment grande pour permettre les travaux nécessai- res de réparation Un écran solide et souple en haut de 35 la conduite, aux limites intérieure et extérieure évite que la matière du lit ne remplisse les jeux entre le no- yau, la conduite et la coquille.

Au passage par les T de distribution d'air, le courant d'air et de fuméemonte par une région exempte de tubes de 600 mm, passe par un faisceau de tubes de 2,25 m, est recueilli dans une zone libre d'une hauteur de 5 ni et 5 sort par une buse de sortie garnie d'une substance ré- fractaire d'un diamètre intérieur de 2,45 m, sur l'axe du moteur Imniédiatement au-dessus de la buse, les fu- mées se séparent et tournent de 900 dans des tubes de transport garnis de matière réfractaire d'un diamètre in- 10 térieur de 1,42 m dimensionnés pour obtenir une vitesse des gaz de 15,25 m par seconde En démontant une t 8 te elliptique boulonnée au-dessus du point de séparation, il est possible d'accéder directement dans la région du faisceau de tubes pour les travaux importants d'entre- 15 tien, comme le remplacement de tubes qui fuient. ra hauteur de la région libre du module et le diamètre intérieur des buses sont dimensionnés pour per- mettre que les éléments du faisceau de tubes entièrement assemblés soient amenés dans l'unité En coupant cles en- 20 trées et les sorties des éléments, des éléments entiers peuvent être soulevés du faisceau et réparés ou remplacés par du personnel travaillant dans la région libre Poux les inspections normales et les travaux de réparations relativement mineures, le personnel pénètre dans le mo- 25 dule par les trous d'homme prévus dans la coquille sous pression. En ce qui concerne l'alimentation encharbon et en calcaire, ces derniers sont injectés dans le lit flui- difié sous pression dans une région exempte de tubes 30 d'une hauteur de 600 min au-dessus de la conduite de dis- tribution d'air Les conduites d'alimentation de ces ma- tières pénètrent radialement dans la coquille Chaque alimentation a une surface d'environ i 5 cm 2 au fond du lit Deux trains d'injecteurs de charbon Pétrocarb et 35 deux trains d'injecteurs de calcaire sont utilisés pour alimenter chaque module de lit fluidifié sous pression. Un train de chaque matière fournit l'anneau intérieur

16 des alimenteurs Le second train fournit l'anneau exté- rieur Si un train Pétrocarb ne fonctionne pas, du char- bon est encore amené uniformément au lit, le module fonc- tionnant en charge partielle En raison des flux thermiques élevés du lit fluidifié sous pression, une disposition en tube concentrique à double paroi avec une garniture isolante dans l'anneau est prévue pour éviter l'aggloméra- tion de charbon dans les conduites d'alimentation ',a plus grande partie du chauffage se situe dans les derniers 10 centimètres des conduites d'alimentation en raison du flux thermique d'extrémité élevé Si l'on néglige te glissement 1 a durée de résidence du charbon dans cette zone est envi- ron 0,00 '3 seconde. Dans la disposition radiale, les conduites d'ali- 15 mentation ne sont pas considérées comne i es tubes et tous Les coudes sont extérieures à '1 unité Si une conduite d'alimentation radiale est bouchée, elle peut être "tigée" par quelqu'un travaillant à l'extérieur du module Etant donné que les coudes des conduites sont soumis à érosion 20 le fait de les placer à l'extérieur du module permet de détecter rapid ement une rupture. En ce qui concerne l'isolation du lit fluidifié sous pression, une garniture réfractaire à double couche d'une épaisseur de 150 mm protège la coquille sous pres- 25 sion de chauffage d'air et la section de noyau contre la température du lit de 9000 C La graniture consiste en 75 mm de Gun Ilix de Harbison-Walker Hargun ES pour la ré- sistance à l'abrasion, supportés par 75 mn de gun Mix 20 léger de Hlarbison-Walker Le premier contient 2 % en volume 30 de M Ieltex N 19-35 (acier inoxydable type 303). En ce qui concerne l'épuration des gaz chauds, le choix et les spécifications de l'ensetmboe d'épuration des gaz chauds pour un système à lit fluidifié sous pres- sion dépend d'une large variété de paramètres Il convient 35 de séparer le probl me en ces trois éléments majeurs : Entratnement des solides depuis la chambre de combustion dans le système dl épuration de gaz;

17 L Te degré d'élimillation requis (contrainte d'environnement ou de totérances de turiline); Choix d'un équipement disponible susceptibl e de recevoir Ie courant gazeux particutier d'entrée dans 5 l es conditions de sortie voulues En ce qui concerne l 'entratnement des particules, Les facteurs principaux ci-apràs influencent t'entra Ine- ment des particules depuis a chambre de combustion à Lit fluidifié. 10 1 Choix du charbon Un facteur principal est La teneur en cendres du charbon Etant donné que Les cendres d'un lit fluidi- fié sous pression ne sont généralement pas très denses et sont très friables, une large fraction des cendres ar- 15 rivant au lit est éventuellement entratnéedans les fumées pour pénétrer dans le système d'épuration Dans la plu- part des cas, les cendres constituent le contaminant so- lide prédominant dans les fumées La teneur en soufre du charbon contribue indirectement à la charge en parti- 20 cules provenantdu lit car une plus haute teneur en soufre conduit à des taux plus élevés d'alimentation en adsorbant ce qui naturellement produit davantag e de poussières d'ad- sorbant. 2 Choix de l'adsorbant 25 I Les poussières d'adsorbant sont entrainées pour deux causes séparées l,a première est la séparation d'une fraction de poussières dans l'alimentation,qui sont dimen- sionnées de manière que leur vitesse finale soit inférieure à la vitesse du tit Des techniques de broyage et de tami- 30 sage en préparation peuvent influencer considérablement cette source T,a seconde source de poussières d'adsorbant est l'usure par frottement de la matière du lit pendant le fonctionnement Une matière résistant à l'usure par frottement est d'une importance essentielle en cequi con- 35 cerne cette source de poussière Au cours des quelques dernières années, la société Westinghouse a effectué des recherches poussées dans ce domaine et a développé des

18 et a développé des outil S théoriques et expérimentaux pour effectuer des choix appropriés et des précisions de performances pour l'activité chimique de l'adsorbant et sa résistance physique à usure par frottement. 5 3 Choix des paramètres de fonctionnement Plusieurs paramètres liés avec les conditions réelles de fonctionnement du lit affectent nettement l'entratnement Te choix important est la vitesse superficiel- le T'entratnement total à partir d'un lit particulier 10 est à peu près proportionnel au carré de la vitesse super- ficielle Celarésu Lte principalement de la fraction accrue de l'adsorbant amené et des cendres dont la vitesse finale est dépassée Il y a également un effet des taux accrus d'usure par frottement résultant de davantage de colli- 15 sions énergétiques La décision de recycler des poussières avec un cyclone primaire (déterminé par des considérations de rendement de combustion et d'utilisation d'adsorbant) peut avoir un effet important sur la charge totale en pous- sières et la distribution de grosseurs Si un cyclone à 20 recyclage assez efficace est utilisé, un large inventaire des matières des poussières apparatt dans la boucle de re- cyclage Ta masse des matières échappant au cyclone dans le système d'épuration est généralement un peu inférieure à celle des systèmes sans recyclage Mais il est généralement plus précis et beaucoup plus difficile d'éliminer ensuite des séparateurs à inertie D'autres choix de fonc- tionnement et de réalisation tels que l'épaisseur du lit qui affecte les taux d'usure par frottement, les techniques d'alimentation et la géométrie du lit peuvent avoir des 30 effets notables bien que généralement inférieurs sur l'en- tratnement. 4 Choix du train d'épuration des gaz chauds Si le choix des dispositifs d'élimination des particules est limité à ceux qui sont disponibles dans le 35 commerce, des cyclones à haute température et haute pres- sion sont choisis Le plus souvent, un système à cyclone

19 est spécifié pour répondre à la large plage de grosseurs de particules que produit une chambre de combustion à lit fluidifié sous pression Oes cyclones réduisent aussi au minimum le co t en capital, la perte de pression et 5 l'érosion tout en maintenant un rendement global élevé. Ce résultat est obtenu de la façon la plus efficace en étageant des cyclones en série, en commençant par que Lques dispositifs à basse vitesse, à faible chute de pression et de grand diamètre, pour éliminer les plus 10 grosses matières les plus érosives Ces cyclones peuvent avoir un diamètre allant jusqu'à 3,3 à 5 m et sont capables de traiter des débits allant jusqu'à 200 400 000 acfm. Te premier étage est suivi par des cyclones de 0,9 à 2,7 m de diamètre Le nombre de ces cyclones augmente à peu près 15 comme le carré de la diminution de diamètre et les chutes de pression augmentent légèrement. Si un étage final de "finition" d'épuration est nécessaire, deux options existent: un grand ensemble de cyclones de très petit diamètre ( 150 à 250 mn) dans une 20 unité multiple; ou des unités de 0,9 à 1,2 m avec des vi- tesses d'entrée relativement élevées ( 24 36 m/s) Dans des opérations de craquage catalytique, l'orsque la pous- sière circule librement, l'option mu Ltiple est fréquemment choisie Dans les applications aux lits fluidifiés sous 25 pression, il semble que la poussière auto-adhésive pourrait éventuellement conduire à des bouchages et des déséquili- bres de débit dans des systèmes multiples Pour cette rai- son, il est plus prudent d'utiliser un étage final avec des cyclones à grande vitesse d'un diamètre relativement 30 grand de O,9 à 1 ,2 m Cette tentative d'éliminer les der- niers 0,5 à 1 de poussières séparables par inertie entrat- ne une brusque augmentation de prix et de complexité dans la centrale. 5 Conditions d'épuration des gaz 35 Te degré d'épuration des gaz chauds peut 8 tre imposé par des règlements d'environnement ou les tolérances de l'expanseur à turbine (turbine à basse pression) Tes

20 réglementations d'environnement sont sévères mais rai- sonnablement directs En général, les règlements natio- naux imposent des émissions qui soient inférieures à 0,054 kg/106 cal Pour des centrales à lit fludifié sous 5 pression, cela correspond à environ 30 parties par million ou une efficacité globale d'élimination des parti- cules de 99,8 à 99,95 % Jusqu'à présent, aucune restric- tion n'est connue sur la distribution des grosseurs des particules émises. 10 6 Ensembles d'épuration élaborés Les systèmes de filtration à haute température sont en développement permanent Cela comprend des sys- tèmes à sac de fibres de céramique, de feutres tissés ou fibreux, des filtres à membrane de céramique ou des 15 filtres à lits granulaires vune façon générale, au fur et à mesure que ces dispositifs sont perfectionnés, ils permettront de satisfaire les conditions règlementaires ét les tolérances des turbines dans une plus large plage de réalisation des chambres de combustion et des choix 20 de charbon et d'adsorbant. En ce qui concerne l'ensemble de turbines et de génératrices, cet ensemble pour un lit fluidifié sous pression avec réchauffage est une machinerie à un seul arbre comprenant les éléments essentiels suivants. 25 Compresseur et turbine à haute pression - Train réducteur et ensemble de démarrage Génératrice électrique et excitatrice Turbine à basse pression (expanseur de lit fluidifié sous pression) 30 Commande et systèmes auxiliaires En ce qui concerne le compresseur et la turbine à haute pression, L'unité est basée sur l'ensemble W 501, une turbine à combustion courante produite par Westinghouse Electric Corporation La turbine à haute pression et com- 35 presseur fonctionne à 8150 C, bien en retrait des niveaux de fonctionnement des turbines à combustion de la techni- que actuelle (au-dessus de l O (> 50 C).

21 Les caractéristiques de réalisation ci-apres font que la turbine à air à haute pression du syst Ltne à lit fluidifié sous pression diffère des turbines à combustion courantes: 5 Tout ''air comprimé doit être enlevé du carter de moteur pour le délivrer à l'unité de chauffage d'air pour revenir à l'élément de turbine à 813 C. l,es chocs thermiques et la fatigue des parties chaudes de la turbine sont considérablement réduits par 10 le chauffage indirect dans l'unité de chauffage d'air par lit fluidifié sous pression. r,a turbine fonctionne sur de l'air chaud propre plutôt que sur des produits de combustion, qui contien- nent souvent des contaminants contribuant à la corrosion 15 et qui peuvent par ailleurs affecter la longévité des par- ties chaudes. Dans le présent mode de réalisation, le débit d'air du compresseur est environ 350 kp/sec Le couplage de puissance sur l'extrémité froide ou de compression de 20 la machine permet un couplage serré avec le train réduc- teur et élimine la nécessité d'accouplements souples. Tes aubes de la turbine et du compresseur peuvent tre en- tretenues ou remplacées, avec le rotor restant en place dans la moitié inférieure du carter. 25 Tableau 1-1 Résumé des données de réalisation de tubines à air (base: mnodèle testinghouse W 501) DESCRIPTION GENERAL DE 1 ' EQUIPEMENT Vitesse de rotation nominale t/min 3600 30 Nombre d'étages de compression 19 Nombre d'tétages de turbine 2 Portée des paliers de rotor, cm 720 Dimension des paliers du rotor 16 Dimension des paliers de poussée, cm 53,75 35 Poids du rotor, k F 33 125 lotor WR 2, %b-in 2 Charge thermique d'huile de Lubrification, cat/min 14 742

22 ELE 17 EN' COM Pr FESSEUR DONNEES DES ETAGES SELECTIONNES Etage d moyen Hautaur des aubes Angle des aubes 6 moyen 1 1430 452,1 32,0 5 1524 248,9 33,0 5 10 1432,J 162,5 30,6 19 1346,2 76,2 27,7 Matière des aubes: Acier inoxydable 12 % Cr DONNEES DE POEAGISATION DE L'Ef E' IEIT DE TURBINAE Etage d moyen Hauteur Angle des Matière 10 des aubes aubes Omoyen 1 824,5 134,6 32,2 Udimet 720 2 834,0 205,7 32,8 Udimet 720 En ce qui concerne le réducteur à engrenage et l'ensemble de démarrage, le réducteur est nécessaire 15 pour accoupler l'unité de turbine de compresseur à 33600 t/min aveu la génératrice à turbine à expansion à 1800 t/min Le réducteur et 1 ' ensemble de démarrage sont ba- sés sur des éléments confirmés, et contrôlés en fonction- nement. 20 T Le système de démarrage consiste en un moteur élec- trique et en une unité d'entratnement d'engrenage Plusieurs fonctions sont remplies par l'équipement de mise en rotation de l'ensemble turbine-génératrice Tout d'abord, il produit le couple nécessaire pour accélérer 25 l'arbre à partir de _L'arrêt Ensuite, il développe le couple nécessaire pour accélérer l'ensemble d'arbre jus- qu'à la vitesse d'auto-entretien Troisièmement, il four- nit le couple nécessaire pour ralentir L'ensemble d'ar- bre après une interruption afin d'éviter toute déforma- 30 tion thermique ou courbure de l'arbre du rotor. En ce qui concerne la génératrice électrique, elle consiste en une unité conventionnelle refroidie à L'hydrogène Le rotor est d'un type à p 8 les non sail- lantes: lesp 6 les magnétiques ne peuvent être distingués.

23 Cette conception se caractérise par une surface lisse et un diamètre relativement réduit, permettant des jeux serrés entre les parties tournantes et fixes afin de re- duire au minimum les pertes dans les enroulements L'ex- 5 citatrice est du type sans balai, entrainé directement par l'arbre de la génératrice. En ce qui concerne La turbine à basse pression (LP) ou expanseur, elle 'est le seu L élément du train qui utilise une conception différente de la machinerie à tur- 10 bine àombustion courante Pour réduire au minimum l'éro- sion, la coixosicaet les dép 8 ts potentiels provenant du système d'épuration des produits de combustion du lit fluidifié sous pression, des caractéristiques spéciales de conception sont incorporées dans la turbine à basse 15 pression et le cycle thermique. la température d'entrée est maintenue au- dessous de 905 O C pour assurer que les matières alcalines se condensent et se solidifient avant d'entrer dans le trajet des aubes. 20 la vitesse des gaz par rapport aux aubes est maintenue au-dessous de 240 m/s pour réduire l'érosion au minimum. la vitesse de rotation des aubes est maintenue au-dessous de 300 m/s pour réduire au minimum 1 'ér sion 25 par le courant seonndaire et la concentraion de champs centrifuges des matières en particules. des cordes accrues entre les aubes (faible rapport d'aspect) l'espace entre lesrangées et l'épais- seur du bord arrière conduisent à des aubes plus robustes. 30 à revêtement ou à placage des aubes augmente Leur résistance à La corrosion et à l'érosion. l'entrée de courant axial réduit les concen- trations en particules. Ces caractéristiques de réalisation donnent 35 lieu à une turbine de base plus robuste qui peut être poussée en température de fonctionnement depuis moins de 705 O C jusqu'à 900 C sans changement majeur, pour l'utili- sation dans les modes de réalisation des figures 2 et 4.

24 1 iais la robustesse appliquée est facilement obtenue par les techniques actuelles, comparativement à la haute ro- bustesse spéciale nécessitée par la technique antérieure décrite en regard de La Fig 1. ~~ 5 I~REALISATION DE ,A TURBINE A i ASSE PRESSION Vitesse O 1800 t/min Nombre d'étages 3 Diam ext à t'entrée 3077,16 mm 10 Diam au moyeu à lt'entrée 2088,65 mm Diam Ext à la sortie 32 b 5 mm Diam au moyeu à t'entrée 283,65 mm VITESSE DES GAZ PAR RAPPORT AUX AUBES (MOY Er NE) Température Rangée 650 C 900 C 15 d'entrée m/sec m/sec m/sec. O 129,6 168,2 1 188,3 259,5 2 170,8 244,7 3 168,4 236,8 20 4 160,5 221,9 5 157,4 181,6 6 155,7 177,6 Roues espacées au maximum, dernière rangée au sommet égal 307,9 m/sec. 25 En ce qui concerne le système de commande de gén 6ratrice à turbine, la commande de turbine pour l'applica- tion à la centrale à 1 it fluidifié sous pression est à la fois simple et sûre de par sa nature f,a stratégie de com- mande pour l'ensemble du système à lit fluidifié sous pres- 30 sion est basée sur l'utilisation d'une variable de comman- de principale (température d'entrée de la turbine à haute pression) qui est extérieure au rechauffeur d'air pour main- tenir relativement constante la température du lit en vue d'une capture optimale du soufre et une réponse rapide à 35 la charge Cette commande régule le courant d'air par le moteur entre lto O et 8 e de charge et permet à la turbine

et au Lit de fonctiorner -à une température constante dans cette plaae Etant donné que le rapport d'expansion de La turbine diminue avec L e débit, la température d'échappement de la turbine aurmente lérèremnent dans cette S plage de commande. Au-dessous d'une charge de RY',, La température d'entrée de la turbine à haute pression est réduite par une dérivation du rechauffeur d'air qui permet au compres- seur de refouter de l'air pour le mélanger avec L'air de 10 sortie du réchauffeur afin d'obtenir la température re- quise à L'entrée de la turbine fa température du Lit est ainsi maintenue à un niveau presque constant ce qui appor- te un important avantage à la fois pour La capture du sou - fre et le rendement de la combustion En outre, en mainte- 15 nant la matière du lit, Les tubes et le carter à une teml- pérature fixe, les augmentations de charge peuvent être relativement rapides car l'inertie thermique devient un avantage plut 8 t qu'un inconvénient Cette solution exploi- te également les caractéristiques d'une turbine à combus- 20 tion à un seu L arbre o la charge du compresseur est appliquée continuellement à l'élément de turbine produi- sant de l'énergie Dans ce cas, le réglage au ralenti ou h puissance nette minimale est atteint avec environ 25 % de la charge complète passant encore par Les tubes de re- 25 chauffage d'air Par conséquent, même dans des conditions de pleine dérivation, il existe un courant d'air de re- froidissement notable passant par les tubes deréchauffage d'air. l.es deux éléments de commande principaux, 30 à savoir les aubes de guidage d'entrée (IGV) et la déri- vation de rechauffage d'air remplissent les fonctions de régulation d'état permanent et de changement de charge. Pour une diminution rapide de charge comme cela est néces- saire pour la protection contre la suivitesse, une déchar35 ge du compresseur vers la dérivation d'échappement de la turbine et une dérivation de turbine à basse pression ain- si qu'une vanne d'étranglement de turbine à basse pression sont prévus.

Ces vannes fonctionnent lorsqu'une réduction rapide de charge est nécessaire ',e dispositif de commande ramène ces vannes en position fermée avec les aubes de guidage d'entrée et la dérivation de rechauffage d'air. 5 Fa sortie du compresseur vers la dérivation d'échappement de turbine est intégrée avec l'alimenta- tion en charbon par le dispositif de commande Cette in- tégration évite une température exagérée du lit pendant une diminution rapide de charge en diminuant simultané- 10 ment le taux d'alimentation en charbon Pendant cette période transitoire, la commande de rapport d'air-com- bustible retarde la réduction de courants d'air du lit pour en réduire encore la température. Quand l'angle des aubes est réduit (vers la 15 fermeture) le courant d'air d'entrée vers le compresseur est réduit Cela décale en fait la Ligne de vitesse con- stante à 3600 t/min sur le rapport de pression du com- presseur en fonction du débit, vers la gauche Cela aug- mente également la marge de surpression du compresseur 20 aux débits inférieurs Par conséquent, la commande IGV est également utilisée pendant le démarrage pour éviter une surpressionquand le compresseur accélère dans la plage des vitesses inférieures. La dérivation de rechauffage d'air commence à 25 s'ouvrir quand le réglage de température d'entrée de la turbine est réduit pour diminuer la charge ou la vitesse. Quand le débit passe à l'extérieur des tubes de rechauffage, la température de sortie du rechauffeur s'élève vers 8700 C Cela tend à augmenter l'importance de la dé- 30 rivation nécessaire pour obtenir unréglage donné de tem- pérature d'entrée de la turbine La puissance de sortie de la turbine varie avec la température d'entrée et une dérivation de 67 % est nécessaire pour correspondre au réglage de ralenti à pleine vitesse sans étranglement 35 du circuit des tubes de rechauffage Etant donné que cet- te valeur de dérivation nécessite de très larges condui- tes et vannes, une vanne à étranglement peut être utilisée dans le circuit de chauffage pour réduire les dimen-

sions de ces éléments La vanne à étranglement inter- vient apres que la dérivation est complètement ouverte pour augmenter La chute de pression Elle diminue non seulement la dimension de la conduite de dérivation et 5 de La vanne nécessaire pour le passage du débit mais di- minue également L'importance de la dérivation nécessaire en augmentant la température d'entrée de la turbine au ralenti. Ges vannes de sortie de compresseur (CD) et de 10 dérivation de turbine à basse pression (n I) constituent un moyen rapide de décharger la turbine pour éviter une condition de survitesse comme cela peut être nécessaire si le disjoncteur de la génératrice déclenche à pleine charge Ta dérivation CD permet d'amortir une partie de 15 l'air de sortie du compresseur, directement à l'échappement de la turbine Simultanément, une ouverture s'ouvre à l'entrée Tr pour décomprimer rapidement la coquille de lit fluidifié sous pression et le système d'épuration. Des dispositions sont nécessaires pour contrôler la vites- 20 se de la turbine dans le cas d'une perte de charge. En ce qui concerne le démarrage de l'ensemble, une procédure de démarrage relativement simple et rapide est prévue pour le système à lit fluidifié sous pression. Un brèleur de démarrage auxiliaire est incorporé dans la 25 conduite de dérivation de chauffage d'air à haute pression dans laquelle dans des conditions normales de fonctionne- ment, aucune perte de pression n'est introduite Le bru- leur est utilisé pendant le démarrage pour chauffer la turbine à combustion et permettre à l'unité d'atteindre 30 sa vitesse synchrone d'auto-entretien en vingt minutes ou moins A ce moment, la température des gaz d'entrée du lit fluidifié peut être réglée pour atteindre environ 5400 C pour l'allumage du charbon Quand le lit est allumé, le coni- L)ustible du bruleur de démarrage est réduit, en passant 35 du combustible de démarrage à L'allumage complet du charbon. Avec un démarrage rapide, comme décrit, l'éner- gie extérieure nécessaire pour amener la centrale en ligne

est réduite. En ce qui concerne les systèmes support et auxi- liaires, ilscomprennent des éléments suivants& alimentation en charbon et en calcaire 5 décompression des matières épuisées canalisation des gaz chauds réception, préparation et emmagasinage du charbon et de t'adsorbant traitement et élimination d'adsorbant épuisé 10 et des cendres épuration des fumées (si nécessaires) traitement et complément d'eau évacuation et eaux perdues circuits électriques 15 1 Les dispositifs d'alimentation en charbon et en calcaire sont essentiellement de même conception. Ils utilisent un système d'alimentation à trémie ver- rouillée fabriqués par Petrocarb Incorp Qrated de Bloomfield, New-Jersey Le dispositif Petrocarb consiste 20 en un casier à surpression qui reçoit le charbon ou le calcaire, une trémie à verrouillage dans laquelle la matière est mise sous pression, un récipient d'alimen- tation qui alimente et distribue les matières et un cer- tain nombre de conduites de transport pneumatiques à 25 phase dense Les trois récipients sont empilés vertica- lement et fournissent la matière par gravité par des vannes d'un récipient au suivant. L'ensemble fonctionne de la manière suivante: La matière est d'abord amenée dans la trémie à verrouil- 30 lage par le casier à surpression Les vannes d'isolement entre la trémie à verrouillage et le casier à surpres- sion et la vanne à verrouillage et le récipient dtalimentation sont alors fermés De L'air comprimé est in- troduit dans la trémie à verrouillage, amenant l'ensem- 35 ble de surpression La vanne d'isolement entre la trémie à verrouillage et le récipient d'alimentation est alors ouverte et la matière tombe dans le récipient d'alimen- 29) tation sous pression ,a vanne d'isolement est alors fermée et la trémie est évacuée pourcomnencer un autre cycle De L'air est injecté dans le récipient d'al imen- tation pour fluidifier La matière dans les conduites de transport par lesquelles e lle est convoyée en un mélange de phase dense avec l'air vers la chambre de combustion à lit fluidifié sous pression. 1,a vitesse de transport des matières est com- mandée en modifiant la pression du récipient d'alimenta- 10 tion et les débits d'air de transport. 2 En ce qui concerne la décompression des mnia- tières épuisées, ces dernières sont drainées par gravité depuis la chambre de combustion à lit fluidifié sous pres- sion, par t Les conduites de transfert avec un revêtement intérieur réfractaire, qui pénètrent dans la plaque de distribution d'air de la chambre de combustion Le taux d'élimination est déterminé par des vannes à papillon situées dans les conduites de transfert et le débit est dirigé vers des trémies situées à l'extérier du réci- 20 pient sous pression du lit fluidifié A partir de la tré- mie, la matière du lit épuisée passe par une vanne d'isole- ment vers une trémie à verrouillage située directement au- dessous Quand la trémie a été remplie de la matière du lit jusqu'à un niveau prédéterminé, la vanne d'isolement 25 est fermée, la trémie est décompressée, la vanne de sortie est ouverte et la matière est drainée jusqu'à un système de transport qui l'amène à des systèmes de refroidissement et d'élimination Pendant le temps o La trémie est vidée, de la matière du lit continue à tredrainée30 depuis la chambre de combustion pour être recuei Llie dans les trémies Quand les trémies à verrouillage sont vidées, e Lles sont isolées et remises sous pression, après quoi la vanne d'isolement entre la trémie à surpression et la trémie à verrouillage est ouverte pour transférer de la 35 matière de la trémie à verrouillage et redéclencher le cy- cle.

30 Etant donné que les vannes d'isolement et de drainage sont soumises à un service sévère, elles sont prévues par paires qui fonctionnent en série (deux pour l'isolelent et deux pour le drainag-e) ,a première est 5 utilisée pour bloquer le débit des solides et la seconde assure l'étanchéité à la pression. 3 En ce qui concerne les conduites pour les gaz chauds, l'ensemble des conduites qui relient La chambre de combustion à lit fluidifié sous pression avec le turbo- 10 compresseur et la turbine à gaz permet de transporter L'air ou les gaz d'échappement de la chambre de combustion avec sécurité et avec un minimum de perte de chaleur tout en évitant toute contamination avec des matières en parti- cules. 15 ,a conduite depuis le faisceau des tubes de chauf- fage d'air du lit fluidifié sous pression vers la turbine à gaz conduit un air à 815 C L'intérieur de la condui J est garni avec une matière réfractaire pour réduire au minimum les pertes de chaleur et protéger la conduite con% 20 tre des températures excessives Pour réduire le risque que de l'air propre soit contaminé par l'effrittement de la matière réfractaire, cette dernière est recouverte d'une gaine métallique Des centrages intérieurs emboîtés sont prévus pour absorber la dilatation radiale, permettre le 25 guidage d'une dilatation axiale et maintenir l'alignement. Des joints coulissants emboîtés évitent l'élimination de La matière réfractaire et les conduites comportent des arrêts de vapeur pour éviter la dérivation des gaz Les conduites de transfert emboîtées sont d'une conception 30 de Foster-Wheeler Process Plants Division. Une conduite partant de la chambre de combustion vers le cyclone entraîne les gaz d'échappement de la cham- bre de combustion chargée en particules, àune température de 900 C Ces conduites sont faites d'acier au carbone et 35 contiennent deux couches de garniture réfractaire inté- rieure pour les protéger des gaz à haute température. La couche en contact avec les gaz résiste à L'abrasion

31 (face dure) et protège l'isolant léger qui se trouve à l'arrière contre l'érosion et l'abrasion La garni- ture en deux éiéments est fixée à la conduite par des goujons d'acier au carbone et des pinces d'acier inoxy- 5 dab Le Des arrêts de vapeur en acier au carbone sont utilisés o cela est nécessaire pour éviter l'élimina- tion et la dérivation de matières réfractaires. Des conduites emboîtées depuis les cyclones vers les points de repos ou de mélange conduisent les gaz 10 d'échappement de La chambre de combustion, relativement exempts de particules. La conduite partant du point de mélange vers L'ïxpanseur à turbine conduit des gaz de sortie mélangés de la chambre de combustion à moins de 705 C et elle 15 consiste en un tube d'alliage d acier avec une isolation extérieure similaire à celle des conduites qui se trou- vent dans les usines à craquage catalytique. 4 En ce qui concerne la réception, la prépara- tion et l'emmagasinage du charbon et de l'adsorbant, les 20 systèmes d'alimentation en charbon et en calcaire re- çoivent le charbon et le calcaire et les distribuent par des piles de stockage, des silos et des magasins in- térieurs Les silos intérieurs de charbon et de cal- caire emmagasinent une réserve de 24 heures; des silos 25 extérieurs de charbon et de calcaire emmagasinent une réserve de sept jours Le silo de charbon assure deux jours d'emmagasinage actif et cinq jours de réserve Une pile de stockage extérieur maintient une réserve de 90 jours ce qui protège la centrale contre les interrup- 30 tions à longr terme de fourniture de charbon. 5 En ce qui concerne la manutention et l'éli- mination de l'adsorbant épuisé et des cendres, le système d'élimination de la pierre usée et des escarbilles reçoit les matières épuisées des cyclones, du lit f Luidi- 35 fié et de l'épurateur, et La délivre à des silos de sto- ckage pour leur élimination be système d'élimination de pierre usée fonctionne continuellement, convoyant la

pierre usée dans un système pneumatique sous pression. ra pierre est éLiminée du courant d'air par un collecteur à cyclone; l'air émis et les poussières sont déchargés dans le silo à poussières (escarbilles); et la pierre pas- 5 se au silo de matière brute (pierre usée). Le système d'élimination des escarbillesfonc- tionne -continuellement et Les silos à pierre usée et à escarbilles sont dimensionnés pour emmagasiner un stock de 3 jours Les escarbilles sont entra nées dans un sys- 10 tème pneumatique sous pression Les cendres sont déchar- gées au silo des poussières (escarbilles). Un résumé des performances est donné ci-après. Chacun des deux modules à lit fluidifié sous pression chauffe 0,625 x 106 kg/h d'air à 1,225 x 106 Pa, de 3400 C 15 à 815 C en brftlant du charbon dans des lits fluidifiés a 900 C, 0,413 x 106 Pa La combustion se fait dans deux lits fluidifiés annulaires d'un diamètre extérieur de 10,37 m et d'un diamètre intérieur de 6,25 m, d'une sur- face de 53,7 m 2 avec un excés d'airde 2 %(Y compris l'air 20 nécessaire pour les systèmes de transport pneumatique Petrocarb de charbon et de calcaire). Du charbon et de l'air de combustion à 5950 C, 0,413 x 106 Pa sont fournis à chaque module, respective- ment à 19525 kg/h et 176217 kg/h Chaque module a un 25 faisceau de tube à pas triangulaire avec une surface de tubes horizontaux d'environ 2109 m 2 Chaque faisceau a m 2 une surface de tubes horizontaux d'environ 2109 m et 768 tubes d'un diamètre extérieur de 47,6 mm, 118 mm centre à centre, avec une hauteur de 75 mm L'axe de tube 30 de bas en haut a une hauteur de 2,35 m re lit fluidifié fonctionne avec une vitesse superficielle du gaz d'envi- ron 0,9 m/s et une hauteur du Lit expansée de 3,12 m. Pour satisfaire les niveaux permis d'émission 502, le cal- caire est fourni avec un rapport Ca/S du combustible de 35 1 ,5 Le calcaire capture au moins 90 %, du soufre Les con- ditions de fonctionnement du lit f'uidifié font qu'il et est nécessaire de reéinjecter de la matière décantée

des 'its et capturée dans Les cycl ones un retour au lit pour améliorer le rendement de ta combustion T Sur cette base d'un passage, le rendement de laombustion doit être de 9 " et les émissions ?'0 sont prévues à j 0,45 kg/10 calories La matière est décantée du lit a un taux de 9,5 gr/Scf Un coefficient de transfert ther- mique de lit à tubes d'environ 151 cal/h/m 2 est espéré. ',e rendement de ta combustion et le coefficient de transfert thermique du lit au tubes utilisé dans la 10 conception du rechauffeur d'air à Lit fluidifié sont ba- sés sur des va Leurs réellement mesurées dans une installa- tion d'essai de lit fluidifié Curl, sur une configuration similaire de faisceau de tubes Foster-Wheeler. La Figure 4 montre un autre mode de réalisation 15 de l'invention, avec des éléments de base semblables à ceux de la Fig 3 Mrais le courant d'air en dérivation sur le lit fluidifié dans ce cas est dirigé depuis une con- duite 51 par un second rechauffeur d'air 50 dans le lit fluidifié sous pression.

20 Il en résulte que te courant de gaz dans la conduite 52 est un mélange des gaz chauds provenant du lit fluidifié et de gaz d'échauffement de turbines propres rechauffés provenant de la conduite 51 l,a température du gaz d'entrée pour la turbine à basse pression 54 est donc 25 augmentée comme à 900 C Par conséquent, te système 503 d'épuration des gaz du lit fluidifié est prévue avec une capacité supplémentaire de filtration, I)erlme;tant que la tur;)ine a basse pression 5 j 4, qui est de conception robuste, to'lre ta températureccrue des raz d'entroe. Comi ie le montre l a Figure ;_, le mode de réali- sation de 'a '?iure 4 avec une température du lit de 955 C et des températures d'entrée de turbine 't haute pression et à basse pression de 9000 o C, est accouplée avec un systè- me à vapeur (o à ')400 C-3400 C, 1 (;,g x 106 Pa pour produire 35 un taux de chaleur g Lobal au-dessous de 2000 cal/kl Fh et un rendement thermique supérieur à 4 X Sur la Fig 5, le système de vapeur 302 est couplé avec le mode de réaliZ 528493 :34 sation de la Figure 3 Des valeurs d'équilibre énergé- tique sont indiquees pour Les systèmes des cycles cor l- binés des iig 5 et e.

Claims

REVENDICATIONS .CLMF: 1 Ensemble de chambre de combustion à lit flui- difié sous pression , à rechauffage, pour une centrale électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un compres- seur ( 26) pour comprimer de l'air d'une source relative- 5 ment propre jusqu'à une valeur élevée prédéterminée, une turbine à gaz à haute pression ( 32), une unité ( 22) comportant un lit absorbant et un dispositif de fourni- ture de combustible, des tubes d'échange thermique ( 28) disposés en relation d'échange thermique avec ledit lit 10 de chambre de combustion, un dispositif pour diriger la sortie de l'air du compresseur vers lesdits tubes d'échange -thermique, un dispositif ( 33) pour diriger l'air de sortie chauffé desdits tubes d'échangeur ther- mique vers l'entrée de la turbine à haute pression pour 15 entratner ladite turbine à haute pression, un dispositif pour diriger au moins une partie de l'air de sortie sous pression de ladite unité de chambre de combustion pour Stre rechauffée pour fluidifier ledit lit et y alimenter la combustion du combustible, un dispositif 20 ( 36) pour épurer le gaz de sortie préchauffé de la cham- bre de combustion pour protéger les parties chaudes de laturbine contre des dégradations dues autrement à l'en- tra nement depuis ladite unité de chambre de combustion, une turbine à basse pression ( 38), un dispositif ( 40) 25 pour produire de l'énergie électrique, un dispositif ( 34) pour relier lesdites turbines à haute pression et à basse pression dans une disposition prédéterminée afin d'entraîner ladite génératrice et ledit compresseur, un dispositif pour diriger le gaz épuré et rechauffé 30 vers l'entrée de la turbine à basse pression pour entratner ladite turbine à basse pression, un dispositif pour diriger le g az de sortie de ladite turbine à basse pres- sion vers un dispositif de récupération de chaleur pour fournir une énergie supplémentaire pour te fonctionne- 35 ment de la centrale électrique et un dispositif ( 31) pour commander le niveau de fonctionnement dudit en- semble de chambre de ombustion.

2 Ensemble selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'une partie de l'air de sortie de la tur- 5 bine à haute pression est dirigée vers le Lit dé ladite unité de chambre de combustion, un dispositif étant prévu pour diriger un équilibre de dérivation de l'air de la turbine à haute pression dans un trajet qui échap- pe audit lit de chambre de combustion et qui mélange 10 ledit air dérivé avec les gaz chauds de sortie de la chambre de combustion en aval dudit dispositif d'épura- tion et en amont de l'entrée de ladite turbine à basse pression.
3 Ensemble selon la revendication 2, carac- 15 térisé en ce que des seconds tubes d'échange thermique sont disposés dans ledit lit de chambre de combustion, ledit circuit de dérivation comprenant lesdits seconds tubes d'échange thermique.
4 Ensemble selon la revendication 1, carac- 20 térisé en ce que Ledit dispositif de commande comporte un dispositif pour dériver ane partie du débit de sor- tie du compresseur sur lesdits premierstubes d'échange thermique vers l'entrée de la turbine à haute pression pour commander la température de l'ir d'entrée de la 25 turbine à hauterression.
5 Ensemble selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le combustible de ladite unité de cham- bre de combustion est du charbon.
6 Ensemble selon la revendication 2, carac- 30 térisé en ce que Le débit de dérivation est proportion- né aux gaz de sortie de la chambre de combustion pour obtenir un débit mélangé de gaz d'entrée de turbines à basse pression àune température inférieure à la tempéra- ture de vaporisation des matières alcalines entraînées 35 provenant de ladite unité dechambre de combustion.
7 Ensemble selon La revendication 2, carac- térisé en ce que ladite turbine à haute pression four- nit au moins une majeure partie de l'énerie d'entraine- ment dudit compresseur et Ladite turbine a basse pression entra 2 ne Ladite génératrice et fournit une puissance sup- plémentaire nécessaire pour entratner edit compresseur.

Ensemble selon la revendication L, caractéri- sé en ce que ledit dispositif de recupération de chaleur est un générateur de vapeur à récupération de chaleur par Lequel le raz de sortie de la turbine à basse pression est dirigé. 10
9 Ensemble selon la revendication 2, caractéri- sé en ce qu'il est adapté au réaménagement d'une centrale à vapeur, Ledit dispositif de récupération de chaleur comprenant un dispositif qui dirige une partie des gaz de sortie de la turbine à basse pression vers une entrée 15 d'air d'une chaudière dans ladite centrale à vapeur, et un refroidisseur de gaz en pile qui reçoit de l'énergie thermique du reste des gaz de sortie de la turbine à va- basse pression pour chauffer l'eau d'alimentation de la chaudière. 20
10 Ensemble selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la turbine à basse pression est rendue ro- buste contre les dégradations dues à l'entratnement de- puis la chambre de combustion, seulement dans la mesure nécessaire pour le fonctionnement au-dessous d'une tempé- 25 rature d'entrée des gaz de la turbine égale ou inférieure à environ 7050 C.