FR2576968A1

FR2576968A1 - Procede et dispositif pour l'exploitation d'une centrale electrique

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Publication number: FR2576968A1
Application number: FR8600922A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-02-02
Filing date: 1986-01-23
Publication date: 1986-08-08
Also published as: US4720968A; SU1521284A3; GB8531116D0; NL8600063A; JPS61178505A; GB2170555B; GB8526052D0; AU5172785A; AU589389B2; CA1272383A; ZA859763B; GB2170555A

Abstract

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR L'EXPLOITATION D'UNE CENTRALE ELECTRIQUE AU MOYEN D'UN CYCLE COMBINE DE TURBINE A GAZ - TURBINE A VAPEUR, DANS LEQUEL L'AIR DE COMBUSTION ETOU LE GAZ COMBUSTIBLE ALIMENTE A LA TURBINE A GAZ 8 EST REFROIDI APRES UN PREMIER ETAGE DE COMPRESSION 1, AU MOYEN DE CONDENSAT PROVENANT DE LA TURBINE A VAPEUR 11, ET PRECHAUFFE PAR DE LA VAPEUR SOUTIREE APRES UN DEUXIEME ETAGE DE COMPRESSION 3 ET EST ENSUITE PORTE A HAUTE TEMPERATURE PAR LES GAZ DE FUMEE DU GENERATEUR DE VAPEUR 8, GRACE A L'UTILISATION DE SODIUM COMME SUPPORT DE CHALEUR.

Description

Procédé et dispositif pour]'exploitation d'une

centra]le électrique.

L'invention est relative à un procédé et à un dispositif pour l'exploitation d'une centrale électrique au moyen d'un cycle combiné de turbine à gaz - turbine à vapeur dans le- que] 'air alimenté dans]a turbine à gaz est chauffé au

moyen de la chaleur provenant de]a centrale à la vapeur.

Le gaz nature] qui a été disponible à bon prix pendant de nombreuses années à favorisé, grâce à ses propriétés de

combustible, le développement d'installations dites combi-

nées dans lesquelles le cycle de Joule est couplé au cycle de C] ausius/Rankine. Ce couplage est effectué de manière tell]]e que le cycle à vapeur est précédé d'une turbine à gaz fonctionnant au gaz naturel. Les gaz d'échappement de celle-ci sont alimentés dans Ie générateur de vapeur du cycle à vapeur et y produisent, à partir de la chaleur

retirée de la turbine à gaz, sans combustion supplémen-

taire, dans le générateur de vapeur monté en amont, la vapeur destinée au circuit de vapeur correspondant. De cette manière, on peut profiter des avantages-.des deux

cycles tout en éliminant leurs inconvénients.

On obtient ainsi des rendements qui sont supérieurs à ceux que l'on obtient, dans les mêmes conditions de fonctionnnement, avec des cycles non couplés de Joule ou de Clausius-Rankine. L'énergie nécessaire aux deux cycles est uniquement produite par].a combustion de gaz nature]l dans la chambre de combustion de l.a turbine à gaz, tandis que le générateur de vapeur du cycle à vapeur est constitué

par une chaudière de récupération.

Les températures maximales apparaissant lors de la com-

bustion stoechiométrique des gaz dans]la chambre de com-

bustion de la turbine à gaz dépassent les températures actuellement contrôlables à l'entrée des turbines à gaz. Un

abaissement de la température de combustion du mélange gaz-

air par refroidissement des parois de la chambre de combus-

tion avec production simultanée de vapeur ou par augmenta-

tion de l'excès d'air dans la chambre de combustion est, de

ce fait, inévitable.

Si l'on réalise cet abaissement de la température de com-

bustion dans la chambre de combustion de la turbine à gaz par un excès d'air correspondant, les gaz d'échappement de la turbine à gaz contiennent de l'oxygène non lié; celui-ci

permet de brûler du combustible supplémentaire dans le généra-

teur de vapeur monté en aval de la turbine à gaz.

Grâce à cette combustion supplémentaire, il est possible d'augmenter les températures des fumées de la combustion du générateur de vapeur audessus des températures des gaz d'échappement de la turbine à gaz; ce qui permet l'obtention

de paramètres de la vapeur plus élevés dans le circuit de va-

peur et, par conséquent, un rendement amélioré du cycle de

vapeur disposé en amont.

Cependant, plus la température maximale admissible à

l'entrée de la turbine à gaz augmente, plus l'excès d'air né-

cessaire à l'abaissement de la température de combustion dimi-

nue et donc aussi la teneur en oxygène des gaz d'échappement de la turbine à gaz, étant donné que la combustion dans la

chambre de combustion de la turbine à gaz s'approche des va-

leurs stoechiométriques. Dans la même mesure, se réduit cependant aussi la possibilité d'utiliser du combustible supplémentaire avec les gaz d'échappement de la turbine à gaz,

dans le générateur de vapeur monté en aval qui vise à augmen-

ter la température des fumées au-dessus de la température

des gaz d'échappement de la turbine à gaz.

Les prix récemment en augmentation du gaz naturel sont à l'origine d'un développement qui oriente la production

d'électricité dans les centrales électriques thermiques, pa-

rallèlement à l'énergie nucléairede nouveau vers le char-

bon à titre de support d'énergie primaire, les avantages des cycles combinés chauffés au gaz étant également recherchés dans le cas de centrales chauffées au charbon et montées à

la manière du cycle combiné turbine à gaz - turbine à vapeur.

Le but de l'invention vise à fournir un procédé et un dis-

positif pour l'exploitation d'une centrale électrique du type susmentionné, dans lesquels on obtient une fraction

d'énergie nécessaire la plus élevée possible par combus-

tion directe de charbon et, simultanément, une augmentation

du rendement du cycle combiné.

Le principe à la base de l'objet de l'invention consiste à retirer de la chaleur du circuit de la turbine à gaz et du

circuit de la turbine à vapeur et de l'amener à l'autre cir-

cuit chaque fois à un endroit o la chaleur entraîne, grâce

à son niveau de température, une amélioration de l'installa-

tion globale et une diminution de la demande en gaz de

l'installation de turbine à gaz.

Plus particulièrement, selon la présente invention, le but est atteint, en première ligne, par l'utilisation d'un

support de chaleur qui est liquide à des pressions peu éle-

vées jusqu'à des températures élevées, dans un échangeur de

chaleur qui est en contact avec les gaz de fumée de la cen-

trale à la vapeur et/ou de vapeur provenant de la centrale à la vapeur pour chauffer l'air alimenté dans la turbine à gaz et/ou dans la combustion de la centrale à la vapeur. De

plus, le but est également atteint, éventuellement en combi-

naison avec la solution précédente, par l'utilisation d'un

support de chaleur qui est liquide à des pressions peu éle-

vées jusqu'à des températures élevées dans un échangeur de

chaleur qui est en contact avec les gaz de fumée de la cen-

trale à la vapeur et/ou de la vapeur provenant de la centrale à la vapeur pour le chauffage préalable du gaz combustible

alimenté dans la turbine à gaz. Finalement, le but est éga-

lement atteint, éventuellement en combinaison avec les solu-

tions susmentionnées, par l'utilisation d'un support de cha-

leur qui est liquide à des pressions peu élevées jusqu'à des températures élevées,9 dans un échangeur de chaleur qui est en contact avec les gaz d'échappement de la turbine à gaz, pour le chauffage de!'air alimenté dans la turbine à gaz et/ ou dans la combustion de la centrale à la vapeur et/ou pour le préchauffage du gaz de combustion alimenté dans la turbine

à gaz.

Grâce à l'utilisation d'un support de chaleur liquide à des pressions peu élevées jusqu'à des températures élevées, on peut retirer de la chaleur à température élevée des gaz de fumée provenant de la centrale à la vapeur. La chaleur sert à préchauffer l'air nécessaire au fonctionnement de la turbine àgaz et/ou le gaz combustible à une température éle- vée. La quantité de chaleur nécessaire pour ce faire ne doit

donc plus être fournie au circuit de la turbine à gaz, c'est-

à-dire dans la chambre de combustion, par combustion de gaz, mais elle est obtenue par la combustion de charbon dans la

chambre de combustion de la centrale à la vapeur.

Les mêmes remarques sont d'application, lorsque de la va-

peur provenant de la centrale à la vapeur sert à injecter de la chaleur de la centrale à la vapeur dans le circuit de la turbine à gaz. Dans ce cas, les températures sont toutefois

plus basses de sorte qu'on utilise la vapeur à titre de sup-

port de chaleur, de préférence dans un premier étage d'un pré-

chauffage à plusieurs étages de l'air et du gaz combustible, tandis qu'on utilise le support de chaleur qui est liquide

à des pressions peu élevées jusqu'à des températures élevées.

La quantité de chaleur soutirée de la vapeur et des gaz de fumée de la centrale à la vapeur peut devenir tellement grande, qu'une.adduction de chaleur supplémentaire provenant de la combustion du gaz combustible dans la chambre de combustion n'est plus nécessaire et que la turbine à gaz travaille comme

une turbine fonctionnant uniquement à l'air.

Il est également possible de faire fonctionner le cycle combiné uniquement avec de la chaleur soutirée des gaz de

fumée du générateur de vapeur.

De préférence, on utilise du sodium comme support de cha-

leur qui est liquide à des pressions peu élevées jusqu'à des

températures élevées. Etant donné que le sodium devient li-

quide à environ 100 C et ne s'évapore,à pression ambiante,

qu'à environ 890 C, il peut transférer de la chaleur, à l'inté-

rieur de cette gamme de températures, dans un circuit sous pression, mises à part les pertes par frottement, sans qu'

un changement de phase n'ait lieu. Par ailleurs, la tempéra-

ture de saturation du sodium augmente fortement sous pression

croissante de sorte qu'il peut également transférer de la cha-

]eur à l'état liquide à des températures notablement plus éle-

vées, sous des pressions relativement basses (par exemple 1000 C, sous une pression de vapeur saturée d'environ 2,7 bars). Les autres propriétés physiques du sodium comme sa conductibilité

thermique élevée, sa capacité thermique élevée et sa faible vis-

cosité, Je rendent particulièrement apte à transférer de la cha-

]eur vers des courants gazeux ou à partir de courants gazeux,

les pertes de charge lors de l'échange thermique dans les cou-

rants gazeux étant basses et de longs canaux ou conduits qui

transportent du gaz à température élevée pourvant être évités.

A part le sodium, conviennent encore à titre du support de cha-

leur le potassium, un alliage eutectique de potassium et de so-

dium, le mercure et divers sels. Grâce au préchauffage intense

de P'air amené à la turbine à gaz et du gaz combustible,]'ex-

cès d'air nécessaire augmente dans la chambre de combustion et, de ce fait, la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement de la turbine à gaz. De ce fait, on peut amener au moins une partie des gaz d'échappement contenant de]'oxygène et provenant de la

turbine à gaz vers la combustion de la centrale à]a vapeur.

Etant donné que, de plus, la température du gaz d'échappement

de la turbine à gaz n'est pas abaissée par]e'transfert de cha-

]eur à P'air de combustion de la turbine à gaz, on obtient, grâ-

ce à la température plus élevée et, simultanément, grâce à la teneur en oxygène plus élevée, globalement une combustion plus favorable dans le générateur de vapeur. Les températures très élevées lors du préchauffage de P'air de combustion et du gaz combustible destiné à la turbine à gaz entraînant de ce fait une diminution de la quantité de gaz combustible nécessaire, et par conséquent, dans la mesure o ce gaz combustible est obtenu par la gazéification de charbon, des dépenses moins élevées en ce qui concerne]'installation de gazéification du charbon ainsi que, inversement, une teneur en combustible plus élevée qui est transformé dans la combustion du générateur de vapeur, elles entraînent cependant aussi, pour une température donnée àA 'entrée de la turbine àgaz,un excès d'airplus important lors de]a combustion dans]a chambre de combustion de] a turbine à gaz, de tel]]e sorte qu'on obtienne une amenlioration de]a combustion

dans le générateur de vapeur monté en aval.

Etant donné l'utilisation d'un support de chaleur liquide à des pressions peu élevées jusqu'à des températures élevées, notamment le sodium, on peut prévoir des surfaces d'échange thermique petites, ce qui abaisse les coûts d'installation. Par ailleurs, on transporte aussi de la chaleur à température élevée sur une distance notable, qui se présente généralement dans les centrales électriques, entre la centrale à la vapeur

et l'installatin de turbine à gaz, sous une pression peu éle-

vée, à travers des conduits de faible section qui peuvent être isolés facilement, n'exigent pas de grosses épaisseurs

de parois et dont la dilatation thermiquest maîtrisable.

Le dispositif de chauffage du sodium peut être agencé dans le courant de gaz de fumée du générateur de vapeur de sorte

qu'il soit suffisamment protégé contre les influences défavo-

rables de la chambre de combustion, tandis que celle-ci est protégée par les parois refroidies à l'eau du générateur de vapeur. Si l'on voulait, par contre, transférer de la chaleur des gaz de fumée du générateur de vapeur vers l'air de combustion et/ou le gaz de combustion de la turbine à gaz par échange thermique direct, il y aurait lieu de transporter des gaz de fumée à très haute température dans de grands canaux, à cause deleurvolume, vers le dispositif de chauffage de l'air monté directement en amont de la chambre de combustion et en

retour de celui-ci, vers le courant des gaz de fumée du géné-

rateur de vapeur. Il en résulterait des difficultés dues à la dilatation thermique de conduits de grande section par

suite de l'isolation thermique nécessaire. En vue de sur-

monter les pertes de charge lors du transport des gaz de fu-

mée dans un sens et dans le sens inverse, il y aurait lieu de faire fonctionner le générateur de vapeur sous pression. Le transfert de chaleur au moyen des gaz de fumée vers l'air de

combustion serait de ce fait non rentable.

Le transport de l'air de combustion de la turbine à gaz

sur la distance classique dans le cas d'une centrale combi-

née de dimension actuelle, vers l'échangeur de chaleur dis-

posé dans le courant de gaz de fumée du générateur de vapeur

est encore moins rentable au vue des grands débits volumi-

ques des courafits, notamment à cause de la perte de charge, qui se produit dans l'air de combustion et à cause de la grande section du conduit. Les conduits ne devraient pas seulement fonctionner à chaud mais seraient également

sous la pression de sortie du compresseur.

Mais même si on pouvait atteindre le but qui vise à uti-

liser de tels conduits, on ne pourrait pas trouver unzempla-

cement de ceux-ci, étant donné que les conduits à grand vo-

lume qui mènent le gaz d'échappement de la turbine à gaz à la combustion du générateur de vapeur prennent déjà toute la

place disponible.

Le transfert de grandes quantités de chaleur à un niveau de température élevé (par exemple supérieur à 800 C), des gaz de fumée d'un générateur de vapeur directement vers l'air de combustion d'une turbine à gaz n'est par conséquent pas possible d'un point de vue technique et économique,

mais n'est rendu possible que grâce à l'utilisation d'un sup-

port de chaleur liquide à des pressions peu élevées jusqu'à

des températures élevées.comme le sodium.

De plus, l'utilisation de sodium en tant que support de chaleur permet d'amener de l'air frais à l'état chauffé, sans perte thermodynamique, dans la combustion du générateur de vapeur, si un courant partiel des gaz d'échappement de la

turbine à gaz sert à donner de la chaleur au circuit de so-

dium. Ce courant partiel refroidi du gaz d'échappement de la turbine à gaz est alors amené, en contournant la combustion du générateur de vapeur, aux installations de nettoyage des gaz de fumée montées en amont de la cheminée, tandis que l'air frais chauffé dans le circuit de sodium, ainsi que le courant partiel non refroidi des gaz d'échappement de la turbine à gaz sont amenés à la combustion du générateur de

vapeur. Le préchauffage de l'air peut dans ce cas être pour-

suivi jusqu'à des températures très élevées, sans qu'il ne soit nécessaire de prévoir des dépenses élevées pour des conduits résistant aux températures élevées, étant donné que

le dispositif de chauffage de l'air peut être agencé immé-

diatement en amont du brQ]eur du dispositif de combustion du

générateur de vapeur, dans le circuit de sodium.

Le circuit proposé contenant du sodium à titre de support de chaleur permet ainsi de rendre disponible la chaleur du courant des gaz de fumées du générateur de vapeur, ainsi que

du courant de gaz d'échappement de]a turbine à gaz, à un ni-

veau de température élevée, à divers endroits de]a centrale combinée. Finalement, il est également possible de soutirer de la chaleur à un niveau de température relativement bas du cycle de la turbine à gaz et de l'amener à la centrale à la vapeur, en comprimant l.'air et/ou le gaz combustible du cycle de la turbine à gaz, en plusieurs étages et en refroidissant entre au moins deux étages au moyen de condensat provenant du cycle de la turbine à vapeur. Ce condensat se réchauffe et est ramené dans le cycle de la turbine à vapeur de sorte qu'une partie du travail de compression à fournir est injecté sous forme de

chaleur dans le circuit de la turbine à vapeur.

Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, comportant une installation de turbine à gaz

constituée par un compresseur, par un dispositif de préchauf-

fage de l'air chauffé parles gaz de fumée et par une turbine

à gaz, ainsi qu'éventuellement une centrale à la vapeur accep-

tant les gaz d'échappement de la turbine à gaz comme air de combustion, constituée par un générateur de vapeur muni d'une chambre de combustion et par une turbine à vapeur, présente, selon l'invention, au moins un dispositif de chauffage de l'air et/ou des gaz contenant un support de chaleur liquide à des pressions peu élevées jusqu'à des températures élevées, qui est chauffé dans un échangeur de chaleur disposé dans le gaz

de fumée.

Par ailleurs, on peut agencer au moins un dispositif de chauffage de l'air et/ou un dispositif de chauffage du gaz, chauffés à]'aide de vapeur soutirée de la turbine à vapeur, dans le conduit d'air ou dans le conduit de gaz de telle sorte qu'on obtienne un chauffage à deux étages de l'air et/

ou du gaz de combustion alimentés dans la turbine à gaz.

De cette manière, une partie de la vapeur qui a déjà four-

ni du travail dans la partie haute pression de la turbine à vapeur sert à préchauffer l'air de combustion, ce qui augmente

le rendement du processus global de manière analogue au pré-

chauffage par régénération dans le circuit de vapeur. En vue de maintenir le travail de compression à un niveau

peu élevé, il est avantageux d'agencer un refroidisseur inter-

médiaire entre les divers étages de compression. Ce refroi-

disseur intermédiaire est refroidi, selon l'invention, par du condensat provenant du cycle de la turbine à vapeur, qui est ensuite ramené dans la centrale à la vapeur, à titre

d'eau d'alimentation. De cette manière on peut au moins par-

tiellement utiliser et, de ce fait, récupérer la chaleur de

compression pour le préchauffage de l'eau d'alimentation.

Dans certaines conditions il peut être avantageux de ne pas utiliser entièrement les gaz d'échappement de la turbine à gaz dans la chambre de combustion du générateur de vapeur,

mais d'en dériver une partie à d'autres fins, mais de néan-

moins injecter toute la chaleur contenue dans les gaz d'échap-

pement de la turbine à gaz, dans la chambre de combustion du générateur de vapeur. Ceci est avantageusement réalisé au moyen d'un dispositif de chauffage au sodium logé dans le courant des gaz de fumée, d'un dispositif de chauffage au sodium disposé dans le courant des gaz d'échappement de la turbine à gaz, ainsi qu'au moyen du dispositif de chauffage de l'airalimenté par le sodium chauffé. Le dispositif de chauffage au sodium alimenté par les gaz d'échappement de la turbine à gaz est, pour ce faire, monté dans un conduit

de courant partiel destiné aux gaz d'échappement de la tur-

bine à gaz, qui est en communication avec une cheminée, tan-

dis qu'un autre conduit de courant partiel destiné aux gaz d'échappement non refroidis de la turbine à gaz est en communication avec la chambre de combustion du générateur de vapeur. Par ailleurs, un dispositif de chauffage de l'air destiné à de l'air de combustion supplémentaire et

relié via un conduit à la chambre de combustion du généra-

teur de vapeur est monté dans le circuit de sodium.

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Le dispositif de chauffage du sodium disposé dans le courant des gaz d'échappement de la turbine à gaz et le dispositif de chauffage de l'air fournissant de l'air chauffé à la chambre de combusiton du générateur de vapeur peuvent être agencés dans un circuit fermé séparé ou bien de manière telle que le dispositif de chauffage de sodium logé dans le courant des gaz d'échappement de la turbine à gaz soit alimenté par un courant partiel du sodium et soit raccordé en série avec le

dispositif de chauffage logé dans le courant des gaz de fu-

mée et que les dispositifs de chauffage de l'air ou du gaz soient mis en parallèle l'un par rapport à l'autre dans le

circuit du sodium.

Contrairement aux cycles calorifiques qui ont été pro-

posés antérieurement et qui fonctionnaient par exemple au mercure, au diphényle ou au bromure d'antimoine à titre de milieu de travail, le procédé proposé ici ne fait appel au sodium qu'en tant que support de chaleur pour transporter la chaleur entre les milieux classiques tels que l'eau

(la vapeur) et l'air ou les gaz.

L'invention est décrite plus en détail ci-après à l'appui d'une forme d'exécution représentée dans les dessins dans lesquels: - la figure 1 représente le schéma bloc d'une installation selon l'invention;

- la figure 2 représente le diagramme température -

entropie.du cycle de la turbine à gaz.

L'air de combustion pour une turbine à gaz 8 est aspiré par un compresseur 1. L'état de l'air de combustion aspiré est représenté par a dans la figure 2. Dans cette première étape de compression, l'air de combustion est comprimé jusqu' en b et se réchauffe. L'air comprimé dans le premier étage arrive

ensuite dans un refroidisseur d'air 2 alimenté par du con-

densat provenant du circuit de la turbine à vapeur et est

ramené à la température de départ ou à l'état c par refroi-

dissement, en donnant la quantité de chaleur Q4 correspon-

dant à la surface b, b', c', c au condensat. Dans un com-

presseur 3, l'air de combustion est comprimé et chauffé jusqu'en d et arrive dans un dispositif de chauffage de il l'air 4 alimenté par de la vapeur soutirée au cycle de la turbine à vapeur, dispositif 4 dans lequel la quantité de chaleur Q3 correspondant à la surface-e, e', d', d est transférée à l'air de combustion; la vapeur soutirée se condense et chauffe l'air de combustion à la température

de vapeur saturée de la vapeur selon e.

Laquantité de chaleur Q3 correspond au chauffage de l'air comprimé d'une température selon d jusqu'à une température

selon e; cette quantité de chaleur ne doit pluspar consé-

quent, être fournie dans la chambre de combustion de la tur-

bine à gaz par la combustion de gaz; elle est par contre four-

nie par combustion dans un générateur de vapeur 9; ce qui entratne un déplacmenet de la consommation de combustible dans le sens d'une diminution de la consommation de gaz et

d'une augmentation de la consommation de charbon.

L'air de combustion comprimé et préalablement chauffé traverse un autre dispositif de chauffage de l'air 5 dans

lequel on lui fournit la quantité de chaleur Q2 correspon-

dant à la surface f, f', e', e de telle sorte que l'air de

combustion quitte le dispositif de chauffage 5 à une tem-

pérature selon f.

La quantité de chaleur Q2 qui est soutirée du générateur de vapeur 9 pour le chauffage de l'air comprimé de e vers f ne peut plus être transférée par de la vapeur soutirée étant donniéque la température de celle-ci est trop basse. Au lieu de celle-ci,-on utilise un milieu de travail qui permet des températures nettement plus élevées. Le sodium est capable de transférer.de la chaleur jusqu'à des températures très élevées, sans changement de phase, à l'air comprimé destiné au cycle de la turbine à gaz et d'en augmenter, de manière

correspondante la température,.étant donné que sa tempéra-

ture d'ébullition à pression ambiante est située à envi-

ron 8900 C et augmente rapidement au-dessus de celle-ci à

des pressions faibles. Les propriétés physiques du sodium per-

mettent ainsi de transférer la chaleur du générateur de va-

peur vers le circuit de la turbine à gaz et de réduire au minimum les pertes lors du transfert de chaleur. En partant du dispositif de chauffage de l'air 5, l'air de combustion

atteint une chambre de combustion 7 via un conduit d'air 31.

Le gaz combustible de la turbine 8 est également comprimé parallèlement à l'air de combustion, en deux étages au moyen des compresseurs 25, 27 et d'un refroidisseur de gaz 26 inter-

médiaire, également refroidi au moyen de condensat.

Des pompes de condensat 18 amènent le condensat d'un con-

denseur 17 au refroidisseur d'air 2 et au refroidisseur de gaz 26 ainsi que, de là, à un dispositif de préchauffage

d'eau d'alimentation 14.

Après le deuxième étage de compression, le gaz combustible atteint, via un dispositif de chauffage de gaz 28 alimenté par de la vapeur soutirée qui se condense et un dispositif

de chauffage de gaz 6 alimenté par du sodium liquide, un con-

duit de gaz combustible 30 conduisant également vers la

chambre de combustion 7.

La vapeur destinée au dispositif de chauffage de l'air 4

et au dispositif de chauffage du gaz combustible 28 est sou-

tirée du premier étage d'une turbine à gaz à deux étages 11 et est amenée, via un conduit 25 au dispositif de chauffage de l'air 4 et au dispositif de chauffage du gaz combustible 28. En variante, le préchauffage par la vapeur soutirée d'air et de gaz peut également être effectué en plusieurs étages, Le condensat quitte le dispositif de chauffage d'air 4 et le dispositif de chauffage du gaz combustible 28 à l'aide de la pompe de condensat 43, via la conduite 42, pour entrer dans

la conduite d'eau d'alimentation en amont de la pompe d'ali-

mentation 20.

Dans la chambre de combustion 7, on obtient, à partir de la combustion du gaz combustible avec l'air de combustion

comprimé et chauffé, une quantité de chaleur Q1, correspon-

dant à la surface g, g', f', f. La température des gaz de combustion monte alors jusqu'à g. Les gaz de combustion

atteignent alors, via un conduit d'échappement 32; la tur-

bine à gaz 8 dans laquelle il se détendent jusqu'au point

h en fournissant du travail et en se refroidissant. La tur-

bine à gaz 8 entraîne alors un générateur 15.

Si nécessaire, une partie seulement des gaz de combustion de la turbine à gaz 8 entre dans la chambre de combustion 23 d'un générateur de vapeur 9, via un conduit d'échappement 33, tandis qu'une autre partie des gaz de combustion s'échappe vers une cheminée 29, via un conduit d'échappement 34 et en

traversant un dispositif de chauffage du sodium 35 et un con-

duit d'échappement 36. Dans la chambre de combustion 23, on brûle du charbon alimenté par des conduits 44 destinés aux

poussières de charbon. Suite aux températures élevées déjà atteintes correspon-

dant au point f à cause du chauffage de l'air et du gaz com-

bustible avant la combustion dans la chambre 79 la combustion

dans la chambre de combustion 7 doit s'effectuer avec un ex-

* cès d'air élevé pour ne pas dépasser la température admis-

sible à l'entrée de la turbine à gazo Cet excès d'air entraîne un excès d'oxygène dans les gaz d'échappement de la turbine à

gaz 8, qui entrent à une température h, à titre d'air de com-

bustion, dans la chambre de combustion 23 du générateur de va-

peur 9.

L'excès d'oxygène dans les gaz de combustion de la turbine à gaz 8 est donc élevé pour une même température à l'entrée

de la turbine à gaz, plus l'air comprimé et le'gaz combusti-

ble sont préchauffés. Une teneur en oxygène plus élevée fa-

vorise cependant à son tour la combustion du charbon dans le générateur de vapeur 9, permet la combustion de plus de

charbon et, de ce fait, l'utilisation d'une quantité supé-

rieure de charbon de moindre qualité, ne convenant éventuel-

lement pas bien pour une gazéification.

Ainsi, on transfère une quantité de chaleur Q5 correspon-

dant à la surface h, h', a', a, avec l'air de combustion pro-

venant de la turbine à gaz, ainsi qu'une quantité de chaleur Q6, avec le charbon via les conduites de transport des poussières de charbon 44, dans la chambre de combustion 23 du générateur de vapeur 9. Une partie de celle-ci, à savoir la quantité de chaleur Q2, est transférée, via un échangeur de chaleur de fumées 10, au circuit de sodium 19 et, de ce

fait, au dispositif de chauffage de l'air 5; et la quanti-

té de chaleur Q'2 est transférée au dispositif de chauf-

fage du gaz combustible 6, via l'échangeur de chaleur 10 et

le circuit du sodium 19.

L'échangeur de chaleur des gaz de fumée ou le dispositif de chauffage du sodium 10 constitué par un matériau de haute valeur est de préférence agencé A un endroit avantageux, par exemple comme surface chauffante de contact dans la chambre de combustion 23 du dispositif de chauffage de vapeur 9, tandis que les parois de la chambre de combustion 23 sont

refroidies à l'eau comme dans le cas de générateurs de va-

peur classiques. De cette manière, on peut éviter les diffi-

cultés. de transfert de chaleur et de combustion ainsi que

les pertes de charge, qui se présentent lors de la cons-

truction de cycles de turbines à gaz brûlant du charbon

utilisant l'air comme fluide de travail.

Le circuit du sodium 19 reçoit donc du courant de gaz de fumée provenant du générateur de vapeur 9 les quantités de chaleur Q2 et Q'2, les transfert à l'air de combustion comprimé et au gaz combustible et chauffe les deux à des températures très élevées. Ces quantités de chaleur Q2 et Q'2 fournissant un travail dans le circuit de la turbine à gaz: sont libérées dans une combustion classique au. charbon 23, elles ne doivent donc pas être fournies au circuit de la

turbine à gaz sous forme de gaz combustible de haute valeur.

De manière analogue, les quantités de chaleur Q3 amenée par le dispositif de chauffage d'air 4 chauffé à la vapeur et, de manière analogue, Q'3 amenée au dispositif de chauffage du gaz combustible 28 sont libérées dans la combustion de charbon 23 du générateur de vapeur 9. Elles doivent, de ce

fait, pas non plus être amenées sous forme de gaz combusti-

ble dans le circuit de la turbine à gaz. Il en résulte qu'il ne reste que la quantité de chaleur Q1 correspondant à la surface g, g', f', f à fournir par combustion de gaz combustible dans la chambre de combustion 7 de la turbine à gaz 8 de sorte qu'il suffit d'utiliser un gaz naturel peu

onéreux ou, dans la mesure ou le gaz combustible est obte-

nu par gazéification de charbon, une installation de gazéifi-

cation du charbon notablement plus petite et, de ce fait

aussi rnoinscoûteuses qu'il ne serait possible sans préchauf-

fage de l'air de combustion comprimé s ainsi que du gaz com-

bustible au moyen du circuit de sodium et de la vapeur souti-

rée du cycle de l'installation à la vapeur.

S'il y a lieu d'accroître la teneur en oxygène dans la combustion 23, sans qu'une perte thermodynamique apparaisse, on injecte de l'air au moyen d'une soufflerie d'air frais 37 à travers un dispositif de préchauffage de l'air frais 38 et

une conduite 39 dans la chambre de combustion 23 du généra-

teur de vapeur 9. Le dispositif de préchauffage d'air frais 38 est également situé dans le circuit du sodium et est donc aussi chauffé.par le dispositif de chauffage du sodium 10 disposé dans le générateur de vapeur 9 de sorte qu'on peut régler la température de l'air frais-à la température la

plus adéquate pour la combustion.

On peut diminuer la quantité des gaz d'échappement de la turbine à gaz 8 entrant dans la chambre de combustion 23 du générateur de vapeur 9 et la remplacer partiellement par de l'air en montant un dispositif supplémentaire pour chauffer le sodium 35, sous la forme d'un échangeur de chaleur pour les gaz d'échappement, dans le conduit d'échappement 34. Une partie des gaz d'échappement de la turbine à gaz est menée

dans ce conduit d'échappement 34 et donne sa chaleur au cir-

cuit du sodium. Cette-partie des gaz d'échappement de la

turbine est menée dans la cheminée 29 via le conduit d'échap-

pement 36. Pour atteindre une température finale basse de ce courant partiel de gaz d'échappement, le dispositif de

chauffage du sodium 35 peut être monté en aval du disposi-

tif de préchauffage de l'air frais 38, après une pompe de circulation 40, de sorte qu'il est inclus, dans le circuit

du sodium à un endroit ayant une température assez basse.

Une autre pompe de circulation 41 sert à amener le sodium des dispositifs de chauffage de l'air 5, 38 et du dispositif

de chauffage du gaz combustible 6 vers le dispositif de chauf-

fage du sodium 10.

Si le cycle combiné turbine à gaz - turbine à vapeur est opéré de manière telle que la température à l'entrée de la turbine à gaz ne dépasse pas la température à la sortie du dispositif de chauffage 5 de l'air, la chambre de combustion

7, le dispositif de chauffage du gaz combustible, le dispo-

sitif de préchauffage de l'air frais 38 et le dispositif de chauffage du sodium 35, y compris les conduites y afférentes

peuvent être supprimés, étant donné que le cycle de la turbi-

ne à gaz se simplifie sous la forme d'un cycle d'une turbine à air. Tous les gaz d'échappement de la turbine à gaz 8 sont alors utilisés comme air de combustion dans le générateur de vapeur 9; la chaleur n'est alors libérée que dans la chambre de combustion 23 du générateur de vapeur 9, par exemple à

partir de charbon, la chaleur nécessaire au cycle de la tur-

bine à air étant entièrement transmise par le circuit de so-

dium 19.

Le générateur de vapeur 9 comporte un évaporateur 22 et un surchauffeur de vapeur 21. A partir de celui-ci, la vapeur entre dans la turbine à vapeur à deux étages 11, dont une partie de la vapeur est retirée de l'étage haute pression, via un soutirage de vapeur et est amenée via une conduite 24 au dispositif de chauffage de l'air 4 et au dispositif de chauffage du gaz combustible 28. La partie principale de la vapeur qui quitte l'étage haute pression de turbine à vapeur 11 atteint via un surchauffeur intermédiaire 13 un étage de

moyenne pression et un étage de basse pression et, en quit-

tant ceux-ci, un condenseur 17. La turbine à vapeur 11 en-

traTne un générateur 16 et présente d'autres soutirages 12

qui servent à préchauffer l'eau d'alimentation dans un dispo-

sitif de préchauffage par régénération représenté par le dis-

positif de préchauffage de l'eau d'alimentation 14.

Des pompes de condensat 18 amènent le condensat du conden-

seur 17 au dispositif de chauffage de l'air 4, au dispositif de chauffage du gaz combustible 28, au refroidisseur d'air 2, au refroidisseur du gaz combustible 26 et au dispositif de

préchauffage de l'eau d'alimentation 14, d'o il est de nou-

veau propulsé, au moyen d'une pompe pour l'eau d'alimentation

, à température très élevée, dans le générateur de vapeur 9.

Le condensat du dispositif de chauffage de l'air 4 et du dis-

positif de chauffage du gaz combustible 28 est amené, par la conduite 12 et la pompe 43, dans le circuit de vapeur, en un endroit adéquat en amont de la pompe d'alimentation 20, à

cause de sa température assez élevée.

Grâce au procédé et au dispositif de l'invention, il est

possible d'atteindre une augmentation essentielle du rende-

ment de conversion par rapport aux cycles classiques. Dans

les cycles combinés turbine à gaz - turbine à vapeur, fonction-

nant avec les combustibles gaz et charbon, on peut atteindre

une augmentation de la fraction du charbon, grâce à ce pro-

cédé. Par ailleurs, on se trouve en présence d'un cycle com-

biné de turbine à gaz - turbine à vapeur qui fonctionne uni-

quement au charbon, la plus grande partie du charbon né-

cessaire étant brûlée dans une combustion classique, tandis que la plus petite partie doit être gazéifiée dans une installation de gazéification. Il en résulte une diminution

notable et/ou simplification de l'installation de gazéifica-

tion du charbon. Les installations plus petites, le déplace-

ment du combustible nécessaire vers le charbon moins coûteux que le gaz naturel et suffisamment disponible pour ce qui

concerne les quantités ainsi que le rendement supérieur per-

mettent un fonctionnnment des centrales plus économiques et moins polluantes à cause d'une consommation spécifique

moindre de combustible.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour-]'exploitation d'une centrale électrique au

moyen d'un cycle combiné de turbine à gaz - turbine à va-

peur dans lequel 'air amené à la turbine à gaz est chauffé au moyen de chaleur provenant de la centrale à la vapeur, caractérisé par] 'utilisation d'un support de chaleur qui

est liquide à des pressions peu élevées jusqu'à des tempé-

ratures élevées, dans un échangeur de chaleur qui est en contact avec les gaz de fumée de la centrale à]a vapeur et/ou de vapeur provenant de la centrale à la vapeur pour chauffer l'air alimenté dans la turbine à gaz et/ou dans la combustion de la centrale à la vapeur

2. Procédé pour] 'exploitation d'une centrale électrique au

moyen d'un cycle combiné de turbine à gaz - turbine à va-

peur dans lequel l'air amené à la turbine à gaz est chauffé

au moyen de chaleur provenant de la centrale à vapeur, ca-

ractérisé par]l'uti]isation d'un support de chaleur liquide

à des pressions peu élevées jusqu'à des températures éle-

vées dans un échangeur de chaleur qui est en contact avec les gaz de fumée de la centrale àlavapeur et/ou de vapeur provenant de]a centrale à la vapeur pour préchauffer le

gaz combustible alimenté dans la turbine à gaz.

3. Procédé pour]l'exploitation d'une centrale électrique au

moyen d'un cycle combiné de turbine à gaz - turbine à va-

peur dans lequel].'air amené à la turbine à gaz est chauffé au moyen de chaleur provenant de la centrale à la

vapeur, caractérisé par]l'uti]isation d'un support de cha-

leur liquide à des pressions peu élevées jusqu'à des tem-

pératures élevées dans un échangeur de chaleur qui est en contact avec les gaz d'échappement de la turbine à gaz pour le chauffage de 'air amené dans]a turbine à gaz et/ ou dans la combustion de la centrale à la vapeur et/ou pour le préchauffage du gaz combustible alimenté dans la

turbine à gaz.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications i à 3,

caractérisé en ce que au moins une partie des gaz d'échap-

pement contenant de]'oxygène provenant de la turbine à

gaz est amenée à la combustion de la centrale à la vapeur.

5. Procédé selon]'une quelconque des revendications 1 à 4,

caractérisé par l'uti]isation de sodium, de potassium,

d'un alliage eutectique de potassium et de sodium, de.

mercure ou de sels, à titre de support de chaleur.

6. Procédé se]lon l'une quelconque des revendications 1 à 5,

caractérisé en ce que l'air comprimé pour le cycle.de la turbine à gaz et/ou le gaz combustible sont chauffés en plusieurs étapes, d'abord par de la vapeur et ensuite, au moyen de sodium en tant que support de la chaleur, par les gaz d'échappement de]a turbine à gaz et/ou les gaz

de fumées de la centrale à la vapeur.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications i à 3

et 4 à 6, caractérisé en ce que l'air et/ou le gaz com-

bustible pour le cycle de la turbine à gaz est comprimé en plusieurs étapes et est refroidi au moins entre deux étapes par du condensat provenant du cycle de la turbine

à vapeur.

8. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la

revendication 1 ou 2, comportant une installation de tur-

bine à gaz constituée par un compresseur, un dispositif de préchauffage de l'air et une turbine à gaz, ainsi qu' une centrale à la vapeur, constituée par un générateur de vapeur équipé d'une chambre de combustion et par une turbine à vapeur, caractérisé par au moins un dispositif de chauffage de l'air (5) et/ou dispositif de chauffage du gaz (6) alimenté par un support de chaleur liquide à des pressions peu élevées jusqu'à des températures élevées, chauffé dans un échangeur de chaleur disposé

dans les gaz de fumée (10).

9. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par au moins un dispositif de chauffage d'air (4) et/ou dispositif de chauffage de gaz (28), alimenté par de la vapeur soutirée

à la turbine à vapeur (11).

10. Installation selon les revendications 8 et 9 pour la mise

en oeuvre du procédé selon la revendication 6, caracté-

risé en ce qu'un dispositif de chauffage d'air (4) ou de gaz (28), alimenté par de la vapeur et un dispositif de chauffage d'air (5) ou de gaz (6) alimenté par le support de chaleur liquide à des pressions peu élevées jusqu'à des températures élevées sont montés]'un à la suite de ] 'autre dans la conduite d'air (31) ou la conduite de

gaz (30).

11. Installation se]on les revendications 8 et 9 pour la mise

en oeuvre du procédé selon la revendication 7, caractéri-

sé par des refroidisseurs d'air ou de gaz (2, 26) montés entre au moins deux étages de compression (1, 3; 25, 27) et alimentés par du condensat de la turbine à la vapeur (11).

12. Installation selon l'une des revendications 8 à 11 pour

la mise en oeuvre du procédé de la revendication 5,-ca-

ractérisé par un dispositif de chauffage du sodium (10) agencé dans le courant des gaz de fumée du générateur de vapeur (9), un dispositif de chauffage du sodium (35)

agencé dans le courant des gaz d'échappement de la tur-

bine à gaz (8), ainsi que par des dispositifs de chauffa-

ge de l'air (5, 38) ou de gaz (6), alimentés par le so-

dium chauffé moyennant un circuit de sodium (19).

13. Installation selon la revendication 12 caractérisée en ce que le dispositif de chauffage du sodium (35) alimenté par les gaz d'échappement de]a turbine à gaz (8) est

agencé dans une conduite de courant partie] (34, 36) des-

tinée aux gaz d'échappement de la turbine à gaz (8) et reliée à une cheminée (29), en ce qu'une autre conduite de courant partie] (33) destinée aux gaz d'échappement non refroidis de la turbine à gaz (8) est reliée à]a chambre de combustion (23) du générateur de vapeur (9)

et en ce qu'un dispositif de chauffage de l'air (38) re-

]ié à la chambre de combustion (23) du générateur de va-

peur (9) via une conduite (39) est agencé dans le cir-

cuit de sodium (19), ledit dispositif de chauffage (38)

étant destiné à de l'air de combustion supplémentaire.

14. Installation selon la revendication 13 caractérisée par un circuit de sodium fermé constitué par le dispositif de chauffage du sodium (35) disposé dans le courant des

gaz d'échappement de la turbine à gaz (8) et le disposi-

tif de chauffage de l'air (38) qui fournit de P'air chaud

dans la chambre de combustion (23) du générateur de va-

peur (9).

15. Installation selon la revendication 13 caractérisée en ce que le dispositif de chauffage du sodiumrh (35) alimenté par un courant partiel du sodium, agencé dans le courant

des gaz d'échappement de la turbine à gaz (8), et le dis-

positif de chauffage du sodium (10) agencé dans le cou-

rant des.gaz de fumée sont montés en série et en ce que les dispositifs de chauffage de l'air (5, 38) ainsi que

le dispositif de chauffage du gaz (6) sont montés en pa-

rallè]e dans le circuit de sodium (19).