FR2966510A1 - Systeme a cycle combine a gazeification integree avec une turbine a gaz refroidie a l'azote - Google Patents

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Abstract

La présente invention propose un système à cycle combiné à gazéification intégrée (350). Le système à cycle combiné à gazéification intégrée (350) peut inclure une source d'azote (360), une chambre de combustion (130), et une turbine (160). Un flux d'azote (370) venant de la source d'azote (360) passe à travers et refroidit la turbine (160) et s'écoule ensuite dans la chambre de combustion (130).

Description

B11-4548FR 1 Système à cycle combiné à gazéification intégrée avec une turbine à gaz refroidie à l'azote La présente invention concerne de manière générale les moteurs à turbine à gaz et plus précisément concerne un moteur à turbine à gaz avec un refroidissement à l'azote en circuit fermé ainsi qu'un contrôle des émissions. Des systèmes de génération d'énergie à cycle combiné à gazéification intégrée ("CCGI") peuvent inclure un système de gazéification qui est intégré avec au moins un système de turbine de production d'énergie. Par exemple, des gazéificateurs connus peuvent convertir un mélange d'un combustible comme du charbon avec de l'air ou de l'oxygène, de la vapeur, et d'autres additifs en une sortie d'un gaz dont la combustion est partielle, habituellement appelé "syngaz". Ces gaz de combustion chauds peuvent être alimentés vers une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. Le moteur à turbine à gaz, à son tour, alimente en énergie un générateur pour la production de courant électrique ou pour entraîner un autre type de charge. L'échappement du moteur à turbine à gaz peut alimenter un générateur de vapeur à récupération de chaleur de façon à générer de la vapeur pour une turbine à vapeur. L'énergie générée par la turbine à vapeur peut aussi entraîner un générateur électrique ou un autre type de charge. Des types similaires de systèmes de génération d'énergie peuvent aussi être connus. Les procédés de gazéification connus peuvent aussi générer 30 des flux d'azote. Par exemple, une unité de séparation d'air peut être utilisée pour générer une alimentation d'oxygène pour le gazéificateur. L'unité de séparation d'air peut générer de l'oxygène en séparant l'oxygène de l'azote dans une alimentation en air. Une partie de l'azote peut être utilisée pour contrôler des émissions générées par le moteur à turbine à gaz ou pour augmenter la puissance de la turbine. Par exemple, de l'azote peut être injecté dans la zone de combustion du moteur à turbine à gaz pour réduire les températures de combustion et pour réduire les émissions d'oxydes d'azote ("NOx"). La section de turbine du moteur à turbine à gaz est refroidie pour maintenir les températures des composants dans des limites matérielles autorisées. Le refroidissement, qui est le fait de l'air extrait de la section de compresseur, pénalise la puissance du moteur et le rendement thermique. I1 y a donc un besoin pour un système de génération d'énergie à cycle combiné à gazéification intégrée utilisant de préférence tout ou presque tout l'azote qu'il génère pour des besoins de productivité tout en augmentant la puissance globale du système et son rendement thermique. La présente invention propose donc un système à cycle combiné à gazéification intégrée pouvant inclure une source d'azote, une chambre de combustion, et une turbine. Un flux d'azote venant de la source d'azote passe à travers et refroidit la turbine et s'écoule ensuite dans la chambre de combustion. La présente invention propose en outre un procédé d'utilisation d'un système à cycle combiné à gazéification intégrée. Le procédé peut inclure de générer un flux d'azote, de faire s'écouler le flux d'azote à travers une turbine à gaz, de chauffer le flux d'azote quand il s'écoule à travers la turbine à gaz, d'injecter une partie du flux d'azote maintenant chauffé dans une chambre de combustion, et de réduire une température de fonctionnement de chambre de combustion. La présente invention propose en outre un système à cycle combiné à gazéification intégrée pouvant inclure une unité de séparation d'air pour générer un flux d'azote, un compresseur pour comprimer le flux d'azote, une chambre de combustion, et une turbine. Le flux d'azote comprimé passe à travers et refroidit la turbine et s'écoule ensuite dans la chambre de combustion. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques exemples non limitatifs de réalisation, prise en liaison avec les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz ; - la figure 2 est une vue schématique d'un certain nombre d'étages d'une turbine à gaz ; - la figure 3 est une vue schématique d'une partie d'un système à cycle combiné à gazéification intégrée avec une turbine à gaz refroidie à l'azote selon l'invention ; - la figure 4 est une variante de réalisation d'un système à cycle combiné à gazéification intégrée avec une turbine à gaz refroidie à l'azote ; - la figure 5 est une autre variante de réalisation d'un système à cycle combiné à gazéification intégrée avec une turbine à gaz refroidie à l'azote ; - et la figure 6 est encore une autre variante de réalisation d'un système à cycle combiné à gazéification intégrée avec une turbine à gaz refroidie à l'azote. En se référant maintenant aux dessins, dans lesquels des numéros identiques se référent à des éléments identiques sur tous les dessins, la figure 1 montre un moteur à turbine à gaz 100 selon l'invention. Le moteur à turbine à gaz 100 peut inclure un compresseur 110. Le compresseur 110 comprime un flux d'air 120 entrant. Le compresseur 110 délivre le flux d'air 120 comprimé vers une chambre de combustion 130. La chambre de combustion 130 mélange le flux d'air 120 comprimé avec un flux de combustible 140 comprimé et allume le mélange pour créer un flux de gaz de combustion 150. Bien qu'une seule chambre de combustion 130 soit montrée, le moteur à turbine à gaz 100 peut inclure n'importe quel nombre de chambres de combustion 130. Le flux des gaz de combustion 150 est à son tour délivré vers une turbine 160. Le flux des gaz de combustion 150 entraîne la turbine 160 de façon à produire un travail mécanique en faisant tourner un rotor de turbine 170. Le travail mécanique produit dans la turbine 160 entraîne le compresseur 110 et une charge extérieure comme un générateur électrique 180 et autre via le rotor de turbine 170. Le moteur à turbine à gaz 100 peut utiliser du gaz naturel, divers types de syngaz et d'autres types de combustible. Le moteur à turbine à gaz 100 peut être tout nombre de turbines différentes offertes par la General Electric Company à Schenectady, New York ou autre. Le moteur à turbine à gaz 100 peut avoir d'autres configurations et peut utiliser d'autres types de composants. D'autres types de moteurs à turbine à gaz peuvent aussi être utilisés ici. Des moteurs à turbines à gaz multiples 100, d'autres types de turbines, et d'autres types d'équipement de génération électrique peuvent être utilisés ici ensemble. La figure 2 montre un certain nombre d'étages 190 de la turbine 160. Un premier étage 200 peut inclure un certain nombre de tuyères 210 et d'aubes 220 de premier étage espacées circonférentiellement De même, un second étage 230 peut inclure un certain nombre de tuyères 240 et d'aubes 250 de second étage espacées circonférentiellement. En outre un troisième étage 260, peut inclure un certain nombre de tuyères 270 et d'aubes 280 de troisième étage espacées circonférentiellement. Les étages 200, 230, 260 peuvent être positionnés dans un chemin de gaz chaud 290 traversant la turbine 160. Tout nombre d'étages 190 peut être utilisé ici. Une ou plus des aubes 220, 250, 280 peut avoir sur elle une couronne de tête. D'autres types de configurations de turbine peuvent aussi être utilisés ici. Les composants tournants, c'est à dire, les aubes 220, 250, 280, et les composants fixes, c'est à dire, les tuyères 210, 240, 270, peuvent avoir un ou plusieurs circuits de refroidissement 310 s'étendant à travers elles. Dans cet exemple, le circuit de refroidissement 310 peut être un circuit fermé. Un agent réfrigérant peut y passer de façon à refroidir les composants de la turbine 160 dans le chemin de gaz chaud 290. D'autres types de configurations de refroidissement peuvent être utilisés ici. La figure 3 montre des parties d'un système à cycle combiné à gazéification intégrée 350 selon l'invention. Le Système CCGI 350 peut inclure le moteur à turbine à gaz 100 et les composants de celui-ci comme décrit ci-dessus et aussi dans des configurations similaires. Le Système CCGI 350 peut aussi inclure une unité de séparation d'air 360. Comme décrit ci-dessus, l'unité de séparation d'air 360 peut être en communication avec un gazéificateur (non montré) et autres. L'unité de séparation d'air 360 peut produire un flux d'oxygène ainsi qu'un flux d'azote 370. D'autres sources d'azote et/ou d'autres gaz peuvent aussi être utilisées ici. Dans cet exemple, l'unité de séparation d'air 360 peut être en communication avec la turbine 160 du moteur à turbine à gaz 100 via un ou plus compresseurs d'azote 380. Les compresseurs d'azote 380 peuvent être d'une conception conventionnelle. Les compresseurs d'azote 380 compriment le flux d'azote 370 à une pression suffisante, c'est à dire, une pression suffisante pour répondre aux exigences d'injection de diluant du compresseur plus toutes les pertes dues à la tuyauterie, à l'équipement, à la circuiterie de réfrigérant de composant de turbine, et autres. Une soupape de commande de pression 390 peut aussi être utilisée. La soupape de commande de pression 390 protège contre les surpressions via, par exemple, un ballon de réduction de contraintes et d'autres techniques.
Le flux d'azote 370 peut être dirigé vers le circuit de refroidissement 310. Le flux d'azote 370 peut être divisé en un flux de refroidissement de composant fixe 400 pour refroidir les composants fixes qui sont dedans et un flux de refroidissement de composant tournant 410 pour refroidir les composants tournants qui sont dedans. Les flux de refroidissement 400, 410 peuvent ensuite se réunir en aval de la turbine 160. Au niveau d'une soupape à trois voies 420 ou d'un type similaire de dispositif d'écoulement, le flux d'azote 370 peut encore être séparé, cette fois en un flux de chambre de combustion 430 et un flux de retour 440. Le flux de chambre de combustion 430 peut être délivré à la chambre de combustion 130 comme une injection de diluant pour les émissions de NOX et/ou une augmentation de la puissance de la turbine à gaz. Le flux de retour 440 peut être refroidi dans un refroidisseur d'azote 450 via l'eau d'alimentation de la chaudière ou une autre source de flux à une température convenable pour la compression via les compresseurs 380. Le flux de retour 440 peut ensuite être remis en circulation dans le circuit de refroidissement 310 ou utilisé pour d'autres besoins. Le refroidisseur d'azote 450 peut être tout type d'échangeur de chaleur et autres. D'autres configurations peuvent être utilisées ici. D'autres types de flux peuvent aussi être utilisés ici. La figure 4 montre une variante de mode de réalisation de parties d'un système à cycle combiné à gazéification intégrée 460.
Le système CCGI 460 peut être similaire au système CCGI 350 décrit ci-dessus et avec l'addition d'un chauffeur de combustible 470. Le chauffeur de combustible 470 peut être en communication avec le flux de chambre de combustion 430 en aval de la turbine 160 et du flux de combustible 140. Le flux de chambre de combustion 430 peut être refroidi à une température maximale autorisée basée sur les exigences de la conception du système de combustion par échange de chaleur avec le flux de combustible 140 entrant soit directement ou via une boucle d'échange de chaleur intermédiaire. En variante, le flux de chambre de combustion 430 peut aussi échanger de la chaleur avec de l'eau d'alimentation de chaudière ou un autre type de source de refroidissement convenable. D'autres configurations peuvent être utilisées ici. La figure 5 montre une variante de mode de réalisation d'un système à cycle combiné à gazéification intégrée 480. Le système CCGI 480 peut être similaire au système CCGI 350 décrit ci-dessus. Dans cet exemple, le flux de retour 440 en aval de l'échangeur de chaleur 450 peut inclure un flux de mélange 490. Le flux de chambre de combustion 430 chaud peut être mélangé avec le flux de mélange 490 refroidi à une température maximale autorisée avant d'être injecté dans la chambre de combustion 130. Une soupape de commande de température 500 peut aussi être utilisée ici. D'autres configurations peuvent être utilisées ici. En utilisation, les CCGI 350, 460, 480 décrits ici utilisent le flux d'azote 370 pour le refroidissement du chemin de gaz chaud et l'injection de diluant de combustion dans un agencement séquentiel de façon à fournir des améliorations opérationnelles significatives à la fois de la puissance et du rendement thermique. Précisément, les CCGI 350, 460, 480 peuvent réduire la quantité totale d'air de refroidissement de composants de turbine extrait du compresseur 110, peuvent transférer un haut niveau d'énergie du refroidissement de chemin de gaz chaud directement au système de combustion, et peuvent permettre l'optimisation des flux de refroidissement de turbine et des températures d'allumage en fonction du flux et de la température de refroidissement d'azote. Les CCGI 350, 460, 480 peuvent aussi utiliser les refroidisseurs d'azote 450 pour chauffer l'eau d'alimentation de la chaudière ou une autre source pour produire de la vapeur pour l'importer dans le cycle de combiné de façon à augmenter le rendement de la turbine à vapeur. Les CCGI 350, 460, 480 utilisent donc tout ou la plupart du flux d'azote 370 produit via l'unité de séparation d'air 360 ou autrement et/ou remet en circulation le flux pour une autre utilisation. La température la plus basse du flux d'azote alimenté vers la turbine 160, en comparaison d'un flux d'extraction de compresseur conventionnel, permet une réduction du flux de refroidissement requis de façon à permettre l'optimisation des passages de refroidissement de composant et du rendement global de la turbine à gaz. La récupération de chaleur du schéma de refroidissement de composant à la chambre de combustion 130 via le flux de chambre de combustion 430 peut alors réduire le flux de combustible 140 global et donc améliorer le rendement thermique global de l'équipement. La température la plus basse du flux d'azote 370 peut aussi provoquer une réduction du flux de refroidissement total requis ici. La figure 6 montre une autre variante de mode de réalisation d'un système à cycle combiné à gazéification intégrée 510. Le Système CCGI 510 peut être similaire au système CCGI 350 décrit ci-dessus. Dans cet exemple, le flux d'azote 370, après être passé à travers les passages de refroidissement de turbine 400, 410, se mélange avec un flux d'azote additionnel 520 venant des compresseurs d'azote 380. Un flux d'azote mélangé 530 peut ensuite être délivré à la chambre de combustion 130. Une soupape de mélange 540 peut être utilisée pour commander la séparation de flux entre les deux courants d'azote se mélangeant 370, 520. D'autres configurations peuvent bien entendu être utilisées sans sortir du cadre de l'invention.
Système à cycle combiné à gazéification intégrée avec une turbine à gaz refroidie à l'azote
100 moteur à turbine à gaz 110 compresseur 120 flux d'air 130 chambre de combustion 140 flux de combustible 150 flux de gaz de combustion 160 turbine 170 rotor 180 générateur 190 étages de turbine 200 premier étage 210 tuyère de premier étage 220 aube de premier étage 230 second étage 240 tuyère de second étage 250 aube de second étage 260 troisième étage 270 tuyère de troisième étage 280 aube de troisième étage 290 chemin de gaz chaud 300 couronne de tête 350 système à cycle combiné à gazéification intégrée 360 unité de séparation d'air 370 flux d'azote 380 compresseur d'azote 390 soupape de commande de pression 400 flux de refroidissement de composant fixe 410 flux de refroidissement de composant tournant 420 soupape à trois voies 430 flux de chambre de combustion 440 flux de retour 450 refroidisseur d'azote 460 système à cycle combiné à gazéification intégrée 470 chauffeur de combustible 480 système à cycle combiné à gazéification intégrée 490 flux de mélange 500 soupape de commande de température 510 système à cycle combiné à gazéification intégrée 520 flux d'azote additionnel 530 flux d'azote mélangé 540 soupape de mélange

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Système à cycle combiné à gazéification intégrée (350), comprenant : une source d'azote (360) ; une chambre de combustion (130) ; et une turbine (160) ; dans lequel un flux d'azote (370) venant de la source d'azote (360) passe à travers et refroidit la turbine (160) et ensuite s'écoule dans la chambre de combustion (130).
  2. 2. Système à cycle combiné à gazéification intégrée (350) selon la revendication 1, dans lequel la source d'azote (360) comprend une unité de séparation d'air (360).
  3. 3. Système à cycle combiné à gazéification intégrée (350) selon la revendication 1, comprenant en outre un ou plusieurs compresseurs d'azote (380) positionnés en aval de la source d'azote (360).
  4. 4. Système à cycle combiné à gazéification intégrée (350) selon la revendication 1, dans lequel le flux d'azote (370) comprend un flux de refroidissement de composant fixe (400) et un flux de refroidissement de composant tournant (410).
  5. 5. Système à cycle combiné à gazéification intégrée (350) selon la revendication 1, dans lequel le flux d'azote (170) comprend un flux de chambre de combustion (430) en aval de la turbine (160).
  6. 6. Système à cycle combiné à gazéification intégrée (350) selon la revendication 5, dans lequel le flux d'azote (170) comprend en outre un flux de retour (440) en aval de la turbine (160).
  7. 7. Système à cycle combiné à gazéification intégrée (350) selon la revendication 6, comprenant en outre un refroidisseur d'azote (450) positionné en aval de la turbine (160) et en communication avec le flux de retour (440).
  8. 8. Système à cycle combiné à gazéification intégrée (350) selon la revendication 7, dans lequel le flux de retour (440) comprend un flux de mélange (490) et dans lequel le flux de mélange (490) est mélangé avec le flux de chambre de combustion (430) en amont de la chambre de combustion (130).
  9. 9. Système à cycle combiné à gazéification intégrée (350) selon la revendication 5, comprenant en outre un chauffeur de combustible (470) positionné en amont de la chambre de combustion (130) et en communication avec le flux de chambre de combustion (430) pour chauffer un flux de combustible (140) passant dedans.
  10. 10. Procédé d'utilisation d'un système à cycle combiné à gazéification intégrée (350), comprenant les étapes suivantes : générer un flux d'azote (370) ; faire s'écouler le flux d'azote (370) à travers une turbine (160) à gaz ; chauffer le flux d'azote (370) quand il s'écoule à travers la turbine à gaz (160) ; injecter une partie (430) du flux d'azote maintenant chauffé (370) dans une chambre de combustion (130) ; et réduire une température de fonctionnement de la chambre de combustion.
  11. 11. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre l'étape consistant à chauffer un flux de fluide avec un reste (440) du flux d'azote (370) maintenant chauffé.
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre l'étape consistant à mélanger la partie (430) du flux d'azote (370) maintenant chauffé avec une partie (490) du reste (440) du flux d'azote (370) maintenant chauffé.
  13. 13. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre l'étape consistant à chauffer un flux de combustible (140) avec un reste (440) du flux d'azote (370) maintenant chauffé.
  14. 14. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre 5 l'étape consistant à refaire circuler un reste (440) du flux d'azote (370) maintenant chauffé vers la turbine (160).
  15. 15. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre l'étape consistant à comprimer le flux d'azote (170).
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