FR2970042A1 - Systeme de turbine a gaz et procede de refroidissement avec du co2 - Google Patents
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Abstract
Système (100) de turbine à gaz et procédé comprenant un organe formant compresseur (102) conçu pour comprimer un fluide afin de constituer un flux de fluide comprimé (104), une chambre de combustion (106) conçue pour recevoir au moins une première partie (108) du flux de fluide comprimé et brûler au moins partiellement un gaz de synthèse (110) afin de constituer un flux de refoulement (112) de chambre de combustion, et un organe formant turbine (114) disposé afin de recevoir le flux de refoulement (112) de chambre de combustion et de constituer un flux (116) d'organe formant turbine. Dans le système et le procédé, un flux froid acheminé depuis un second système (118) refroidit le flux de turbine (116).
Description
B11-5995FR 1 Système de turbine à gaz et procédé de refroidissement avec du CO2
La présente invention concerne des systèmes de turbines à gaz. Plus particulièrement, la présente invention concerne des systèmes et des procédés utilisant du CO2 pour refroidir des organes d'une turbine. Dans les systèmes de production d'électricité, l'efficience opérationnelle est souhaitable pour répondre à de moindres coûts à la demande croissante en énergie. La séquestration de carbone dans les systèmes de production d'électricité capture le dioxyde de carbone contenu dans les gaz d'échappement et stocke celui-ci au cours du processus de séquestration. La capture du carbone consomme beaucoup d'énergie et réduit le rendement des systèmes de production d'électricité selon la technique antérieure. Dans un système de production d'électricité selon la technique antérieure, un dispositif de refroidissement en circuit fermé dans une turbine à gaz est refroidi à l'aide d'un liquide non conducteur de l'électricité. Une pompe fait circuler le liquide et le transfert thermique est accentué par un orifice placé dans la boucle, ce qui réduit la pression. Le système selon la technique antérieure souffre de l'inconvénient de ne pas être à même de réaliser une capture de carbone avec l'efficacité souhaitable. Dans un autre système de production d'électricité selon la technique antérieure, on utilise un dispositif de refroidissement en circuit fermé contenant de l'azote provenant d'une unité de séparation d'air. Le système souffre de l'inconvénient de n'être applicable que dans des systèmes à base d'oxygène (de gazéification) pour exécuter un cycle combiné à gazéification intégrée (IGCC). Un système de turbine à gaz et un procédé plus efficaces et ne souffrant pas des inconvénients de la technique antérieure seraient souhaitables dans la technique. Dans une forme de réalisation de l'invention, un système de turbine à gaz comprend un organe formant compresseur conçu pour comprimer un fluide afin de former un flux de fluide comprimé, une chambre de combustion conçue pour recevoir au moins une première partie du flux de fluide comprimé et brûler au moins partiellement un gaz de synthèse pour former un flux de refoulement de chambre de combustion, et un organe formant turbine placé de manière à recevoir le flux de refoulement de la chambre de combustion et former un flux d'organe formant turbine. Au moins une deuxième partie du flux de fluide comprimé est dirigée vers le flux d'organe formant turbine. Un flux froid de CO2 provenant d'un système de capture de CO2 refroidit le flux d'organe formant turbine. Le flux froid de CO2 est chauffé par le flux d'organe de turbine afin de former au moins un flux de CO2 chauffé. Au moins une partie du flux de CO2 chauffé transfère de la chaleur dans le flux de fluide comprimé circulant du compresseur à la chambre de combustion. Dans une forme de réalisation de l'invention, un système de turbine à gaz comprend un organe formant compresseur conçu pour comprimer un fluide afin de former un flux de fluide comprimé, une chambre de combustion conçue pour recevoir au moins une première partie du flux de fluide comprimé et brûler au moins partiellement un gaz de synthèse pour former un flux de refoulement de chambre de combustion, et un organe formant turbine placé de manière à recevoir le flux de refoulement de la chambre de combustion et former un flux d'organe formant turbine. Au moins une deuxième partie du flux de fluide comprimé est dirigée vers le flux d'organe formant turbine. Un flux froid d'azote provenant d'un second système refroidit le flux d'organe de turbine. Le flux d'azote froid est chauffé par le flux d'organe de turbine pour former au moins un flux d'azote chauffé. Au moins une partie du flux d'azote chauffé transfère de la chaleur dans le flux de fluide comprimé circulant du compresseur à la chambre de combustion. Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé comprenant la réalisation d'un système de capture de CO2 comportant un absorbeur et un séparateur pour former un flux froid de CO2, l'acheminement du flux froid de CO2 jusqu'à un organe formant turbine, le transfert de chaleur depuis un flux présent dans l'organe formant turbine vers le flux froid de CO2 afin de former au moins un flux de CO2 chauffé, et l'acheminement d'au moins une partie du flux de CO2 chauffé, via un échangeur de chaleur, jusqu'au système de capture de CO2. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un exemple de système de turbine à gaz selon une forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement un exemple de système de capture de CO2 avec une illustration simplifiée d'un exemple de système de turbine à gaz selon une forme de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 représente schématiquement un exemple de système de turbine à gaz selon une forme de réalisation de l'invention.
Chaque fois que cela sera possible, les mêmes repères seront utilisés sur tous les dessins pour désigner les mêmes éléments. Il est proposé un système de turbine à gaz et un procédé plus efficaces, ne souffrant pas des inconvénients de la technique antérieure. Des formes de réalisation de la présente invention permettent l'application des systèmes et procédés décrits à des exécutions d'IGCC à cycles simple et combiné, permettent aux systèmes et procédés décrits d'intégrer des processus de capture de CO2 dans l'exécution d'IGCC, permettent aux systèmes et procédés décrits d'intégrer d'autres systèmes dans l'exécution d'IGCC, permettent un meilleur rendement en réduisant la quantité de combustible nécessaire pour parvenir à une température de combustion prédéterminée, permettent un meilleur rendement grâce à une augmentation d'une température d'échappement fournie à un générateur de vapeur à récupération de chaleur, et permettent une diminution des coûts d'installation, d'exploitation et d'entretien. La figure 1 représente un exemple de système 100 de turbine à gaz. Le système 100 comporte un organe formant compresseur 102, une chambre de combustion 106 et un organe formant turbine 114. L'organe formant compresseur 102 est conçu pour comprimer un fluide (par exemple, de l'air ou un autre gaz atmosphérique) afin de former un flux de fluide comprimé 104. La chambre de combustion 106 est conçue pour recevoir au moins une première partie 108 du flux de fluide comprimé 104 et brûler au moins partiellement un gaz de synthèse 110 afin de former un flux de refoulement 112 de chambre de combustion. L'organe formant turbine 114 est placé de manière à recevoir le flux de refoulement 112 de la chambre de combustion afin de former un flux de turbine 116. Une seconde partie 118 du flux de fluide comprimé 104 est acheminée de manière à refroidir le flux de turbine 116.
Un flux froid de CO2 120 provenant d'un système de capture de CO2 122 refroidit le flux 116 d'organe formant turbine. Le flux froid de CO2 120 a une température inférieure d'environ 149°C à 320°C (300°F à 600°F) ou d'environ 38°C à 205°C (environ 100°F à 400°F) à la température de l'air refoulé par le compresseur de la turbine à gaz. Dans une forme de réalisation, le flux froid de CO2 120 est essentiellement constitué de CO2 gazeux. Dans une autre forme de réalisation, le flux froid de CO2 120 contient du CO2 à une concentration supérieure à celle de l'air. Le flux froid de CO2 120 est chauffé par le flux 116 pour former au moins un flux chauffé de CO2 124 (ayant par exemple une température supérieure à environ 540°C (environ 1000°F)). Une partie ou la totalité du flux chauffé de CO2 124 transfère de la chaleur dans le flux de fluide comprimé 108. Dans une forme de réalisation, le flux froid de CO2 120 est acheminé jusqu'au flux 116 sans l'aide d'une pompe. Dans une forme de réalisation, le système 100 de turbine à gaz comporte un échangeur de chaleur 134. L'échangeur de chaleur 134 est placé de manière à transférer de la chaleur du flux chauffé de CO2 124 à la première partie 108 du flux de CO2 comprimé 104.
Les multiples étages de l'organe formant compresseur 102 et de l'organe formant turbine 114 permettent à n'importe quelles parties appropriées du flux de fluide comprimé 104 et/ou du flux froid de CO2 120 d'échanger de la chaleur avec le flux 116 et/ou le flux 112 refoulé par la chambre de combustion, suivant une pluralité de relations de pression et/ou de température. N'importe quel nombre approprié d'étages peuvent être prévus. Par exemple, dans une forme de réalisation, dix-huit étages de compresseur sont présents. Dans une autre forme de réalisation, le premier étage 136 du compresseur est le neuvième étage, le deuxième étage 138 du compresseur est le treizième étage et le troisième étage 140 du compresseur est le dix-huitième étage. Une ou plusieurs parties du flux de fluide comprimé 104 peuvent être acheminées depuis les multiples étages du compresseur jusqu'à l'organe formant turbine 114, en refroidissant de la sorte le flux 116. Dans une forme de réalisation, le troisième étage 140 du compresseur achemine la seconde partie 118 du flux de fluide comprimé 104 jusqu'à un deuxième étage 142 de turbine dans l'organe formant turbine 114. L'organe formant turbine 114 comprend un premier étage 144 de turbine et un deuxième étage 142 de turbine. Dans une forme de réalisation, l'organe formant turbine 114 comprend en outre un troisième étage 146 de turbine. N'importe quel nombre approprié d'étages de turbine peuvent être présents. Un ou plusieurs étages de turbine de l'organe formant turbine 114 sont placés de manière à recevoir le flux 112 refoulé par la chambre de combustion afin de former le flux 116 d'organe formant turbine. La seconde partie 118 du flux de fluide comprimé 104 acheminée jusqu'à l'organe formant turbine 114 refroidit le flux de turbine. Dans une forme de réalisation, le deuxième étage 138 du compresseur achemine la seconde partie 118 du flux de fluide comprimé 104 jusqu'au premier étage 144 de turbine, au deuxième étage 142 de turbine, au troisième étage 146 de turbine ou jusqu'à des combinaisons de ceux-ci. Le flux de turbine 116 est en outre refroidi par le flux froid de CO2 120 dans le premier étage 144 de turbine. Dans une forme de réalisation, le flux froid 120 de CO2 est acheminé jusqu'au premier étage 144 de turbine, la chaleur est transférée dans le flux froid de CO2 120 depuis le flux 116 présent dans le premier étage 144 de turbine, afin de former au moins le flux chauffé de CO2 124 et au moins une partie du flux chauffé 124 de CO2 est acheminée, via l'échangeur de chaleur 134, jusqu'au système de capture 122 de CO2. Dans encore une autre forme de réalisation, l'organe 114 formant turbine est agencé et disposé de manière à recevoir de la chambre de combustion 106 le flux 112 de refoulement de chambre de combustion et l'échangeur de chaleur 134 est agencé et disposé pour transférer de la chaleur du flux chauffé de CO2 124 à au moins la partie 108 du flux de fluide comprimé 104 acheminée jusqu'à la chambre de combustion 106. Dans une autre forme de réalisation, du CO2 est utilisé pour le refroidissement en circuit fermé de l'organe formant turbine 114.
Dans cette forme de réalisation, un flux de CO2 en circuit fermé comprend le flux chauffé de CO2 124 et le flux froid de CO2 120. Par exemple, le flux 112 de refoulement de chambre de combustion est acheminé jusqu'à l'organe formant turbine 114 afin de former le flux de turbine 116, le flux 116 est refroidi avec une partie refroidie 120 d'un flux de CO2 en circuit fermé, en formant de la sorte la partie chauffée 124 du flux de CO2 en circuit fermé, et le flux de fluide comprimé 104 est chauffé par la partie chauffée 124 du flux de CO2 en circuit fermé. Dans encore une autre forme de réalisation, une partie de la partie refroidie 120 du flux de CO2 en circuit fermé est acheminée depuis le système de capture 122 de carbone et au moins une partie de la partie chauffée 124 du flux de CO2 en circuit fermé est acheminée jusqu'au système de capture 122 de carbone. Dans une forme de réalisation, le système 100 de turbine à gaz comporte en outre un générateur 126 de vapeur à récupération de chaleur. Dans cette forme de réalisation, le flux de turbine 116 est acheminé jusqu'au générateur 126 de vapeur à récupération de chaleur. Dans une forme de réalisation, une partie 150 ou la totalité du flux chauffé de CO2 120 est acheminée jusqu'au générateur 126 de vapeur à récupération de chaleur. Une partie du flux de sortie 148 du générateur 126 de vapeur à récupération de chaleur est acheminée jusqu'au système de capture de CO2 122 pour la capture/séquestration de CO2. La figure 2 est une vue schématique représentant un exemple de système de capture de CO2 122 avec une illustration simplifiée du système 100 de turbine à gaz. Le système de capture de CO2 122 peut être n'importe quel système de capture de CO2 adéquat. Dans une forme de réalisation, le système de capture de CO2 122 utilise un procédé d'absorption par voie chimique. Par exemple, dans une forme de réalisation, le système de capture de CO2 122 comporte un absorbeur 202 destiné à recevoir des fumées issues du générateur 126 de vapeur à récupération de chaleur. Les fumées sont filtrées par un dispositif de filtration 204, transfèrent de la chaleur par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 206 (par exemple, un échangeur de chaleur à courants croisés) et circulent jusqu'à un séparateur 208. Le séparateur 208 sépare le CO2 des autres constituants des fumées (par exemple, les NON et les SON). Depuis le séparateur 208, une partie des fumées contenant du CO2 est condensée par un condenseur 210 et dirigée, en tant que CO2 capturé, jusqu'à un tambour de reflux 212. Le CO2 capturé 120 est globalement dirigé jusqu'à un système séparé de compresseur multiétagé à refroidissement intermédiaire (non représenté) pour être séquestré. Une partie du CO2 capturé 120 peut être redirigée jusqu'au séparateur 208 par une pompe de reflux 214. D'autres parties des fumées présentes dans le séparateur 208 sont dirigées jusqu'à un rebouilleur 216 pour être séparées et soit traitées par un dispositif de récupération 218 pour former des boues 226, soit acheminées via l'échangeur de chaleur 206, une cuve de stockage 220, un surpresseur 222 et un refroidisseur 224 d'amine régénérée avant de retourner dans l'absorbeur 202 et d'être évacuées vers une cheminée (non représentée). La figure 3 représente un autre exemple de système 300 de turbine à gaz. Le système 300 comporte un organe formant compresseur 102, une chambre de combustion 106 et un organe formant turbine 114. L'organe formant compresseur 102 est conçu pour comprimer un fluide (par exemple de l'air ou un autre gaz atmosphérique) afin de former le flux de fluide comprimé 104. La chambre de combustion 106 est conçue pour recevoir au moins la première partie 108 du flux de fluide comprimé 104 et pour brûler au moins partiellement le gaz de synthèse 110 afin de former le flux de refoulement 112 de chambre de combustion. L'organe formant turbine 114 est disposé de manière à recevoir le flux de refoulement 112 de chambre de combustion afin de former le flux de turbine 116. La seconde partie 118 du flux de fluide comprimé 104 est acheminée afin de refroidir le flux 116 d'organe formant turbine. Un flux froid d'azote 320 acheminé depuis une unité de séparation d'air 322 ou un autre processus approprié refroidit le flux 116. Le flux froid d'azote 320 est chauffé par le flux 116 afin de constituer au moins un flux chauffé d'azote 324 (par exemple, ayant une température supérieure à environ 540°C (environ 1000°F)). Une partie ou la totalité du flux chauffé d'azote 324 transfère de la chaleur dans le flux de fluide comprimé 108. Dans une forme de réalisation, le système 100 de turbine à gaz comporte un échangeur de chaleur 134. L'échangeur de chaleur 134 est disposé de manière à transférer de la chaleur du flux chauffé d'azote 324 à la première partie 108 du flux de fluide comprimé 104. Les multiples étages de l'organe formant compresseur 102 et de l'organe formant turbine 114 permettent à n'importe quelles parties appropriées du flux de fluide comprimé 104 et/ou du flux froid d'azote 320 d'échanger de la chaleur avec le flux de turbine 116 et/ou le flux de refoulement 112 de chambre de combustion suivant une pluralité de relations de pression et/ou de température.
Le flux de turbine 116 est en outre refroidi par le flux froid d'azote 320 dans le premier étage 144 de turbine. Dans une forme de réalisation, le flux froid 320 d'azote est dirigé jusqu'au premier étage 144 de turbine, de la chaleur est transférée du flux 116 présent dans le premier étage 144 de turbine au flux froid d'azote 320 afin de constituer au moins le flux chauffé d'azote 324, et au moins une partie du flux chauffé d'azote 324 est acheminée par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 134 jusqu'au générateur 126 de vapeur à récupération de chaleur. Dans encore une autre forme de réalisation, le premier étage 144 de turbine est conçu et disposé de manière à recevoir le flux de refoulement 112 de la chambre de combustion 106 et l'échangeur de chaleur 134 est agencé et disposé de manière à transférer de la chaleur du flux chauffé d'azote 324 à au moins la partie 108 du flux de fluide comprimé 104 acheminée jusqu'à la chambre de combustion 106.
Claims (20)
- REVENDICATIONS1. Système (100) de turbine à gaz, comportant : un organe formant compresseur (102) conçu pour comprimer un fluide afin de former un flux de fluide comprimé (104) ; une chambre de combustion (106) conçue pour recevoir au moins une première partie du flux de fluide comprimé (108) et pour brûler au moins partiellement un gaz de synthèse (110) afin de former un flux de refoulement (112) de chambre de combustion ; et un organe formant turbine (114) disposé de manière à recevoir le flux de refoulement (112) de chambre de combustion et à former un flux de turbine (116) ; au moins une seconde partie (118) du flux de fluide comprimé (108) étant acheminée jusqu'au flux de turbine (116), un flux froid de CO2 (120) acheminé depuis un système de capture de CO2 (122) refroidissant le flux de turbine (116), le flux froid de CO2 (122) étant chauffé par le flux de turbine (116) pour constituer au moins un flux chauffé de CO2 (124), et au moins une partie du flux chauffé de CO2 (124) transférant de la chaleur dans le flux de fluide comprimé (108) acheminée du compresseur (102) à la chambre de combustion (106).
- 2. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 1, comportant en outre un générateur (126) de vapeur à récupération de chaleur, le flux de turbine (116) étant dirigé jusqu'au générateur (126) de vapeur à récupération de chaleur.
- 3. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 2, dans lequel au moins une seconde partie (118) du flux chauffé de CO2 (124) est dirigée jusqu'au générateur (126) de vapeur à récupération de chaleur.
- 4. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 3, dans lequel au moins une partie d'un flux de sortie du générateur (126) de vapeur à récupération de chaleur est dirigée jusqu'au système de capture de CO2 (122).
- 5. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 1, comportant en outre un échangeur de chaleur (134), l'échangeur de chaleur (134) étant disposé de manière à transférer de la chaleur du flux chauffé de CO2 (124) dans la première partie du flux d'air comprimé (108).
- 6. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 1, comportant en outre le système de capture de CO2 (122).
- 7. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 1, dans lequel l'organe formant compresseur (102) comprend dix-huit étages de compresseur.
- 8. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 7, dans lequel un dix-huitième étage de compresseur dirige la seconde partie (118) du flux de fluide compressé (108) jusqu'à un deuxième étage (142) de l'organe formant turbine (114).
- 9. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 7, dans lequel un neuvième étage de compresseur et un treizième étage de compresseur acheminent la seconde partie (118) du flux de fluide comprimé (108) jusqu'à un premier étage (144) de l'organe (114) formant turbine, un deuxième étage (142) de l'organe (114) formant turbine et un troisième étage (146) de l'organe (114) formant turbine.
- 10. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 1, dans lequel l'organe formant turbine (114) comprend un premier étage (144) de turbine et un deuxième étage (142) de turbine.
- 11. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 10, dans lequel l'organe (114) de turbine comprend en outre un troisième étage (146) de turbine.
- 12. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 11, dans lequel le flux de turbine (116) est refroidi par le flux froid de CO2 (120) pour le deuxième étage (142) de turbine et le troisième étage (146) de turbine.
- 13. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 11, dans lequel l'organe formant compresseur (114) comprend un premier étage (136) de compresseur, un deuxième étage (138) de compresseur et un troisième étage (140) de compresseur.
- 14. Système (100) de turbine à gaz selon la revendication 1, dans lequel le système de capture de CO2 (122) comprend un absorbeur (202) et un séparateur (208) pour former le flux froid de CO2 (122).
- 15. Système (100) de turbine à gaz, comportant : un organe formant compresseur (102) conçu pour comprimer un fluide afin de constituer un flux de fluide comprimé (104) ; une chambre de combustion (106) conçue pour recevoir au moins une première partie du flux de fluide comprimé (108) et pour brûler au moins partiellement un gaz de synthèse (110) afin de constituer un flux de refoulement (112) de chambre de combustion ; et un organe formant turbine (114) disposé de manière à recevoir le flux de refoulement (112) de chambre de combustion et constituer un flux de turbine (116) ; au moins une seconde partie (118) du flux de fluide comprimé (108) étant dirigée jusqu'au flux de turbine (116), un flux froid d'azote (320) acheminé depuis un second système refroidissant le flux de turbine (116), le flux froid d'azote (320) étant chauffé par le flux de turbine 116) afin de constituer au moins un flux chauffé d'azote (324), et au moins une partie du flux chauffé d'azote (324) transférant de la chaleur dans le flux de fluide comprimé (104), du compresseur (102) à la chambre de combustion (106).
- 16. Système de turbine à gaz selon la revendication 15, dans lequel le second système est une unité de séparation d'air.
- 17. Système de turbine à gaz selon la revendication 15, comportant en outre un générateur de vapeur à récupération de chaleur, le flux de turbine étant dirigé jusqu'au générateur de vapeur à récupération de chaleur.
- 18. Système de turbine à gaz selon la revendication 17, dans lequel au moins une seconde partie du flux chauffé d'azote est dirigée jusqu'au générateur de vapeur à récupération de chaleur.
- 19. Procédé, comportant : la réalisation d'un système de capture de CO2, le système de capture de CO2 comprenant un absorbeur et un séparateur pour constituer un flux froid de CO2 ; l'acheminement du flux froid de CO2 jusqu'à un organe formant turbine ; le transfert de chaleur d'un flux de turbine présent dans l'organe formant turbine jusque dans le flux froid de CO2 afin de constituer au moins un flux chauffé de CO2 ; et l'acheminement d'au moins une partie du flux chauffé de CO2 par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur jusqu'au système de capture de CO2.
- 20. Procédé selon la revendication 19, dans lequel l'organe formant turbine est conçu et disposé de manière à recevoir un flux de refoulement de combustion d'une chambre de combustion et l'échangeur de chaleur est conçu et disposé de manière à transférer de la chaleur du flux chauffé de CO2 dans au moins une partie d'unflux de fluide comprimé acheminée jusqu'à la chambre de combustion.
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