FR2929648A1

FR2929648A1 - Systeme et procede de commande du point de charge d'un moteur a turbine a gaz.

Info

Publication number: FR2929648A1
Application number: FR0952272A
Authority: FR
Inventors: Constantin Dinu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2009-10-09
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: US20110056181A1; US8127557B2; JP2009250236A; US8240152B2; FR2929648B1; DE102009003759A1; CN101555835B; JP5302066B2; CN101555835A; US20110308256A1

Abstract

Systèmes de commande et procédé pour commander un point de charge d'un moteur (20) à turbine à gaz. Un système de commande (32) comprend une unité de commande (72) qui reçoit un signal de température et un signal de pression associés à des gaz d'échappement du moteur (20) à turbine à gaz. L'unité de commande (72) est conçue pour produire un signal de commande de combustible. L'unité de commande (72) est en outre conçue pour produire un signal de commande d'actionneur de façon que l'élément de limitation de débit (28) soit amené à passer d'une première position à une seconde position afin de réduire le passage d'écoulement de façon que les gaz d'échappement aient un niveau de température en-deçà d'une marge de récupération de température désirée, que le niveau de pression dans les gaz d'échappement soit inférieur à un niveau de seuil de pression et que le point de charge du moteur (20) à turbine à gaz soit réglé de façon à se rapprocher d'un point de charge visé.

Description

B09-0991FR Société dite : GENERAL ELECTRIC SYSTEME ET PROCEDE DE COMMANDE DU POINT DE CHARGE D'UN MOTEUR A TURBINE A GAZ Invention de : DINU Constantin Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le7 avril 2008 sous le n° 12/098.906 SYSTEME ET PROCEDE DE COMMANDE DU POINT DE CHARGE D'UN MOTEUR A TURBINE A GAZ

La présente demande concerne de façon générale les moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, des systèmes et un procédé de commande pour commander un point de charge d'un moteur à turbine à gaz. Les réglementations concernant l'environnement imposent à l'industrie de la production d'électricité d'abaisser continuellement ses niveaux d'émission. Les émissions les plus couramment régulées sont les oxydes d'azote (NOx) et le monoxyde de carbone (CO). Généralement, les émissions de NOx sont associées à un processus de combustion à température relativement élevée, tandis que le CO pourrait être lié soit à un processus de combustion à température relativement élevée (dissociation), soit à une combustion incomplète qui survient lorsqu'une température de combustion est trop basse ou qu'il n'y a pas suffisamment d'oxydant (par exemple, l'oxygène de l'air) de disponible dans le processus de combustion. Une solution moderne pour la combustion dans des moteurs à turbine à gaz à faibles émissions est appelée combustion DLN (à bas NOx par voie sèche). Cette technologie repose sur le prémélange du combustible et de l'air afin de former un mélange combustible qui est ensuite introduit et brûlé dans une zone de réaction d'une chambre de combustion de turbine à gaz. De faibles émissions sont obtenues en raison d'une température de flamme inférieure à une température de flamme dans un système de combustion sans prémélange (dans lequel le combustible et l'air se mélangent dans la zone de réaction de combustion) pour les mêmes conditions de fonctionnement du moteur à turbine à gaz. Dans des conditions de fonctionnement nominales (charge de base du moteur à turbine à gaz), une chambre de combustion DLN pourrait être conçue pour parvenir à des émissions de NOx relativement basses, et le CO n'est généralement pas un problème. Plus la charge du moteur à turbine à gaz décroît par rapport à la charge de base, plus la température de combustion diminue. Au cours de ce processus, les émissions de NOx d'une chambre de combustion DLN diminuent mais, au-dessous d'un certain niveau de température, le CO peut dépasser les niveaux autorisés. Par conséquent, une chambre de combustion DLN ne peut pas fonctionner en mode à prémélange à tous les régimes de charge d'un moteur à turbine à gaz. Aux faibles charges, une flamme pilote peut être amorcée ou un mode sans prémélange (combustion par diffusion) peut être employé. Un fonctionnement dans ces conditions aboutit à de plus fortes émissions en comparaison d'un mode de fonctionnement à prémélange et peut être limité à de courtes durées (phénomènes transitoires pendant des périodes de courte durée).

Des exemples de formes de réalisation décrits ici proposent une façon d'étendre une gamme de points de charge pour lesquels une chambre de combustion DLN peut fonctionner en mode à prémélange. On définira un point de charge pour moteur à turbine à gaz comme un pourcentage de puissance nominale délivrée par le moteur à turbine à gaz. On définira ici comme marge de récupération ou intervalle de retournement (parfois appelé turndown dans la technique) pour une chambre de combustion de turbine à gaz, un intervalle de température dans les limites duquel une partie formant chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz peut fonctionner d'une manière stable, sans fluctuations de pression indésirables tout en respectant les normes d'émissions. On définira comme point de récupération ou point de retournement (également appelé parfois turndown ) pour un moteur à turbine à gaz, un seuil inférieur de point de charge du moteur à turbine à gaz auquel les obligations concernant les émissions peuvent encore être respectées. La marge de récupération d'un moteur à turbine à gaz est limitée par un système de combustion et par un seuil supérieur de température dans le conduit d'échappement de la turbine à gaz. Un fonctionnement à des points de charge inférieurs (c'est-à-dire sous le point de récupération ) n'est pas permis, car certaines limites de fonctionnement, exprimées sous l'angle des émissions, de la dynamique et de la température des gaz d'échappement, sont franchies. Pour accroître le rendement global, une centrale électrique à turbine à gaz peut être configurée et exploitée en cycle combiné. Cela signifie que des gaz d'échappement à température relativement haute d'un moteur à turbine à gaz sont amenés à passer par un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) afin de produire de la vapeur qui entraîne une turbine à vapeur. Généralement, deux turbines à gaz sont reliées à une turbine à vapeur. Le fonctionnement en cycle combiné implique que les gaz d'échappement sortant du moteur à turbine à gaz soient à une température d'une valeur située dans un intervalle spécifique. Ainsi, la température d'échappement ne peut pas être trop élevée afin d'éviter une dégradation du conduit d'échappement de la turbine à gaz et du matériel du GVRC. En outre, la température ne doit pas baisser sous une certaine valeur de température pour éviter un état appelé refroidissement forcé lorsque des phénomènes thermiques transitoires dans le rotor et la chemise d'une turbine à vapeur peuvent dégrader le rotor de la turbine. Les deux limites de température citées ci- dessus sont respectivement appelées isotherme seuil supérieur et isotherme seuil inférieur. Afin de répondre aux variations saisonnières et souvent quotidiennes de demande d'électricité, les moteurs à turbine à gaz sont souvent soumis à de fortes amplitudes de charge. Une souplesse maximale de fonctionnement est obtenue avec une marge de réglage effective la plus basse possible, laquelle est elle-même limitée, comme décrit plus haut, par les technologies existantes (combustion et matériaux). Les modèles de rentabilité qui expliquent les prix ponctuels de l'énergie et du combustible peuvent nécessiter un arrêt de l'installation en raison d'une marge de réglage effective insuffisante. Cette stratégie nécessite de fréquents redémarrages qui limitent l'aptitude de l'installation à répondre à une brusque demande d'énergie et réduit également la durée de vie du matériel de la turbine à gaz. La présente invention propose un système de commande pour commander un point de charge d'un moteur à turbine à gaz. Selon un exemple de forme de réalisation, le moteur à turbine à gaz comprend une partie formant turbine en communication fluidique avec un conduit ayant un passage d'écoulement. Le conduit est conçu pour recevoir des gaz d'échappement de la partie formant turbine. Le système de commande comprend un élément de limitation de débit monté sur le conduit et conçu pour être actionné entre une première et une seconde positions , de telle sorte que, lorsque l'élément de limitation de débit vient dans la première position , l'élément de limitation de débit ne réduise pas une partie du passage d'écoulement dans le conduit et que, lorsque l'élément de limitation de débit est placé dans la seconde position , l'élément de limitation de débit réduise effectivement le passage d'écoulement. Le système de commande comprend en outre un actionneur couplé à l'élément de limitation de débit et conçu pour actionner l'élément de limitation de débit en réponse à un signal de commande d'actionneur. Le système de commande comprend en outre un système d'alimentation en combustible conçu pour fournir du combustible à une partie formant chambre de combustion de la turbine à gaz en réponse à un signal de commande de combustible. Le signal de commande comprend en outre un capteur de température conçu pour générer un signal de température indiquant un niveau de température des gaz d'échappement dans le conduit. Le système de commande comprend en outre un capteur de pression pour produire un signal de pression indiquant un niveau de pression des gaz d'échappement dans le conduit. Le système de commande comprend en outre une unité de commande coopérant avec l'actionneur, le dispositif d'alimentation en combustible, le capteur de température et le capteur de pression. L'unité de commande est conçue pour recevoir le signal de température et le signal de pression. L'unité de commande est en outre conçue pour produire le signal de commande de combustible. L'unité de commande est en outre conçue pour produire un signal de commande d'actionneur de façon que l'élément de limitation de débit soit actionné de la première position à la seconde position afin de réduire le passage d'écoulement de telle sorte que les gaz d'échappement aient un niveau de température en-deçà d'une marge de récupération de température voulue, le niveau de pression dans les gaz d'échappement soit inférieur à un niveau de seuil de pression et le point de charge du moteur à turbine à gaz soit réglé pour se rapprocher d'un point de charge visé.

I1 est également proposé un procédé pour commander un point de charge du moteur à turbine à gaz selon un autre exemple de forme de réalisation. Le moteur à turbine à gaz comprend une partie formant turbine couplée à un conduit ayant un passage d'écoulement. Le passage d'écoulement est conçu pour recevoir des gaz d'échappement de la partie formant turbine. Le procédé comprend la production d'un signal de température indiquant un niveau de température des gaz d'échappement dans le conduit, lequel signal est reçu par une unité de commande, par l'intermédiaire d'un capteur de température. Le procédé comprend en outre la production d'un signal de pression indiquant un niveau de pression des gaz d'échappement dans le conduit, lequel signal est reçu par l'unité de commande, par l'intermédiaire d'un capteur de pression. Le procédé comprend en outre la production d'un signal de commande de combustible pour amener un dispositif d'alimentation en combustible à fournir du combustible à la turbine à gaz, par l'intermédiaire de l'unité de commande. Le procédé comprend en outre la production d'un signal de commande d'actionneur afin d'amener un actionneur à faire passer un élément de limitation de débit d'une première position à une seconde position afin de réduire le passage d'écoulement de façon que les gaz d'échappement aient un niveau de température en-deçà d'une marge de récupération de température voulue et que le niveau de pression des gaz d'échappement soit inférieur à un niveau de seuil de pression, et que le point de charge du moteur à turbine à gaz soit réglé de façon à se rapprocher d'un point de charge visé, par l'intermédiaire de l'unité de commande. I1 est encore proposé un système de production d'électricité. Selon un exemple de forme de réalisation, le système de production d'électricité comprend un moteur à turbine à gaz ayant une partie formant turbine en communication fluidique avec un conduit ayant un passage d'écoulement. Le conduit est conçu pour recevoir des gaz d'échappement de la partie formant turbine. Le système de production d'électricité comprend en outre un générateur électrique fonctionnant sous l'action de la partie formant turbine et produisant de l'électricité. le système de production d'électricité comprend en outre un élément de limitation de débit monté sur le conduit et conçu pour être actionné entre une première et une seconde positions , de telle sorte que, lorsque l'élément de limitation de débit est placé dans la première position, l'élément de restriction de débit ne réduise pas une partie du passage d'écoulement dans le conduit et que, lorsque l'élément de limitation de débit est placé dans la seconde position de marche, l'élément de limitation de débit réduise effectivement le passage d'écoulement. Le système de production d'électricité comprend en outre un actionneur couplé à l'élément de limitation de débit et conçu pour actionner l'élément de limitation de débit en réponse à un signal de commande d'actionneur. Le système de production d'électricité comprend en outre un dispositif d'alimentation en combustible conçu pour fournir du combustible à une partie formant chambre de combustion de la turbine à gaz en réponse à un signal de commande de combustible. Le système de production d'électricité comprend en outre un capteur de température conçu pour produire un signal de température indiquant un niveau de température des gaz d'échappement dans le conduit. Le système de production d'électricité comprend en outre un capteur de pression pour indiquer un signal de pression correspondant à un niveau de pression des gaz d'échappement dans le conduit. Le signal de production d'électricité comprend en outre une unité de commande coopérant avec l'actionneur, le dispositif d'alimentation en combustible, le capteur de température et le capteur de pression. L'unité de commande est conçue pour recevoir le signal de température et le signal de pression, l'unité de commande étant en outre conçue pour produire le signal de commande de combustible. L'unité de commande est en outre conçue pour produire le signal de commande d'actionneur de façon que l'élément de limitation de débit passe de la première position à la seconde position afin de réduire le passage d'écoulement de telle sorte que les gaz d'échappement aient un niveau de température en-deçà d'une marge de récupération de température voulue, que le niveau de pression dans les gaz d'échappement soit inférieur à un niveau de seuil de pression et que le point de charge du moteur à turbine à gaz soit réglé de façon à se rapprocher d'un point de charge visé.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 est une représentation schématique d'un système de production d'électricité selon un exemple de forme de réalisation ; la Fig. 2 est une représentation schématique du système de production d'électricité de la Fig. 1 ayant un système de commande selon un autre exemple de forme de réalisation ; la Fig. 3 est une représentation schématique d'un cycle 10 thermodynamique de turbine à gaz ; la Fig. 4 est un organigramme d'un procédé pour commander un point de charge d'un moteur à turbine à gaz selon un autre exemple de forme de réalisation ; la Fig. 5 est une représentation schématique d'un autre système de 15 production d'électricité ayant un système de commande selon un autre exemple de forme de réalisation ; la Fig. 6 est une représentation schématique d'un élément de limitation de débit utilisé dans le système de production d'électricité de la Fig. 5 ; 20 la Fig. 7 est une autre représentation schématique de l'élément de limitation de débit utilisé dans le système de production d'électricité de la Fig. 5 ; la Fig. 8 est une représentation schématique d'un autre système de production d'électricité ayant un système de commande selon un autre 25 exemple de forme de réalisation ; la Fig. 9 est une représentation schématique d'un autre exemple d'élément de limitation de débit ; et la Fig. 10 est une représentation schématique en coupe de l'élément de limitation de débit de la Fig. 9. 30 Considérant la Fig. 3, il y est représenté schématiquement un cycle thermodynamique de turbine à gaz. A titre illustratif, on suppose que le cycle thermodynamique défini par les points 120-122-124-126 représente un cycle de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz avec une marge de récupération et un point de retournement ou point de récupération déterminés. Le point de charge ne peut pas être davantage abaissé, car soit le CO produit par la chambre de combustion DLN fonctionnant en mode prémélange dépasse les niveaux autorisés, soit un régime de refroidissement forcé de la turbine à vapeur va être atteint. Par conséquent, un fonctionnement à des charges inférieures (par exemple suivant le cycle thermodynamique défini par les points 120-122-123-125) n'est pas autorisé. Ces limites opérationnelles caractérisent les turbines à gaz selon la technique antérieure équipées d'une chambre de combustion DLN fonctionnant en mode à prémélange.

On va maintenant décrire une méthode pour éviter les limitations ci-dessus. On suppose que pour atteindre certains objectifs de rendement, il convient que le moteur à turbine à gaz 20 fonctionne suivant le cycle 120-122-123-125. I1 faut souligner que la courbe 116 représentée sur la Fig. 3 borde le cycle thermodynamique du moteur à turbine à gaz. La courbe 116 représente la pression des gaz d'échappement dans le conduit d'échappement de la turbine à gaz, ce qu'on appelle également la contre-pression de la turbine à gaz. L'état thermodynamique des gaz sortant de la turbine suivra théoriquement cette courbe 116 à l'occasion du changement du point de charge. Un avantage du système de commande 32, présenté plus loin, est que le système de commande 32 est conçu pour amener la courbe 116 à rejoindre la courbe 146. La courbe 146 a des caractéristiques similaires à celles de la courbe 116 mais est définie par une contre-pression accrue à la sortie de la partie formant turbine. Or, l'état thermodynamique à la sortie de la partie formant turbine rejoint la courbe 146. Lorsque cela se produit au début, le moteur à turbine à gaz 20 ne peut plus produire la "marge de récupération désirée" (illustrée par le segment 170 de la Fig. 3) et le système de commande 32 commande le moteur à turbine à gaz 20 pour obtenir le point de charge voulu. Dans certaines conditions, après avoir produit la contre-pression accrue, le système de commande 32 peut accroître le débit du combustible fourni au système de combustion afin de compenser le déséquilibre énergétique créé dans le cycle thermodynamique du fait de la contre-pression accrue. Cette action modifiera le cycle thermodynamique qui passera par les phases 120-122-150-152. I1 faut souligner que le fonctionnement suivant le cycle 120-122-150-152 est ordinairement caractérisé par une température de combustion plus élevée et une température d'échappement plus élevée. La température de combustion plus élevée et la température d'échappement plus élevée assurent une marge de température accrue afin de réduire une éventualité de régime de refroidissement forcé, ainsi qu'une marge de température accrue pour éviter une limite de CO pour une chambre de combustion DLN à prémélange. Le système de commande 32 fonctionne de manière itérative entre la valeur de la contre-pression appliquée à la partie formant turbine et la valeur du débit de combustible fourni à la partie formant chambre de combustion jusqu'à ce que le moteur à turbine à gaz produise le travail "nouvelle marge de récupération" (illustrée par le segment 171 de la Fig. 3) égal à la "marge de récupération désirée". I1 faut souligner que le système de commande 32 comporte des procédures typiques pour assurer le fonctionnement voulu du moteur à turbine à gaz 20 ainsi que les limites imposées par les obligations en matière d'émissions et l'isotherme seuil supérieur et l'isotherme seuil inférieur (évoqués plus haut). En outre, la "nouvelle marge de récupération" est abaissée par rapport à la "marge de récupération" représentée par le segment 169 de la Fig. 3. Un avantage du système de commande 32 du procédé décrit ici est qu'un point de charge voulu est obtenu avec une marge de récupération plus basse sans modifier la conception d'organes du moteur à turbine à gaz tout en maintenant ou en accroissant la marge pour les limites des régimes CO ou à refroidissement forcé.

En référence aux figures 1 et 2 est illustré un système de production d'électricité 10 servant à produire de l'énergie électrique. Le système de production d'électricité 10 comprend un moteur 20 à turbine à gaz, un dispositif d'alimentation 21 en combustible, une partie formant diffuseur d'échappement 22, un conduit 24, une cheminée d'échappement 26, des éléments de limitation de débit 28, 30, un système de commande 32 et un générateur électrique 36. Un avantage du système de commande 32 est que le système 32 peut commander la position de marche des éléments de limitation 28, 32 de débit dans le but d'accroître une contre-pression du moteur 20 à turbine à gaz pour permettre qu'un point de charge du moteur 20 à turbine à gaz soit sensiblement réduit et se rapproche d'un point de charge visé, tout en maintenant une température de gaz d'échappement en-deçà d'une marge de réglage effective de température voulue et un niveau de pression dans les gaz d'échappement inférieur à un niveau de seuil de pression. Le point de charge visé peut être, par exemple, de l'ordre de 20 à 40% de la puissance maximale. I1 faut souligner que, dans une autre forme de réalisation possible, un seul des éléments de limitation de débit 28, 30 devrait servir à accroître une contre-pression du moteur 20 à turbine à gaz.

Considérant les figures 1 et 2, le moteur 20 à turbine à gaz est couplé à un arbre de sortie 35 qui coopère en outre avec un générateur électrique 36. Le moteur 20 à turbine à gaz comprend une partie formant compresseur 40, une partie formant chambre de combustion 42 et une partie formant turbine 44. La partie formant compresseur 40 est conçue pour comprimer un apport d'air. La partie formant chambre de combustion 42 est conçue pour recevoir l'air comprimé venant de la partie formant compresseur 40 et pour brûler un mélange constitué de l'air comprimé et de combustible, ce mélange produisant des gaz d'échappement à haute pression et haute température. La partie formant turbine 44 est conçue pour recevoir les gaz d'échappement issus de la partie formant chambre de combustion 42 et pour tourner en réponse à une détente des gaz d'échappement. La partie formant turbine 44 coopère avec le générateur électrique 36 par l'intermédiaire de l'arbre de sortie 35 pour fournir une puissance de rotation au générateur électrique 36 et produire de l'électricité. La partie formant turbine 44 est en outre conçue pour permettre aux gaz d'échappement de passer jusqu'à la partie formant diffuseur d'échappement 22. Le dispositif d'alimentation en combustible 21 est conçu pour fournir du combustible à la partie formant chambre de combustion 42 du moteur 20 à turbine à gaz. Pendant le fonctionnement, le dispositif d'alimentation en combustible 21 est configuré pour fournir du combustible à la partie formant chambre de combustion 42 en réponse à un signal de commande de combustible émanant de l'unité de commande 72. Lorsqu'il s'agit d'abaisser le point de charge du moteur 20 à turbine à gaz, l'unité de commande 72 peut produire un signal de commande de combustible qui amène le dispositif d'alimentation 21 à accroître la quantité de combustible fournie à la partie formant chambre de combustion 42 afin de satisfaire les exigences de marche.

La partie formant diffuseur d'échappement 22 est agencée pour faire passer les gaz d'échappement de la partie formant turbine 44 au conduit 24. La partie formant diffuseur d'échappement 22 est montée pour faire coopérer la partie formant turbine 44 et le conduit 24. L'élément de limitation de débit 28 est conçu pour commander une section d'un passage d'écoulement dans le conduit 24. Dans un exemple de forme de réalisation, l'élément de limitation de débit 28 est une plaque déflectrice, par exemple disposée dans le conduit 24 pour servir à commander une section du passage d'écoulement dans le conduit 24. L'unité de commande 72 peut produire un premier signal de commande d'actionneur qui est reçu par un actionneur 68 pour amener l'actionneur 68 à faire venir l'élément de limitation de débit 28 dans une première position de marche dans laquelle le passage d'écoulement à l'intérieur du conduit 24 n'est pas réduit. Lorsque cela survient, une contre-pression des gaz d'échappement dans la partie formant turbine 44 est réduite. L'unité de commande 72 peut également produire un second signal de commande d'actionneur qui est reçu par l'actionneur 68 pour amener l'actionneur 68 à faire venir l'élément de limitation de débit 28 dans une seconde position de marche dans laquelle le passage d'écoulement à l'intérieur du conduit 24 est réduit. Lorsque cela survient, une contre-pression des gaz d'échappement dans la partie formant turbine 44 est accrue. La cheminée d'échappement 26 est prévue pour recevoir des gaz d'échappement du conduit 24 et pour libérer les gaz d'échappement. L'élément de limitation de débit 30 est conçu pour commander une section d'un passage d'écoulement dans la cheminée d'échappement 26. Dans un exemple de forme de réalisation, l'élément de limitation de débit 30 est par exemple une plaque déflectrice qui est disposée dans la cheminée d'échappement 26 pour servir à commander une section du passage d'écoulement dans la cheminée d'échappement 26. L'unité de commande 72 peut produire un premier signal de commande d'actionneur qui est reçu par un actionneur 60 pour amener l'actionneur 60 à faire venir l'élément de limitation de débit 30 dans une première position dans laquelle le passage d'écoulement à l'intérieur de la cheminée d'échappement 26 n'est pas réduit. Lorsque cela survient, une contre-pression des gaz d'échappement dans la partie formant turbine 44 est réduite. L'unité de commande 72 peut produire un second signal de commande d'actionneur qui est reçu par l'actionneur 60 pour amener l'actionneur 60 à faire venir l'élément de limitation de débit 30 dans une seconde position dans laquelle le passage d'écoulement dans la cheminée d'échappement 26 est réduit. Lorsque cela survient, une contre-pression des gaz d'échappement dans la partie formant turbine 44 est accrue. Le générateur électrique 36 sert à produire de l'électricité. Le générateur électrique 36 coopère par l'intermédiaire de l'arbre de sortie 35 avec la partie formant turbine 44. Lorsque la partie formant turbine 44 fait tourner l'arbre de sortie 35, l'arbre de sortie 35 entraîne le générateur 36 pour produire de l'électricité. Le système de commande 32 permet de commander le fonctionnement du moteur 20 à turbine à gaz. En particulier, le système de commande 32 permet de commander un point de charge du moteur 20 à turbine à gaz, comme expliqué plus en détail ci-après. Le système de commande 32 comprend l'actionneur 60, un capteur de position 62, un capteur de pression 64, un capteur de température 66, l'actionneur 68, un capteur de position 70 et l'unité de commande 72.

Le capteur de position 62 sert à produire un signal de position indiquant une position de l'élément de limitation de débit 30. L'unité de commande 72 reçoit du capteur de position 62 le signal de position et, d'après celui-ci, détermine la position de l'élément de limitation de débit 30.

Le capteur de pression 64 sert à produire un signal de pression indiquant un niveau de pression des gaz d'échappement dans le conduit 24. L'unité de commande 72 reçoit du capteur de pression 64 le signal de pression et, d'après celui-ci, détermine un niveau de pression.

Le capteur de température 66 sert à produire un signal de température indiquant un niveau de température des gaz d'échappement dans le conduit 24. L'unité de commande 72 reçoit du capteur de température 66 le signal de température et, d'après celui-ci, détermine un niveau de température. Le capteur de position 70 sert à produire un signal de position indiquant la position de l'élément de limitation de débit 28. L'unité de commande 72 reçoit du capteur de position 70 le signal de position et, d'après celui-ci, détermine la position de l'élément de limitation de débit 28. L'unité de commande 72 sert à commander le fonctionnement du moteur 20 à turbine à gaz. En particulier, l'unité de commande sert à commander un point de charge du moteur 20 à turbine à gaz en commandant une position des éléments de limitation de débit 28, 30 et une quantité de combustible fournie au moteur 20 à turbine à gaz par le dispositif d'alimentation en combustible 21. L'unité de commande 72 coopère avec l'actionneur 60, le capteur de position 62, le capteur de pression 64, le capteur de température 66, l'actionneur 68, le capteur de position 70 et le dispositif d'alimentation en combustible 21.

En référence à la Fig. 4, on va maintenant expliquer un organigramme d'un procédé pour commander un point de charge du moteur 20 à turbine à gaz. Lors de l'étape 200, l'unité de commande 72 détermine si, oui ou non, un point de charge demandé (W;) est inférieur à un point de charge avec une marge de récupération (WTD). Si la réponse à l'étape 200 est "oui", le procédé passe à l'étape 202. Sinon, le procédé passe à l'étape 216 et poursuit son déroulement normal. Lors de l'étape 202, l'unité de commande 72 produit des signaux de commande d'actionneurs pour amener les actionneurs 68, 60 à régler respectivement la position des éléments de limitation de débit 28, 30 afin d'accroître une contre-pression des gaz d'échappement dans la partie formant turbine 44. Lors de l'étape 204, l'unité de commande 72 reçoit du capteur de pression 64 un signal de pression et détermine un niveau de pression (Fe) des gaz d'échappement dans la partie formant turbine 44. En outre, l'unité de commande 72 reçoit du capteur de température 66 un signal de température et détermine un niveau de température (Te) des gaz d'échappement dans la partie formant turbine 44.

Lors de l'étape 206, l'unité de commande 72 détermine si, oui ou non, (i) le niveau de puissance (Fe) est dans un intervalle de pression voulu et (ii) si, oui ou non, le niveau de température (Te) est dans un intervalle de température voulu. Si la réponse à l'étape 206 est "oui", le procédé passe à l'étape 208. Sinon, le procédé revient à l'étape 202.

Lors de l'étape 208, l'unité de commande 72 détermine si, oui ou non, un point de charge réel (W) est égal au point de charge demandé (W;). Si la réponse à l'étape 208 est "oui", le procédé est quitté. Sinon, le procédé passe à l'étape 210. Lors de l'étape 210, l'unité de commande 72 détermine si, oui ou non, un point de charge réel (W) est supérieur au point de charge demandé (W;). Si la réponse à l'étape 210 est "oui", le procédé passe à l'étape 214. Sinon, le procédé passe à l'étape 212. Lors de l'étape 212, l'unité de commande 72 produit un signal de commande pour amener le dispositif d'alimentation en combustible 21 à accroître une quantité de combustible fournie à la partie formant turbine 44. Après l'étape 212, le procédé revient à l'étape 204. Considérant à nouveau l'étape 210, lorsque la réponse à l'étape 210 est "oui", le procédé passe à l'étape 214. Lors de l'étape 214, l'unité de commande 72 détermine si, oui ou non, les limites de commande de fonctionnement associées à un moteur 20 à turbine à gaz ont été atteintes. Si la réponse à l'étape 214 est "oui", le procédé est quitté. Sinon, le procédé revient à l'étape 202. En référence à la Fig. 5, le système de production d'électricité 250 comprend un moteur 252 à turbine à gaz, un dispositif d'alimentation en combustible 254, une partie formant diffuseur d'échappement 256, un élément de limitation de débit 258 et un système de commande 260. Un avantage du système de commande 260 est que le système 260 peut commander une position de l'élément de limitation de débit 258 afin d'accroître une contre-pression de la partie formant turbine 262 pour permettre une nette réduction d'un point de charge du moteur 252 à turbine à gaz tout en maintenant une température de gaz d'échappement en-deçà d'une marge de récupération effective de température voulue et un niveau de pression dans les gaz d'échappement inférieur à un niveau de seuil de pression. Le moteur 252 à turbine à gaz comprend une partie formant turbine 262, un arbre de sortie (non représenté) et un générateur électrique (non représenté). Le dispositif d'alimentation en combustible 254 est conçu pour fournir du combustible au moteur 252 à turbine à gaz. Pendant le fonctionnement, le dispositif d'alimentation en combustible 254 est configuré pour fournir du combustible au moteur 252 à turbine à gaz en réponse à un signal de commande de combustible émis par l'unité de commande 298. Lorsqu'il s'agit de réduire le point de charge du moteur 252 à turbine à gaz, l'unité de commande 298 peut produire un signal de commande de combustible qui amène le dispositif d'alimentation en combustible 254 à accroître une quantité de combustible fournie au moteur à turbine à gaz 252. La partie formant diffuseur d'échappement 256 est conçue pour acheminer des gaz d'échappement depuis la partie formant turbine 262 jusqu'à un conduit (non représenté). La partie formant diffuseur d'échappement 256 est montée de façon à faire coopérer la partie formant turbine 262 et le conduit. Considérant les figures 5 à 7, l'élément de limitation de débit 258 est conçu pour commander une section d'un passage d'écoulement dans la partie formant diffuseur d'échappement 256. Dans un exemple de forme de réalisation, l'élément de limitation de débit 258 comprend un support 270 monté sur un élément déflecteur 272. Le support 270 est assujetti à une partie de la partie formant diffuseur d'échappement 256. L'élément déflecteur 272 est monté sur le support 270 de manière à pouvoir tourner. Un actionneur 290 coopère avec l'élément déflecteur 272 pour déplacer l'élément déflecteur 272 en réponse à un signal de commande émis par l'unité de commande 298. En particulier, l'actionneur 290 peut actionner l'élément déflecteur 272 entre une première position (représentée sur la Fig. 6) dans laquelle un passage d'écoulement dans la partie formant diffuseur d'échappement 256 n'est pas réduit, et une seconde position (représentée sur la Fig. 7) dans laquelle le passage d'écoulement dans la partie formant diffuseur d'échappement 256 est réduit. Lorsque l'actionneur 290 fait passer l'élément déflecteur 272 de la première position à la seconde position , une contre-pression des gaz d'échappement dans la partie formant turbine 262 est accrue. Le système de commande 260 sert à commander le fonctionnement du moteur 252 à turbine à gaz. En particulier, le système de commande 260 sert à commander un point de charge du moteur 252 à turbine à gaz. Le système de commande 260 comprend l'actionneur 290, un capteur de position 292, un capteur de pression 294, un capteur de température 296 et l'unité de commande 298. Le capteur de position 292 sert à produire un signal de position indiquant une position de l'élément de limitation de débit 258. L'unité de commande 298 reçoit du capteur de position 292 le signal de position et, d'après celui-ci, détermine la position de l'élément de limitation de débit 258. Le capteur de pression 294 sert à produire un signal de pression indiquant un niveau de pression de gaz d'échappement dans la partie formant diffuseur d'échappement 256. L'unité de commande 298 reçoit du capteur de pression 294 le signal de pression et, d'après celui-ci, détermine un niveau de pression. Le capteur de température 296 sert à produire un signal de température indiquant un niveau de température de gaz d'échappement dans la partie formant diffuseur d'échappement 256. L'unité de commande 298 reçoit du capteur de température 296 le signal de température et, d'après celui-ci, détermine un niveau de température. L'unité de commande 298 sert à commander le fonctionnement du moteur 252 à turbine à gaz. En particulier, l'unité de commande 298 sert à commander un point de charge du moteur 252 à turbine à gaz en commandant une position de marche de l'élément de limitation de débit 258 et une quantité de combustible fournie au moteur 252 à turbine à gaz par le dispositif d'alimentation en combustible 254, d'une manière sensiblement similaire à celle décrite à propos de l'organigramme de la Fig. 4. L'unité de commande 298 coopère avec l'actionneur 290, le capteur de position 292, le capteur de pression 294, le capteur de température 296 et le dispositif d'alimentation en combustible 254. Considérant la Fig. 8, le système de production d'électricité 350 comprend un moteur 352 à turbine à gaz, un dispositif d'alimentation en combustible 354, une partie formant diffuseur d'échappement 356, un élément de limitation de débit 358 et un système de commande 360. Un avantage du système de commande 360 est que le système 360 peut commander une position de marche de l'élément de limitation de débit 358 afin d'accroître une contre-pression du moteur 352 à turbine à gaz pour permettre une nette diminution d'un point de charge du moteur 352 à turbine à gaz en direction d'un point de charge visé tout en maintenant une température de gaz d'échappement en-deçà d'une marge de récupération de température voulue et un niveau de pression dans les gaz d'échappement inférieur à un niveau de seuil de pression. Le moteur 352 à turbine à gaz comprend une partie formant turbine 370, un arbre de sortie (non représenté) et un générateur électrique (non représenté). La principale différence entre le système de production d'électricité 350 et le système de production d'électricité 250 réside dans le type d'élément de limitation de débit employé dans ceux-ci. En particulier, l'élément de limitation de débit 358 est une plaque à déplacement linéaire entre une première position et une seconde position . Un actionneur 390 est couplé à l'élément de limitation de débit 358 pour déplacer l'élément de limitation de débit 358, en réponse à un signal de commande émis par l'unité de commande 398. En particulier, l'actionneur 390 peut actionner l'élément de limitation de débit 358 entre une première position dans laquelle un passage d'écoulement dans la partie formant diffuseur d'échappement 356 n'est pas réduit, et une seconde position (représentée sur la Fig. 8) dans laquelle le passage d'écoulement dans la partie formant diffuseur d'échappement 356 est réduit. Lorsque l'actionneur 390 fait passer l'élément de limitation de débit 358 de la première position à la seconde position , une contre-pression de gaz d'échappement dans la partie formant turbine 370 est accrue.

On va maintenant présenter d'autres types d'éléments de limitation de débit qui pourraient également être employés dans les systèmes de production d'électricité 10, 250 et 350 à la place des éléments de limitation de débit 28, 30, 258 et 358. Considérant la Fig. 9, il y est représenté un élément de limitation de débit 450 pour produire une contre-pression accrue dans les gaz d'échappement. L'élément de limitation de débit 450 comprend une partie formant diffuseur 452 et une partie annulaire 454. Un actionneur 460 coopère avec la partie annulaire 454. Quand l'actionneur 460 déplace la partie annulaire 454 dans une première direction (par exemple vers la droite sur la Fig. 9), la section effective du passage d'écoulement dans la partie formant diffuseur 452 est réduite, ce qui accroît la valeur de la contre-pression de gaz d'échappement reçue par l'élément de limitation de débit 450. Lorsque l'actionneur 460 actionne la partie annulaire 454 dans une seconde direction (par exemple, vers la gauche sur la Fig. 9), la section effective du passage d'écoulement dans la partie formant diffuseur 452 est accrue, ce qui abaisse la valeur de la contre-pression des gaz d'échappement reçus par l'élément de limitation de débit 450. I1 faut souligner que, dans chacune des formes de réalisation décrites plus haut, chaque élément de limitation de débit peut passer progressivement d'une position qui réduit le passage d'écoulement à une autre position dans laquelle l'élément de limitation de débit accroît l'ampleur de la réduction du passage d'écoulement, afin de réduire progressivement une marge de récupération. Chaque élément de limitation de débit peut également passer d'une position réduisant le passage d'écoulement à une autre position correspondant à une ampleur réduite de limitation du passage d'écoulement, dans le but d'accroître un point de charge. Les systèmes de commande et le procédé pour commander un point de charge d'un moteur à turbine à gaz présentent un grand avantage par rapport à d'autres systèmes et procédés. En particulier, le système de commande et le procédé permettent de régler le point de charge pour le rapprocher d'un point de charge visé relativement bas de façon que les gaz d'échappement aient un niveau de température en-deçà d'une marge de récupération de température voulue et que le niveau de pression des gaz d'échappement soit inférieur à un niveau de seuil de pression.

LISTE DES REPERES

10 Système de production d'électricité 20 Moteur à turbine 21 Dispositif d'alimentation en combustible 22 Diffuseur d'échappement 24 Conduit 26 Cheminée d'échappement 28 Elément de limitation de débit 30 Elément de limitation de débit 32 Système de commande 35 Arbre de sortie 36 Générateur électrique 40 Partie formant compresseur 42 Partie formant chambre de combustion 44 Partie formant turbine 60 Actionneur 62 Capteur de position 64 Capteur de pression 66 Capteur de température 68 Actionneur 70 Capteur de position 72 Unité de commande 116 Courbe 120 Cycle thermodynamique 122 Cycle thermodynamique 123 Cycle thermodynamique 124 Cycle thermodynamique 125 Cycle thermodynamique 126 Cycle thermodynamique 146 Courbe 150 Cycle thermodynamique 152 Cycle thermodynamique 169 Marge de récupération 170 Marge de récupération effective désirée 171 Nouvelle marge de récupération 250 Système de production d'électricité 252 Moteur à turbine 254 Dispositif d'alimentation en combustible 256 Partie formant diffuseur d'échappement 258 Elément de limitation de débit 260 Système de commande 262 Partie formant turbine 10 270 Support 272 Elément déflecteur 290 Actionneur 292 Capteur de position 294 Capteur de pression 15 296 Capteur de température 298 Unité de commande 350 Système de production d'électricité 352 Moteur à turbine 354 Dispositif d'alimentation en combustible 20 356 Partie formant diffuseur d'échappement 358 Elément de limitation de débit 360 Système de commande 370 Partie formant turbine 390 Actionneur 25 398 Unité de commande 450 Elément de limitation de débit 452 Partie formant diffuseur 460 Actionneur

Claims

REVENDICATIONS1. Système de commande (32) pour commander un point de charge d'un moteur (20) à turbine à gaz, le moteur (20) à turbine à gaz comprenant une partie formant turbine (44) en communication fluidique avec un conduit ayant un passage d'écoulement, le conduit étant conçu pour recevoir des gaz d'échappement de la partie formant turbine (44), le système de commande (32) comprenant : un élément de limitation de débit (28) monté dans le conduit et conçu pour être actionné entre une première et une seconde positions , de façon que, lorsque l'élément de limitation de débit (28) est déplacé dans la première position , l'élément de limitation de débit (28) ne réduise pas une partie du passage d'écoulement dans le conduit et que, lorsque l'élément de limitation de débit est déplacé dans la seconde position , l'élément de limitation de débit (28) réduise effectivement le passage d'écoulement ; un actionneur (68) couplé à l'élément de limitation de débit (28) et conçu pour actionner l'élément de limitation de débit (28) en réponse à un signal de commande d'actionneur ; un dispositif d'alimentation en combustible (21) conçu pour fournir du combustible à une partie formant chambre de combustion (42) du moteur (20) à turbine à gaz en réponse à un signal de commande de combustible; un capteur de température (66) conçu pour produire un signal de température indiquant un niveau de température des gaz d'échappement 25 dans le conduit ; un capteur de pression (64) conçu pour produire un signal de pression indiquant un niveau de pression des gaz d'échappement dans le conduit ; et une unité de commande (72) coopérant avec l'actionneur (68), le 30 dispositif d'alimentation en combustible (21), le capteur de température (66) et le capteur de pression (64), l'unité de commande (72) étant conçue pour recevoir le signal de température et le signal de pression, l'unité de commande (72) étant en outre conçue pour produire le signalde commande de combustible, l'unité de commande (72) étant en outre conçue pour produire le signal de commande d'actionneur de façon que l'élément de limitation de débit (28) soit amené à passer de la première position à la seconde position pour réduire le passage d'écoulement de telle sorte que les gaz d'échappement aient un niveau de température en-deçà d'une marge de récupération de température désirée, que le niveau de pression dans les gaz d'échappement soit inférieur à un niveau de seuil de pression et que le point de charge du moteur (20) à turbine à gaz soit réglé de manière à se rapprocher d'un point de charge visé.
2. Système de commande (32) selon la revendication 1, dans lequel le point de charge du moteur (20) à turbine à gaz est réglé de manière à se rapprocher du point de charge visé en abaissant le point de charge.
3. Système de commande (32) selon la revendication 1, dans lequel au moins un constituant des gaz d'échappement est maintenu dans un intervalle de valeurs voulues de constituants de gaz d'échappement après que l'élément de limitation de débit (28) a été amené à passer de la première position à la seconde position .
4. Système de commande (32) selon la revendication 1, dans 20 lequel le conduit comporte au moins une partie d'une conduite en communication fluidique avec la partie formant turbine (44).
5. Système de commande (32) selon la revendication 1, dans lequel le conduit comporte au moins une partie d'une cheminée d'échappement en communication fluidique avec la partie formant 25 turbine (44).
6. Procédé de commande d'un point de charge d'un moteur (20) à turbine à gaz, le moteur (20) à turbine à gaz ayant une partie formant turbine (44) couplée à un conduit ayant un passage d'écoulement, le passage d'écoulement étant conçu pour recevoir des gaz d'échappement 30 de la partie formant turbine (44), le procédé comprenant : la production d'un signal de température indiquant un niveau de température des gaz d'échappement dans le conduit, lequel signal est reçu par une unité de commande (72) par l'intermédiaire d'un capteur de température (66) ;la production d'un signal de pression indiquant un niveau de pression des gaz d'échappement dans le conduit, lequel signal est reçu par l'unité de commande (72) par l'intermédiaire d'un capteur de pression (64) ; la production d'un signal de commande de combustible pour amener un dispositif d'alimentation en combustible (21) à fournir du combustible au moteur (20) à turbine à gaz, par l'intermédiaire de l'unité de commande (72) ; et la production d'un signal de commande d'actionneur pour amener un actionneur (68) à faire passer un élément de limitation de débit (28) d'une première position à une seconde position afin de réduire le passage d'écoulement de façon que les gaz d'échappement aient un niveau de température en-deçà d'une marge de récupération de température désirée et que le niveau de pression des gaz d'échappement soit inférieur à un niveau de seuil de pression, et que le point de charge du moteur (20) à turbine à gaz soit réglé pour se rapprocher d'un point de charge visé, par l'intermédiaire de l'unité de commande (72).
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le point de charge du moteur (20) à turbine à gaz est réglé pour se rapprocher du 20 point de charge visé en abaissant le point de charge.
8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel au moins un constituant des gaz d'échappement est maintenu dans un intervalle voulu de constituants de gaz d'échappement après que l'élément de limitation de débit (28) est passé de la première position à la seconde position . 25
9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le conduit comporte au moins une partie d'une conduite en communication fluidique avec la partie formant turbine (44).
10. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le conduit comporte au moins une partie d'une cheminée d'échappement en 30 communication fluidique avec la partie formant turbine (44).