FR2966509A1 - Systeme de commande d'un systeme a cycle energetique semi-ferme - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un système (10) qui comprend un dispositif de commande (56) configuré pour commander un système à cycle énergétique semi-fermé (12). Le dispositif de commande (56) est configuré pour recevoir au moins un signal parmi un premier signal indicatif d'une concentration en oxygène dans un premier flux de gaz (33, 34) traversant un compresseur primaire (20), un deuxième signal indicatif d'une puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé (12), un troisième signal indicatif d'une température d'un deuxième flux de gaz (26, 30) traversant une turbine (16) et un quatrième signal indicatif d'un bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé (12). Le dispositif de commande (56) est également configuré pour ajuster au moins un paramètre parmi le premier débit de gaz (33, 34) traversant le compresseur primaire (20), un débit de carburant fourni à une chambre de combustion (14), une fraction du premier débit de gaz (33, 34) extraite du compresseur primaire (20) et un débit d'air (25) traversant un compresseur d'alimentation (22) sur la base de l'au moins un signal parmi le premier signal, le deuxième signal, le troisième signal et le quatrième signal.
Description
B 11-4769FR 1 Système de commande d'un système à cycle énergétique semi- fermé L'invention décrite porte sur un système et un procédé de commande d'un système à cycle énergétique semi-fermé. Certains systèmes de production d'énergie comprennent une turbine à gaz configurée pour brûler un mélange de carburant et d'air comprimé afin de produire des gaz de combustion chauds. Les gaz de combustion traversent une turbine et génèrent de la puissance mécanique destinée à une charge, telle qu'une génératrice électrique. Certaines turbines à gaz comprennent une chambre de combustion configurée pour fonctionner avec un rapport de mélange pauvre en carburant. La quantité d'air comprimé introduite dans la chambre de combustion est donc supérieure à la quantité suffisante pour une combustion complète du carburant. En résultat, le gaz d'échappement sortant de la chambre de combustion contient une quantité importante d'oxygène. Les gaz d'échappement de certains systèmes de production d'énergie peuvent être employés pour une récupération secondaire de minéraux, tels que du pétrole. Dans de tels systèmes, un gaz d'échappement sous pression est dirigé vers des gisements minéraux souterrains pour augmenter la pression d'huile et/ou pour fracturer des formations géologiques, améliorant ainsi la récupération du pétrole. De plus, étant donné que le gaz d'échappement reste dans la formation géologique, au moins une partie du dioxyde de carbone produit par le système de production d'énergie sera capturée sous terre. Malheureusement, l'oxygène présent dans le gaz d'échappement peut dégrader et/ou autrement nuire à la qualité du pétrole. En conséquence, il peut être souhaitable de réduire sensiblement la concentration en oxygène du gaz d'échappement sortant de la turbine à gaz. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, un système comprend un dispositif de commande configuré pour commander un système à cycle énergétique semi-fermé. Le dispositif de commande est configuré pour recevoir au moins un signal parmi un premier signal indicatif d'une concentration en oxygène dans un premier flux de gaz traversant un compresseur primaire, un deuxième signal indicatif d'une puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé, un troisième signal indicatif d'une température d'un deuxième flux de gaz traversant une turbine et un quatrième signal indicatif d'un bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé. Le dispositif de commande est également configuré pour ajuster au moins un paramètre parmi le premier débit de gaz traversant le compresseur primaire, un débit de carburant fourni à une chambre de combustion, une fraction du premier débit de gaz extraite du compresseur primaire et un débit d'air traversant un compresseur d'alimentation sur la base de l'au moins un signal parmi le premier signal, le deuxième signal, le troisième signal et le quatrième signal. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, un système comprend une chambre de combustion configurée pour brûler un mélange air-carburant, et un compresseur d'alimentation en communication fluidique avec la chambre de combustion et configuré pour fournir un flux d'air à la chambre de combustion. Le système comprend également une turbine en communication fluidique avec la chambre de combustion et configurée pour recevoir un premier flux de gaz provenant de la chambre de combustion. Le système comprend en outre un compresseur primaire en communication fluidique avec la turbine et configuré pour recevoir un deuxième flux de gaz provenant de la turbine, pour comprimer le deuxième flux de gaz et pour fournir un troisième flux de gaz à la turbine. Une fraction du troisième flux de gaz est extraite du compresseur primaire. En outre, le système comprend un dispositif de commande configuré pour recevoir un premier signal indicatif d'une concentration en oxygène dans le troisième flux de gaz, et pour ajuster le débit d'air fourni à la chambre de combustion sur la base du premier signal.
Dans un troisième mode de réalisation de l'invention, un procédé de commande d'un système à cycle énergétique semi-fermé consiste à recevoir au moins un signal parmi un premier signal indicatif d'une concentration en oxygène dans un premier flux de gaz traversant un compresseur primaire, un deuxième signal indicatif d'une puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé, un troisième signal indicatif d'une température d'un deuxième flux de gaz traversant une turbine et un quatrième signal indicatif d'un bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé. Le procédé consiste également à ajuster au moins un paramètre parmi le premier débit de gaz traversant le compresseur primaire, un débit de carburant fourni à une chambre de combustion, une fraction du premier débit de gaz extraite du compresseur primaire et un débit d'air traversant un compresseur d'alimentation sur la base de l'au moins un signal parmi le premier signal, le deuxième signal, le troisième signal et le quatrième signal. Les caractéristiques, aspects et avantages de la présente invention ressortiront à l'étude de la description détaillée suivante d'exemples nullement limitatifs de l'invention, illustrée par les dessins annexés, sur lesquels les mêmes caractères repèrent les mêmes composants sur tous les dessins, et dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un exemple de système de production d'énergie à cycle combiné comprenant un mode de réalisation d'un système à cycle énergétique semi-fermé; - la figure 2 est un schéma d'une variante de réalisation d'un système à cycle énergétique semi-fermé; et - la figure 3 est un organigramme d'un mode de réalisation d'un procédé de commande d'un système à cycle énergétique semi- fermé. Certaines turbines à gaz sont configurées pour fonctionner sur la base d'un cycle énergétique semi-fermé afin de réduire sensiblement la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement. Ces turbines à gaz peuvent être appelées systèmes à cycle énergétique semi-fermé. Certains systèmes à cycle énergétique semi-fermé comprennent un compresseur d'alimentation configuré pour fournir un flux d'air à une chambre de combustion, une turbine configurée pour recevoir un flux de gaz provenant de la chambre de combustion, et un compresseur primaire configuré pour recevoir le flux de gaz délivré par la turbine, pour comprimer le gaz et pour refournir un flux de gaz comprimé à la turbine. Le gaz de recirculation fourni par le compresseur primaire réduit sensiblement la température du gaz sortant de la chambre de combustion, ce qui permet à la chambre de combustion de fonctionner avec un rapport de mélange air-carburant sensiblement stoechiométrique. En résultat, la teneur en oxygène du gaz d'échappement extrait du compresseur primaire sera sensiblement réduite par comparaison à certaines turbines à gaz qui font fonctionner la chambre de combustion avec un rapport de mélange pauvre en carburant. En conséquence, des systèmes à cycle énergétique semi-fermé peuvent efficacement fournir un gaz d'échappement bien adapté à des opérations de récupération secondaire et/ou de capture de carbone. Des modes de réalisation de la présente invention peuvent faciliter un fonctionnement efficace d'un système à cycle énergétique semi-fermé par réglage de divers débits de fluide dans le système à cycle énergétique semi-fermé. Par exemple, certains systèmes à cycle énergétique semi-fermé comprennent un dispositif de commande configuré pour recevoir un premier signal indicatif d'une concentration en oxygène dans le flux de gaz sortant du compresseur primaire, et pour ajuster le débit d'air fourni à la chambre de combustion sur la base du premier signal. Dans d'autres modes de réalisation, le dispositif de commande est configuré pour recevoir un deuxième signal indicatif d'une puissance délivrée par la turbine, un troisième signal indicatif d'une température du flux de gaz traversant la turbine et un quatrième signal indicatif d'un bilan de débit massique dans le système. Le dispositif de commande est également configuré pour ajuster le débit d'air fourni à la chambre de combustion, pour ajuster le débit de gaz fourni au compresseur primaire, pour ajuster un débit de carburant fourni à la chambre de combustion et pour ajuster la fraction du débit de gaz extraite du compresseur primaire sur la base du premier signal, du deuxième signal, du troisième signal et du quatrième signal. Par exemple, le dispositif de commande peut être configuré pour ajuster le débit de gaz fourni au compresseur primaire sur la base du troisième signal, pour ajuster le débit de carburant fourni à la chambre de combustion sur la base du deuxième signal, pour ajuster la fraction du débit de gaz extraite du compresseur primaire sur la base du quatrième signal et pour ajuster le débit d'air fourni à la chambre de combustion sur la base du premier signal. Selon une variante, le dispositif de commande peut être configuré pour ajuster le débit d'air fourni au compresseur primaire sur la base du troisième signal, pour ajuster le débit de carburant fourni à la chambre de combustion sur la base du premier signal, pour ajuster la fraction du débit de gaz extraite du compresseur primaire sur la base du deuxième signal et pour ajuster le débit d'air fourni à la chambre de combustion sur la base du quatrième signal. En conséquence, le dispositif de commande peut faciliter un fonctionnement efficace du système à cycle énergétique semi-fermé. La figure 1 est un schéma d'un exemple de système de production d'énergie à cycle combiné 10 comprenant un mode de réalisation d'un système à cycle énergétique semi-fermé 12. On remarquera que le système à cycle énergétique semi-fermé 12 peut être utilisé pour entraîner une charge dans d'autres systèmes de production d'énergie, des systèmes à turbine ou des usines de traitement, par exemple. Dans le présent mode de réalisation, le système à cycle énergétique semi-fermé 12 comprend une chambre de combustion 14, une turbine 16, un arbre de transmission 18, un compresseur primaire 20 et un compresseur d'alimentation 22. La chambre de combustion 14 reçoit du carburant 24, tel que du gaz naturel, qui peut être injecté sous pression par des injecteurs de carburant. Ce carburant est mélangé à de l'air sous pression 25 et brûlé dans la chambre de combustion 14, ce qui produit des gaz chauds sous pression 26. La chambre de combustion 14 dirige les gaz 26 vers une entrée de la turbine 16. A mesure que les gaz 26 provenant de la chambre de combustion 14 traversent la turbine 16, des ailettes dans la turbine 16 sont mises en rotation, ce qui fait tourner l'arbre de transmission 18 le long d'un axe du système à cycle énergétique semi-fermé 12. Comme représenté, l'arbre de transmission 18 est couplé à divers composants du système à cycle énergétique semi-fermé 12, y compris le compresseur primaire 20 et le compresseur d'alimentation 22. L'arbre de transmission 18 couple la turbine 16 à un rotor du compresseur d'alimentation 22 qui porte des ailettes. La rotation des ailettes de turbine dans la turbine 16 est donc communiquée, par l'arbre de transmission 18 couplant la turbine 16 au compresseur d'alimentation 22, aux ailettes dans le compresseur d'alimentation 22. La rotation des ailettes dans le compresseur d'alimentation 22 fait que le compresseur 22 comprime de l'air 27 reçu par une entrée d'air, par exemple. L'air comprimé 25 est ensuite fourni à la chambre de combustion 14 et mélangé au carburant 24 pour faciliter la combustion. L'arbre de transmission 18 est également couplé à une charge 28, qui peut être une charge fixe, telle qu'une génératrice électrique, pour produire de l'énergie électrique dans une centrale électrique. De fait, la charge 28 peut être n'importe quel dispositif approprié qui est actionné par la puissance de rotation délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé 12. Le gaz 30 sortant de la turbine 16 est dirigé vers un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) 32. Le GVRC est un échangeur de chaleur qui comprend de multiples conduits configurés pour transporter un fluide secondaire, tel que de l'eau, dans une direction transversale (c'est-à-dire sensiblement perpendiculaire) au flux de gaz 30 traversant le GVRC 32. A mesure que le gaz 30 circule autour des conduits, de la chaleur est transférée du gaz à l'eau, ce qui produit de la vapeur. De plus, la température du gaz est sensiblement abaissée. Après avoir traversé le GVRC 32, le gaz refroidi 33 est dirigé vers une entrée du compresseur primaire 20 pour que le gaz 33 puisse être remis en circulation dans le système à cycle énergétique semi-fermé 12.
Comme représenté, l'arbre de transmission 18 couple la turbine 16 à un rotor du compresseur primaire 20 qui porte des ailettes. La rotation des ailettes de turbine dans la turbine 16 est donc communiquée, par l'arbre de transmission 18 couplant la turbine 16 au compresseur primaire 20, aux ailettes dans le compresseur primaire 20. La rotation des ailettes dans le compresseur primaire 20 fait que le compresseur 20 comprime le gaz froid 33. Le gaz comprimé 34 est ensuite fourni à la turbine 16 afin de réduire la température du gaz 26 provenant de la chambre de combustion 14. Par exemple, la chambre de combustion 14 peut être configurée pour fonctionner avec un rapport de mélange air-carburant stoechiométrique. Dans certains modes de réalisation, la température du gaz 26 produit par une réaction stoechiométrique peut être supérieure à la température de fonctionnement voulue de la turbine 16. Mélanger le gaz 26 provenant de la chambre de combustion 14 avec le gaz de recirculation 34 peut donc permettre de fournir à la turbine 16 un flux de gaz à une température voulue. De plus, étant donné que le gaz 26 est le produit d'une réaction de combustion stoechiométrique (c'est-à-dire une combustion complète du carburant et de l'air), la teneur en oxygène du gaz 26 sera sensiblement inférieure à celle d'un gaz produit par une réaction de combustion pauvre en carburant. Par exemple, des réactions de combustion pauvre en carburant peuvent produire un gaz ayant une concentration en oxygène supérieure à environ 10%, 12%, 14%, 16%, 18%, 20% ou plus. Au contraire, la concentration en oxygène du gaz 26 produit par la réaction de combustion stoechiométrique peut être inférieure à environ 5%, 4%, 3%, 2%, 1% ou moins. Dans le présent mode de réalisation, une partie du gaz 34 refoulé par le compresseur primaire 20 est extraite pour être utilisée dans des opérations de récupération secondaire et/ou de capture de carbone. Comme décrit en détail plus bas, la fraction de gaz extraite peut être précisément ajustée pour maintenir un équilibre de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé 12, pour faire varier la puissance de rotation fournie à la charge 28 et/ou pour modifier d'autres paramètres de fonctionnement du système à cycle énergétique semi-fermé 12. En raison de la faible teneur en oxygène du gaz d'échappement 35 extrait, le gaz d'échappement 35 peut être injecté dans un gisement minéral sans dégrader sensiblement ni autrement nuire à la qualité des minéraux (par exemple du pétrole). En résultat, le gaz d'échappement 35 sortant du système à cycle énergétique semi-fermé 12 peut être bien adapté à des opérations de récupération secondaire et/ou de capture de carbone. Comme indiqué précédemment, le gaz 30 sortant de la turbine 16 est introduit dans le GVRC 32, et du gaz refroidi 33 est renvoyé au compresseur primaire 20. Au cours du refroidissement du gaz 30 dans le GVRC 32, de la vapeur d'eau contenue dans le gaz 30 se condensera en eau 37. L'eau 37 peut être extraite du GVRC 32, de manière à réduire la teneur en humidité du gaz 33. En résultat, le gaz d'échappement 35 extrait du compresseur primaire 20 aura une concentration en eau sensiblement inférieure à celle d'un gaz d'échappement sortant directement d'une turbine à gaz. Dans le mode de réalisation illustré, de la vapeur à haute pression 36 générée par le flux de gaz chaud 30 traversant le GVRC 32 est dirigée vers une turbine à vapeur 38. A mesure que la vapeur à haute pression 36 traverse la turbine à vapeur 38, des ailettes dans la turbine 38 sont mises en rotation, de manière à entraîner une seconde charge 40. Bien que le présent mode de réalisation comprenne deux charges 28 et 40, on notera que le système à cycle énergétique semi-fermé 12 et la turbine à vapeur 38 peuvent être couplés à la même charge dans des variantes de réalisation. A mesure que la vapeur traverse la turbine à vapeur 38, sa pression diminue si bien que de la vapeur à basse pression 42 sort de la turbine 38. Comme représenté, la vapeur à basse pression 42 rentre dans un condenseur 44 qui condense la vapeur. Le condenseur 44 est un échangeur de chaleur qui comprend de multiples conduits configurés pour transporter un fluide secondaire, tel que de l'eau, dans une direction transversale (par exemple sensiblement perpendiculaire) au flux de vapeur. A mesure que la vapeur circule autour des conduits, de la chaleur est transférée de la vapeur à l'eau 46, ce qui condense la vapeur en eau 48. L'eau 48 est renvoyée au GVRC 32 dans lequel elle est chauffée par le gaz 30 pour produire encore de la vapeur à haute pression 36. L'eau de refroidissement 46 est chauffée dans le condenseur 44 et sort sous la forme d'eau chaude 50. L'eau chaude 50 est dirigée vers une tour de refroidissement 52 qui refroidit l'eau chaude 50 pour produire de l'eau froide 46 destinée au condenseur 44. Bien que la vapeur à haute pression 36 soit dirigée vers une turbine à vapeur 38 dans le présent mode de réalisation, on comprendra que d'autres modes de réalisation peuvent utiliser la vapeur à haute pression 36 pour un processus industriel (par exemple, une gazéification) avant de renvoyer la vapeur à basse pression 42 au condenseur 44. Dans le mode de réalisation illustré, le système de production d'énergie 10 comprend un système de commande 54 configuré pour réguler le fonctionnement du système à cycle énergétique semi-fermé 12. Comme représenté, le système de commande 54 comprend un dispositif de commande 56 configuré pour recevoir des signaux indicatifs de divers paramètres de fonctionnement du système à cycle énergétique semi-fermé 12, et pour réguler la circulation des fluides dans l'ensemble du système à cycle énergétique semi-fermé 12 de manière à faciliter un fonctionnement efficace. Dans certains modes de réalisation, le dispositif de commande 56 est configuré pour recevoir au moins un signal parmi un signal indicatif d'une concentration en oxygène dans le flux de gaz 34 sortant du compresseur primaire 20, un signal indicatif d'une puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé 12, un signal indicatif d'une température du flux de gaz 30 sortant de la turbine 16 et un signal indicatif d'un bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé 12. Dans le mode de réalisation illustré, le système de commande 54 comprend un capteur 58 en communication fluidique avec le gaz d'échappement 35 extrait du compresseur primaire 20. Le capteur 58 est connecté pour communiquer avec le dispositif de commande 56 et configuré pour mesurer la concentration en oxygène et/ou la pression du gaz d'échappement 35 extrait. Comme indiqué plus haut, il peut être souhaitable de réduire sensiblement la teneur en oxygène dans le gaz d'échappement 35 afin de faciliter des opérations de récupération secondaire et/ou de capture de carbone. En conséquence, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour recevoir un signal du capteur 58 indicatif de la concentration en oxygène dans le gaz d'échappement 35, et pour réguler le fonctionnement du système à cycle énergétique semi-fermé 12 de manière à maintenir une faible teneur en oxygène dans le gaz d'échappement 35.
De plus, le capteur 58 peut être configuré pour mesurer la pression du gaz d'échappement 35 extrait du compresseur primaire 20. La pression mesurée peut être utilisée pour déterminer le bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé 12. Comme on le comprendra, maintenir l'équilibre de débit massique facilite un fonctionnement efficace du système à cycle énergétique semi-fermé 12. Lorsque le système à cycle énergétique semi-fermé 12 est équilibré en masse, le débit massique du gaz d'échappement 35 extrait du compresseur primaire 20 est égal au débit massique de l'air comprimé 25 sortant du compresseur d'alimentation 22 plus le débit massique du carburant 24 fourni à la chambre de combustion 14 moins le débit massique de l'eau 37 extraite du GVRC 32. Si le débit massique du gaz d'échappement 35 est inférieur à la valeur voulue, la pression s'accumulera dans le compresseur primaire 20, ce qui réduira le rendement du système à cycle énergétique semi-fermé 12. En conséquence, par mesure de la pression du gaz d'échappement 35 extrait du compresseur 20, le dispositif de commande 56 peut déterminer si le système à cycle énergétique semi-fermé 12 est correctement équilibré en masse ou non.
Le dispositif de commande 56 est également connecté pour communiquer avec la charge 28 et configuré pour mesurer la puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé 12. Par exemple, si la charge 28 est une génératrice électrique, le dispositif de commande 56 peut recevoir un signal indicatif d'une puissance électrique délivrée par la génératrice. En conséquence, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour commander le système à cycle énergétique semi-fermé 12 de manière à produire une puissance de sortie voulue. De plus, le système de commande 54 comprend un capteur de température 60 configuré pour mesurer la température du gaz traversant la turbine 16. Dans le mode de réalisation illustré, le capteur de température 60 est en communication fluidique avec le gaz 30 à la sortie de la turbine 16. Toutefois, on notera que le capteur de température 60 peut être configuré pour mesurer la température du gaz à l'entrée de la turbine 16 et/ou au niveau d'un étage intermédiaire de la turbine 16.
Dans le présent mode de réalisation, le dispositif de commande 56 est configuré pour commander le système à cycle énergétique semifermé 12 de manière à produire une température de gaz voulue. Par exemple, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour assurer que la température du gaz ne dépasse pas la température maximale de fonctionnement de la turbine 16. Dans le présent mode de réalisation, le dispositif de commande 56 est configuré pour ajuster au moins un paramètre parmi le débit de gaz traversant le compresseur primaire 20, le débit de carburant 24 fourni à la chambre de combustion 14, la fraction du débit de gaz d'échappement 35 extraite du compresseur primaire 20 et le débit d'air traversant le compresseur d'alimentation 22 sur la base d'au moins un signal parmi le signal indicatif de la concentration en oxygène dans le flux de gaz 34 sortant du compresseur primaire 20, le signal indicatif de la puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé 12, le signal indicatif de la température du flux de gaz 30 sortant de la turbine 16 et le signal indicatif du bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé 12. Par exemple, dans le mode de réalisation illustré, le dispositif de commande 56 est connecté pour communiquer avec des aubes directrices d'entrée 62 configurées pour réguler le débit d'air 27 fourni au compresseur d'alimentation 22. Comme on le comprendra, réguler le débit d'air 27 fourni au compresseur d'alimentation 22 fera varier le débit d'air comprimé 25 fourni à la chambre de combustion 14. Dans certains modes de réalisation, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour ajuster la position des aubes directrices 62 sur la base de la concentration en oxygène mesurée dans le gaz d'échappement 35 extrait. Par exemple, si la concentration en oxygène est supérieure à la valeur voulue, le dispositif de commande 56 peut partiellement fermer les aubes directrices d'entrée 62 pour limiter le débit d'air traversant le compresseur d'alimentation 22. Selon une autre possibilité, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour ajuster la position des aubes directrices 62 sur la base du bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé 12. Par exemple, si la pression du gaz d'échappement 35 extrait est supérieure à la valeur voulue, le dispositif de commande 56 peut partiellement fermer les aubes directrices d'entrée 62 pour limiter le débit d'air traversant le compresseur d'alimentation 22, ce qui réduit le débit massique d'air introduit dans le système à cycle énergétique semi-fermé 12. Dans certains modes de réalisation, la concentration en oxygène dans le gaz d'échappement 35 extrait est calculée sur la base du rapport de mélange air-carburant dans la chambre de combustion 14. Dans ces modes de réalisation, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour ajuster la position des aubes directrices 62 sur la base du rapport de mélange air-carburant. Comme indiqué plus haut, il peut être souhaitable de faire fonctionner la chambre de combustion 14 à un rapport de mélange air-carburant stoechiométrique afin de réduire sensiblement la teneur en oxygène du gaz d'échappement. En conséquence, si la quantité d'air comprimé 25 provenant du compresseur d'alimentation 22 est supérieure à la quantité suffisante pour une combustion complète du carburant 24, le dispositif de commande 56 peut ajuster les aubes directrices 62 pour limiter le débit traversant le compresseur d'alimentation 22. Inversement, si la quantité d'air comprimé 25 provenant du compresseur d'alimentation 22 est inférieure à la quantité suffisante pour une combustion complète du carburant 24, le dispositif de commande 56 peut ajuster les aubes directrices 62 en faveur d'une augmentation du débit traversant le compresseur d'alimentation 22. Le dispositif de commande 56 est également connecté pour communiquer avec des aubes directrices d'entrée 64 du compresseur primaire 20 afin de réguler le débit de gaz traversant le compresseur primaire 20. Comme on le comprendra, réguler le débit de gaz 33 fourni au compresseur primaire 20 fera varier le débit de gaz comprimé 34 fourni à la turbine 16. Dans certains modes de réalisation, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour ajuster la position des aubes directrices 64 sur la base de la température mesurée du gaz traversant la turbine 16. Par exemple, si la température du gaz est supérieure à la valeur voulue, le dispositif de commande 56 peut ouvrir les aubes directrices d'entrée 64 afin d'augmenter le débit de gaz traversant le compresseur primaire 20, ce qui réduit la température du flux de gaz fourni à la turbine 16. De plus, le dispositif de commande 56 est connecté pour communiquer avec une vanne 66 configurée pour réguler le débit de carburant 24 fourni à la chambre de combustion 14. Dans certains modes de réalisation, le dispositif de commande 56 est configuré pour réguler le débit traversant la vanne 66 sur la base de la puissance de sortie du système à cycle énergétique semi-fermé 12. Par exemple, si la puissance de sortie est inférieure à la valeur voulue, le dispositif de commande 56 peut ouvrir la vanne 66, ce qui augmente le débit de carburant fourni à la chambre de combustion 14 et augmente la puissance de sortie. Selon une autre possibilité, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour réguler le débit traversant la vanne 66 sur la base de la concentration en oxygène mesurée dans le gaz d'échappement 35 extrait. Par exemple, si la concentration en oxygène est supérieure à la valeur voulue, le dispositif de commande 56 peut augmenter le débit de carburant fourni à la chambre de combustion 14, rapprochant ainsi le rapport de mélange air-carburant du rapport stoechiométrique. En outre, le dispositif de commande 56 est connecté pour communiquer avec une vanne 68 configurée pour réguler la fraction de gaz d'échappement 35 extraite du compresseur primaire 20. Dans certains modes de réalisation, le dispositif de commande 56 est configuré pour réguler le flux traversant la vanne 68 sur la base du bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi- fermé 12. Par exemple, si la pression du gaz d'échappement 35 extrait est supérieure à la valeur voulue, le dispositif de commande 56 peut ouvrir la vanne 68 afin d'extraire une plus grande quantité de gaz d'échappement 35 du compresseur primaire 20. En résultat, la pression de sortie du compresseur primaire 20 sera réduite, ce qui maintiendra une pression de fonctionnement voulue dans le compresseur primaire 20. Selon une autre possibilité, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour réguler le débit traversant la vanne 68 sur la base de la puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé 12. Par exemple, si la puissance de sortie est supérieure à la valeur voulue, le dispositif de commande 56 peut ouvrir la vanne 68, ce qui réduit le débit traversant la turbine 16. En raison de l'accouplement entre la turbine 16 et la charge 28, réduire le débit traversant la turbine 16 réduira la puissance fournie à la charge 28.
La figure 2 est un schéma d'une variante de réalisation d'un système à cycle énergétique semi-fermé 12. Dans le mode de réalisation illustré, le système à cycle énergétique semi-fermé 12 comprend un moteur 70 configuré pour entraîner le compresseur d'alimentation 22 par l'intermédiaire d'un arbre 72. Le compresseur d'alimentation 22 n'est donc pas directement couplé à la turbine 16, comme l'était le compresseur d'alimentation 22 du système à cycle énergétique semi-fermé 12 décrit plus haut à propos de la figure 1. Le moteur 70 peut être n'importe quel dispositif approprié capable d'entraîner le compresseur d'alimentation 22. Par exemple, le moteur 70 peut être un moteur à combustion interne, un moteur électrique, une turbine à vapeur ou une turbine à gaz, parmi d'autres configurations de moteur. Dans le présent mode de réalisation, le dispositif de commande 56 est connecté pour communiquer avec le moteur 70 et configuré pour faire varier le débit d'air traversant le compresseur d'alimentation 22 par ajustement de la puissance de sortie du moteur 70. Par exemple, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour ajuster la puissance de sortie du moteur 70 sur la base de la concentration en oxygène mesurée dans le gaz d'échappement 35 extrait. Par exemple, si la concentration en oxygène est supérieure à la valeur voulue, le dispositif de commande 56 peut réduire la puissance fournie au compresseur d'alimentation 22 afin de réduire le débit d'air fourni à la chambre de combustion 14. Selon une autre possibilité, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour ajuster la puissance de sortie du moteur 70 sur la base du bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé 12. Par exemple, si la pression du gaz d'échappement 35 extrait est supérieure à la valeur voulue, le dispositif de commande 56 peut réduire la puissance fournie au compresseur d'alimentation 22 afin de réduire le débit d'air fourni à la chambre de combustion 14. Dans d'autres modes de réalisation, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour ajuster la puissance de sortie du moteur 70 sur la base du rapport de mélange air-carburant dans la chambre de combustion 14. Par exemple, si la quantité d'air comprimé 25 provenant du compresseur d'alimentation 22 est supérieure à la quantité suffisante pour une combustion complète du carburant 24, le dispositif de commande 56 réduira la puissance fournie au compresseur d'alimentation 22 afin de réduire le débit d'air fourni à la chambre de combustion 14. Bien que le dispositif de commande 56 soit configuré pour réguler le débit d'air fourni à la chambre de combustion 14 par modification de la puissance fournie au compresseur d'alimentation 22 dans le mode de réalisation illustré, on notera que des variantes de réalisation peuvent comprendre des caractéristiques supplémentaires configurées pour réguler le débit d'air. Par exemple, dans certains modes de réalisation, le moteur 70 peut être configuré pour entraîner le compresseur d'alimentation 22 à une vitesse constante. Dans ces modes de réalisation, le compresseur d'alimentation 22 peut comprendre des aubes directrices d'entrée, telles que celles décrites plus haut à propos de la figure 1, pour réguler le débit d'air traversant le compresseur d'alimentation 22. Dans d'autres modes de réalisation, la puissance de sortie du moteur 70 peut être réglable et le compresseur d'alimentation 22 peut comprendre des aubes directrices d'entrée. Dans ces modes de réalisation, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour réguler le débit d'air fourni à la chambre de combustion 14 par ajustement de la puissance de sortie du moteur 70 et de la position des aubes directrices d'entrée. La figure 3 est un organigramme d'un exemple d'un procédé 74 de commande d'un système à cycle énergétique semi-fermé 12.
En premier lieu, comme représenté par un bloc 76, au moins un signal indicatif d'un paramètre de fonctionnement du système à cycle énergétique semi-fermé 12 est reçu. Comme représenté, les signaux peuvent comprendre un premier signal indicatif d'une concentration en oxygène dans le flux de gaz 34 sortant du compresseur primaire 20, comme représenté par un bloc 78; un deuxième signal indicatif d'une puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé 12, comme représenté par un bloc 80; un troisième signal indicatif d'une température du flux de gaz 30 sortant de la turbine 16, comme représenté par un bloc 82; et un quatrième signal indicatif d'un bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé 12, comme représenté par un bloc 84. Par exemple, le dispositif de commande 56 peut recevoir le signal indicatif de la concentration en oxygène dans le flux de gaz 34 sortant du compresseur primaire 20 et le signal indicatif du bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semifermé 12 obtenu par l'intermédiaire du capteur 58. De plus, le dispositif de commande 56 peut recevoir le signal provenant de la charge 28 indicatif de la puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé 12, et le signal provenant du capteur de température 60 indicatif de la température du flux de gaz 30. Ensuite, comme représenté par un bloc 86, au moins un paramètre de fonctionnement du système à cycle énergétique semifermé 12 est ajusté sur la base d'au moins un des signaux. Comme représenté, les paramètres de fonctionnement comprennent un débit de gaz traversant le compresseur primaire 20, comme représenté par un bloc 88; un débit de carburant fourni à la chambre de combustion 14, comme représenté par un bloc 90; une fraction du débit de gaz extraite du compresseur primaire 20, comme représenté par un bloc 92; et/ou un débit d'air traversant le compresseur d'alimentation 22, comme représenté par un bloc 94. Par exemple, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour auster la position des aubes directrices 62 du compresseur d'alimentation 22 sur la base de la concentration en oxygène mesurée dans le gaz d'échappement 35 extrait. De plus, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour ajuster la position des aubes directrices 64 du compresseur primaire 20 sur la base de la température mesurée du gaz traversant la turbine 16. En outre, le dispositif de commande 56 peut être configuré pour réguler le débit traversant la vanne de carburant 66 sur la base de la puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé 12. Le dispositif de commande 56 peut également être configuré pour réguler le débit traversant la vanne d'échappement 68 sur la base du bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé 12. De cette manière, le dispositif de commande 56 peut faire fonctionner efficacement le système à cycle énergétique semi-fermé 12, tout en fournissant un flux de gaz d'échappement 35 ayant une teneur en oxygène sensiblement inférieure à celle de turbines à gaz configurées pour fonctionner avec un rapport de mélange pauvre en carburant. En résultat, le gaz d'échappement 35 produit par le système à cycle énergétique semi-fermé 12 peut être bien adapté à des opérations de récupération secondaire et/ou de capture de carbone. L'invention permet de faire fonctionner efficacement un système à cycle énergétique semi-fermé par réglage de divers débits de fluide dans le système à cycle énergétique semi-fermé. Par exemple, certains systèmes à cycle énergétique semi-fermé comprennent un dispositif de commande configuré pour recevoir un premier signal indicatif d'une concentration en oxygène dans le flux de gaz sortant du compresseur primaire, et pour ajuster le débit d'air fourni à la chambre de combustion sur la base du premier signal.
Dans d'autres modes de réalisation, le dispositif de commande est configuré pour recevoir un deuxième signal indicatif d'une puissance délivrée par la turbine, un troisième signal indicatif d'une température du flux de gaz traversant la turbine et un quatrième signal indicatif d'un bilan de débit massique dans le système. Le dispositif de commande est également configuré pour ajuster le débit d'air fourni à la chambre de combustion, pour ajuster le débit d'air fourni au compresseur primaire, pour ajuster un débit de carburant fourni à la chambre de combustion et pour ajuster la fraction du débit de gaz extraite du compresseur primaire sur la base du premier signal, du deuxième signal, du troisième signal et du quatrième signal.
Liste de composants 10 Système de production d'énergie 12 Système à cycle énergétique semi-fermé 14 Chambre de combustion 16 Turbine 18 Arbre 20 Compresseur 22 Compresseur d'alimentation 24 Carburant 25 Air comprimé 26 Gaz chauds sous pression 27 Air 28 Charge 30 Gaz 32 Générateur de vapeur à récupération de chaleur 33 Gaz refroidi 34 Gaz comprimé 35 Gaz d'échappement 36 Vapeur à haute pression 37 Eau 38 Turbine à vapeur 40 Charge 42 Vapeur à basse pression 44 Condenseur 46 Eau de refroidissement 22 48 Eau 50 Eau chaude 52 Tour de refroidissement 54 Système de commande 56 Dispositif de commande 58 Capteur 60 Capteur de température 62 Aubes directrices d'entrée 64 Aubes directrices d'entrée 66 Vanne 68 Vanne 70 Moteur 72 Arbre 74 Organigramme de procédé 76 Voir organigramme 78 Voir organigramme 80 Voir organigramme 82 Voir organigramme 84 Voir organigramme 86 Voir organigramme 88 Voir organigramme 90 Voir organigramme 92 Voir organigramme 94 Voir organigramme
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Système (10) comprenant : un dispositif de commande (56) configuré pour commander un système à cycle énergétique semi-fermé (12), dans lequel le dispositif de commande (56) est configuré pour recevoir au moins un signal parmi un premier signal indicatif d'une concentration en oxygène dans un premier flux de gaz (33, 34) traversant un compresseur primaire (20), un deuxième signal indicatif d'une puissance délivrée par le système à cycle énergétique semi-fermé (12), un troisième signal indicatif d'une température d'un deuxième flux de gaz (26, 30) traversant une turbine (16) et un quatrième signal indicatif d'un bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé (12), et dans lequel le dispositif de commande (56) est également configuré pour ajuster au moins un paramètre parmi le premier débit de gaz (33, 34) traversant le compresseur primaire (20), un débit de carburant fourni à une chambre de combustion (14), une fraction du premier débit de gaz (33, 34) extraite du compresseur primaire (20) et un débit d'air (25) traversant un compresseur d'alimentation (22) sur la base de l'au moins un signal parmi le premier signal, le deuxième signal, le troisième signal et le quatrième signal.
- 2. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de commande (56) est configuré pour recevoir le premier signal, le deuxième signal, le troisième signal et le quatrième signal, et pour ajuster le premier débit de gaz (33, 34) traversant le compresseur primaire (20), le débit de carburant fourni à la chambre de combustion (14), la fraction du premier débit de gaz (33, 34) extraite du compresseur primaire (20) et le débit d'air (25) traversant le compresseur d'alimentation (22) sur la base du premier signal, du deuxième signal, du troisième signal et du quatrième signal.
- 3. Système (10) selon la revendication 2, dans lequel le dispositif de commande (56) est configuré pour ajuster le premier débit de gaz (33, 34) traversant le compresseur primaire (20) sur la base du troisième signal, pour ajuster le débit de carburant fourni à la chambre de combustion (14) sur la base du deuxième signal, pour ajuster la fraction du premier débit de gaz (33, 34) extraite du compresseur primaire (20) sur la base du quatrième signal, et pour ajuster le débit d'air (25) traversant le compresseur d'alimentation (22) sur la base du premier signal.
- 4. Système (10) selon la revendication 2, dans lequel le dispositif de commande (56) est configuré pour ajuster le premier débit de gaz (33, 34) traversant le compresseur primaire (20) sur la base du troisième signal, pour ajuster le débit de carburant fourni à la chambre de combustion (14) sur la base du premier signal, pour ajuster la fraction du premier débit de gaz (33, 34) extraite du compresseur primaire (20) sur la base du deuxième signal, et pour ajuster le débit d'air (25) traversant le compresseur d'alimentation (22) sur la base du quatrième signal.
- 5. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel le quatrième signal indicatif du bilan de débit massique dans le système à cycle énergétique semi-fermé (12) comprend un signal indicatif d'une pression de sortie du compresseur primaire (20)
- 6. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de commande (56) est configuré pour recevoir le premier signal, et pour ajuster le débit d'air (25) traversant le compresseur d'alimentation (22) sur la base du premier signal.
- 7. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de commande (56) est configuré pour ajuster le premier débit de gaz (33, 34) traversant le compresseur primaire (20) par ajustement d'une position d'aubes directrices d'entrée (64) du compresseur primaire (20).
- 8. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de commande (56) est configuré pour ajuster le débit d'air (25) traversant le compresseur d'alimentation (22) par ajustement d'une position d'aubes directrices d'entrée (62) du compresseur d'alimentation (22).
- 9. Système (10) selon la revendication 1, comprenant : la chambre de combustion (14) configurée pour brûler un mélange air-carburant; le compresseur d'alimentation (22) en communication fluidique avec la chambre de combustion (14) et configuré pour fournir le flux d'air (25) à la chambre de combustion (14); la turbine (16) en communication fluidique avec la chambre de combustion (14) et configurée pour recevoir un deuxième flux de gaz (26, 30) provenant de la chambre de combustion (14); et le compresseur primaire (20) en communication fluidique avec la turbine (16) et configuré pour comprimer le premier flux de gaz (33, 34).
- 10. Système (10) selon la revendication 1, comprenant un générateur de vapeur à récupération de chaleur (32) configuré pour extraire de la chaleur du deuxième flux de gaz (26, 30) et pour fournir le premier flux de gaz (33, 34) au compresseur primaire (20).
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