FR2967212A1 - Centrale thermique integree a turbomachine et production d’oxygene - Google Patents

Centrale thermique integree a turbomachine et production d’oxygene Download PDF

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Abstract

Centrale thermique intégrée à turbomachine avec séparation d'oxygène, comprenant une turbomachine (16) et une installation de séparation d'air (36). Un ou plusieurs passages (34) de compresseur font circuler de l'air comprimé (32) depuis un compresseur (22), via une chambre de combustion (28) et/ou une turbine de détente (24) afin de refroidir la chambre de combustion (28) et/ou la turbine. Une unité de séparation d'air (36) coopère avec le/les passages (34) de compresseur et est conçue pour séparer l'air comprimé (32) en oxygène (40) et en air appauvri en oxygène (42). Un procédé de séparation d'air dans une centrale thermique intégrée à turbomachine comprend la compression d'un flux d'air (26) dans un compresseur (22) d'une turbomachine (16). Le flux d'air comprimé (32) est amené à passer par une chambre de combustion (28) et/ou une turbine de détente (24) de la turbomachine (16) afin de refroidir la chambre de combustion (28) et/ou la turbine. Le flux d'air comprimé (32) est acheminé jusqu'à une unité de séparation d'air (36) et est séparé en oxygène (40) et en air appauvri en oxygène (42).

Description

B11-3571FR 1 Centrale thermique intégrée à turbomachine et production d'oxygène Le sujet décrit ici porte globalement sur les centrales thermiques à gazéification. Plus particulièrement, la présente invention porte sur des installations de séparation d'air destinées à servir à produire de l'énergie. Les centrales à gazéification classiques utilisent de l'oxygène pour convertir une matière première, par exemple du charbon, en un gaz combustible destiné à une combustion dans une turbine à gaz pour produire de l'électricité à l'aide d'un générateur couplé à celle-ci. Dans une centrale à gazéification intégrée, l'air duquel est séparé l'oxygène est fourni depuis le compresseur de la turbine à gaz, ce qui améliore le rendement de la centrale et réduit son coût. L'air est comprimé dans le compresseur de la turbine à gaz et l'oxygène est produit à partir de l'air comprimé en séparant l'oxygène d'autres constituants de l'air comprimé, dans une installation de séparation d'air. Un premier type d'installation de séparation d'air couramment employé consiste en une installation de séparation d'air à membrane. Dans une installation à séparation à membrane, la séparation de l'air s'effectue à des températures supérieures à environ 760°C (1400°F), ordinairement comprises entre environ 760°C (1400°F) et environ 870°C (1600°F).
Cependant, l'air comprimé issu du compresseur d'une turbine à gaz est disponible à une température d'environ 320°C (600°F) à environ 540°C (1000°F). Ainsi, l'air comprimé est chauffé par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur ou d'un réchauffeur de carburant pour porter la température à la valeur nécessaire comprise entre 760°C (1400°F) et 870°C (1600°F) en vue de son utilisation dans l'installation de séparation d'air. L'utilisation de cet échangeur de chaleur implique un surcoût et nécessite davantage de combustible pour le fonctionnement.
Selon un premier aspect de l'invention, une centrale thermique intégrée à turbomachine avec séparation d'oxygène comprend une chambre de combustion. Une turbomachine, coopérant avec la chambre de combustion, comprend un compresseur et une turbine de détente. Un ou plusieurs passages de compresseur permettent de faire circuler de l'air comprimé depuis le compresseur via la chambre de combustion et/ou la turbine pour refroidir la chambre de combustion et/ou la turbine. Une unité de séparation d'air coopère avec le/les passages de compresseur et est conçue pour séparer l'air comprimé en oxygène et en air appauvri en oxygène. Selon un autre aspect de l'invention, un procédé de séparation d'air dans une centrale intégrée à turbomachine avec séparation d'oxygène comprend une circulation d'air dans un compresseur d'une turbomachine et une circulation du flux d'air comprimé via une chambre de combustion et/ou une turbine de détente de la turbomachine afin de refroidir la chambre de combustion et/ou la turbine. Le flux d'air comprimé est porté à une température de fonctionnement d'une unité de séparation d'air grâce à la circulation dans la chambre de combustion et/ou la turbine. Le flux d'air comprimé est amené à circuler jusqu'à l'unité de séparation d'air où il est séparé en oxygène et en air appauvri en oxygène. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par la figure 1 annexée qui est une vue schématique d'un système de séparation d'air pour installation intégrée de séparation d'oxygène pour turbomachine. Sur la figure est représentée schématiquement une centrale thermique intégrée 10 à turbomachine avec séparation d'oxygène. La centrale 10 peut comprendre un gazéificateur 12, lequel produit un gaz combustible 14 à partir d'une matière première telle que, par exemple, du charbon. Le gaz combustible 14 est fourni à une chambre de combustion 28 coopérant avec une turbomachine 16, par exemple une turbine à gaz. La chambre de combustion 28 brûle le gaz combustible 14 et génère des produits de combustion 30 qui entraînent un arbre 18 de turbomachine de la turbomachine 16 couplée, par exemple, à un générateur 20 pour produire de l'électricité. La turbomachine 16 comprend un compresseur 22 situé le long de l'arbre 18 et coopérant avec une turbine de détente 24. Un flux d'air 26 est introduit dans le compresseur 22, comprimé et délivré à une chambre de combustion 28 pour être brûlé avec le gaz combustible 14. Les produits de combustion 30 sont acheminés jusqu'à la turbine 24 pour entraîner l'arbre 18. La centrale 10 comprend un système de séparation d'air qui sépare de l'oxygène d'autres constituants de l'air. Une partie d'un flux d'air comprimé 32 est détournée du compresseur 22 à une température de sortie du compresseur, ordinairement d'environ 320 à 540°C (600 à 1000°F). Le flux d'air comprimé 32 est acheminé jusqu'à la turbine 24 et/ou jusqu'à la chambre de combustion 28 via un ou plusieurs passages 34 de flux d'air comprimé pour assurer un refroidissement de composants de la turbine ou de la chambre de combustion, lesquels fonctionnent à une température très supérieure à l'intervalle de 320 à 540°C (600 à 1000°F), et nécessitent en outre un tel refroidissement de composants pour garantir leur durée de vie. Le flux d'air comprimé 32, après avoir été acheminé via la chambre de combustion 28 et/ou la turbine 24, qui se trouve alors à une température d'environ 760 à 870°C (1400 à 1600°F) dans certaines formes de réalisation, est acheminé jusqu'à une unité de séparation d'air 36 qui, dans certaines formes de réalisation, est une unité à membrane avec une température de fonctionnement de 760 à 870°C (1400 à 1600°F), ce qui convient bien pour le flux de sortie de la turbine de détente. Si, dans certains cas, le flux de sortie de la turbine de détente est à une température inférieure à l'intervalle de température de fonctionnement de l'unité de séparation d'air, il faut chauffer davantage le flux d'air comprimé 32. Le flux d'air comprimé 32 peut être amené à passer par un échangeur de chaleur 38 ou analogue afin de porter la température du flux d'air comprimé 32 à une valeur comprise dans l'intervalle de température de fonctionnement de l'unité de séparation d'air 36. L'utilisation de chaleur provenant de la chambre de combustion 28 et/ou de la turbine 24 pour porter une température du flux d'air comprimé 32 au niveau voulu, réduit ou supprime la nécessité d'échangeurs de chaleur et/ou de réchauffeurs supplémentaires tels que ceux utilisés dans les systèmes selon la technique antérieure.
Une fois que l'air comprimé 32 a rejoint l'unité de séparation d'air 36, celle-ci sépare le flux d'air comprimé 34 en un flux d'oxygène à basse pression à haute température 40 et un flux d'air appauvri en oxygène 42. Dans certaines formes de réalisation, l'air appauvri en oxygène 42 peut être ramené à la turbine via un ou plusieurs passages 44 d'air appauvri en oxygène pour faire tourner l'arbre 18, ce qui accroît le rendement de la turbomachine 16. En outre, dans certaines formes de réalisation, au moins une partie de l'air appauvri en oxygène 42 est acheminée depuis l'unité de séparation d'air 36 jusqu'à la chambre de combustion 28 et est introduite dans celle-ci via un ou plusieurs passages 46.
L'introduction de l'air appauvri en oxygène 42 dans la chambre de combustion 28 pour qu'il y soit brûlé avec le gaz combustible 14 accroît le rendement et la production de l'installation 10 et réduit les émissions, par exemple de NOX, en provenance de la chambre de combustion 28. Dans certaines formes de réalisation, avant d'être introduit dans la chambre de combustion 28, l'air appauvri en oxygène 42 est refroidi jusqu'à une température voulue d'entrée de la chambre de combustion 28. Dans certaines formes de réalisation, un compresseur auxiliaire 22A est relié au/aux passages 46 de la chambre de combustion. Le compresseur auxiliaire 22A sert à accroître le débit dans le/les passages 46 par introduction d'air supplémentaire à haute pression dans le courant d'air appauvri en oxygène 42 circulant vers la chambre de combustion 28 afin d'améliorer encore le rendement et la production d'énergie de la centrale 10. Le flux d'oxygène à haute température 40 peut être utilisé de nombreuses manières différentes. Par exemple, dans certaines formes de réalisation, l'oxygène à haute température 40 peut être introduit dans le gazéificateur 12 en plus de la matière première pour produire le gaz combustible 14. En fonction des besoins à l'entrée du gazéificateur 12, le flux d'oxygène à haute température 40 peut être modifié. Par exemple, le flux d'oxygène à haute température 40 peut être refroidi dans un échangeur de chaleur 48 afin d'abaisser sa température. En outre, si on souhaite un flux d'oxygène 40 à une plus haute pression, le flux d'oxygène 40 est introduit dans un compresseur 50 d'oxygène pour porter la pression à un niveau voulu. D'autres exemples de cette centrale 10 peuvent utiliser des combustibles classiques pour turbine à gaz tels que du gaz naturel ou du fuel et l'oxygène produit pourrait être exporté pour servir dans une installation industrielle.
Liste des repères 10 Centrale thermique 12 Gazéificateur 14 Gaz combustible 16 Turbomachine 18 Arbre de turbine 20 Générateur 22 Compresseur 22A Compresseur auxiliaire 24 Turbine de détente 26 Flux d'air 28 Chambre de combustion 30 Produits de combustion 32 Flux d'air comprimé 34 Passages 36 Installation de séparation 38 Echangeur de chaleur 40 Oxygène 42 Air appauvri en oxygène 44 Passages d'air appauvri en oxygène 46 Passages de chambre de combustion 48 Echangeur de chaleur 50 Compresseur d'oxygène

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Centrale thermique intégrée (10) à turbomachine et production d'oxygène, comprenant : une chambre de combustion (28) ; une turbomachine (16) coopérant avec la chambre de combustion (28), comprenant : un compresseur (22) ; et une turbine de détente (24) ; un ou plusieurs passages de compresseur pour faire circuler de l'air comprimé (32) depuis le compresseur (22) via la chambre de combustion (28) et/ou la turbine (24) afin de refroidir la chambre de combustion (28) et/ou la turbine (24) ; et une unité (36) de séparation d'air coopérant avec le/les passages de compresseur et conçue pour séparer l'air comprimé (32) en oxygène (40) et en air appauvri en oxygène (42).
  2. 2. Centrale (10) selon la revendication 1, comprenant en outre un ou plusieurs échangeurs de chaleur (38) disposés sur le/les passages (34) de compresseur pour accroître la température de l'air comprimé (32).
  3. 3. Centrale (10) selon la revendication 1, comprenant en outre un ou plusieurs passages (44) d'air appauvri en oxygène pour faire circuler l'air appauvri en oxygène (42) depuis l'unité de séparation d'air (36) jusqu'à la turbine (24) afin d'entraîner la turbine (24).
  4. 4. Centrale (10) selon la revendication 1, comprenant en outre un ou plusieurs passages (34) de chambre de combustion pour faire circuler l'air appauvri en oxygène (42) depuis l'unité de séparation d'air (36) jusqu'à la chambre de combustion (28) en vue d'une combustion dans celle-ci avec un gaz combustible.
  5. 5. Centrale (10) selon la revendication 4, comprenant en outre un échangeur de chaleur (38) disposé sur le/les passages (46) de la chambre de combustion afin de réduire la température de l'air appauvri en oxygène (42) qui passe par celui-ci.
  6. 6. Centrale (10) selon la revendication 4, comprenant en outre un compresseur auxiliaire (22A) couplé au/aux passages (34) de la chambre de combustion pour renforcer un écoulement dans un ou plusieurs passages (34) de chambre de combustion.
  7. 7. Centrale (10) selon la revendication 1, dans laquelle l'unité de séparation d'air (36) est conçue pour fonctionner à une température d'environ 760°C (1400°F) à environ 870°C (1600°F).
  8. 8. Centrale (10) selon la revendication 1, dans laquelle l'air comprimé (32) est délivré par le compresseur (22) à une température d'environ 320°C (600°F) à environ 540°C (1000°F).
  9. 9. Centrale (10) selon la revendication 8, dans laquelle la température de l'air comprimé (32) est portée à une valeur comprise entre 760°C (1400°F) à environ 870°C (1600°F).
  10. 10. Centrale (10) selon la revendication 1, dans laquelle un gaz combustible produit par un gazéificateur (12) est fourni à la chambre de combustion (28).
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