FR2973073A1 - Centrale a cycle combine - Google Patents

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Abstract

Centrale à cycle combiné (10) dans laquelle un moteur à turbine à gaz (12) génère de l'énergie, un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) (32) produit de la vapeur à partir de fluides à haute énergie produits par la génération d'énergie dans le moteur à turbine à gaz (12), et un moteur à turbine à vapeur (18) génère de l'énergie supplémentaire à partir de la vapeur produite dans le GVRC (32). La centrale à cycle combiné (10) comprend un élément chauffant disposé sur le plan de l'écoulement entre le moteur à turbine à vapeur (18) et le GVRC (32) pour chauffer le fluide délivré par le moteur à turbine à vapeur (18) et destiné à être envoyé au GVRC (32); et un système de régulation (70, 80, 90) pour réguler une quantité de fluide délivrée par le moteur à turbine à vapeur (18), qui est chauffée par l'élément chauffant, sur la base de différences entre les températures du GVRC et les températures ambiantes.

Description

B 12-1314FR 1 Centrale à cycle combiné La présente invention a pour objet la gestion thermique active de cheminée, par l'intermédiaire de vapeur contrôlée extraite dans une centrale à cycle combiné. Une centrale à cycle combiné utilise un moteur à turbine à gaz et un moteur à turbine à vapeur qui sont combinés pour produire de l'énergie. La centrale est agencée de manière à ce que le moteur à turbine à gaz soit relié thermiquement au moteur à turbine à vapeur, via un générateur de vapeur à récupération de chaleur ("GVRC"). Le générateur GVRC est un échangeur de chaleur sans contact qui permet de chauffer l'eau d'alimentation, destinée au processus de génération de vapeur, avec des gaz d'échappement du moteur à turbine à gaz, qui seraient autrement perdus. Le GVRC est un grand conduit dans lequel sont disposés des faisceaux tubulaires, de manière à ce que l'eau soit chauffée jusqu'à se transformer en vapeur, lorsque les gaz d'échappement passent dans le conduit. Les cycles combinés modernes utilisent typiquement deux (2) ou trois (3) pressions de génération de vapeur pour récupérer l'énergie des gaz d'échappement du moteur à turbine à gaz. Ces cycles comportent aussi fréquemment des régulations de température de l'alimentation en eau, afin de maintenir les tubes au-dessus du point de rosée de l'eau, de manière à éviter une éventuelle corrosion. De tels cycles peuvent régler les températures de sortie des gaz du GVRC à un niveau aussi faible qu'environ 150° Fahrenheit (environ 66 °Celsius), alors que dans certains cas, une température de sortie des gaz GVRC plus élevée est nécessaire. Par exemple, une température de sortie des gaz GVRC plus élevée peut être requise conformément à des règlements locaux particuliers, afin de réduire le coût (la taille) de la cheminée, mais elle peut avoir pour résultat une réduction inévitable de la puissance, associée à une récupération d'une énergie d'échappement moindre. Des températures plus élevées des gaz de sortie GVRC ont été obtenues auparavant en réduisant la superficie basse pression, parce que la production de vapeur basse pression ainsi sacrifiée a le plus faible potentiel de production de travail. Par contre, lors d'une tentative récente pour résoudre ce problème, un tuyau d'extraction de vapeur basse pression et un réchauffeur d'eau d'alimentation de condensat ont atteint la température de gaz de sortie GVRC requise sur une plage de température ambiante, mais dans ce cas, la température la plus chaude dans la plage ambiante a tendance à déterminer les spécifications de conception pour le tuyau d'extraction et le réchauffeur d'eau d'alimentation de condensat.
Ainsi, à des températures ambiantes plus basses, cet agencement récent aurait pour effet que la température des gaz de sortie GVRC tende à augmenter pour passer au-dessus de la température spécifiée, réduisant ainsi le rendement thermique au-delà des valeurs requises.
Conformément à un aspect de l'invention, il est prévu une centrale à cycle combiné, dans laquelle un moteur à turbine à gaz produit de l'énergie, un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) produit de la vapeur à partir de fluides à haute énergie, produits par la génération d'énergie dans le moteur à turbine à gaz, et un moteur à turbine à vapeur produit de l'énergie supplémentaire, à partir de la vapeur produite dans le GVRC, et comporte un élément chauffant disposé sur le plan de l'écoulement entre le moteur à turbine à vapeur et le GVRC pour chauffer le fluide délivré par le moteur à turbine à vapeur et destiné à être envoyé au GVRC, et un système de régulation pour réguler une quantité de fluide délivrée par le moteur à turbine à vapeur, qui est chauffée par l'élément chauffant, sur la base des différences entre les températures du GVRC et les températures ambiantes.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une centrale à cycle combiné, qui comprend un moteur à turbine à gaz pour produire de l'énergie, un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) pour produire de la vapeur à partir de fluides à haute énergie, produits par la génération d'énergie dans le moteur à turbine à gaz, un moteur à turbine à vapeur pour générer de l'énergie supplémentaire, à partir de la vapeur produite dans le GVRC, un élément chauffant disposé sur le plan de l'écoulement entre le moteur à turbine à vapeur et le GVRC pour chauffer le fluide délivré par le moteur à turbine à vapeur et destiné à être envoyé au GVRC, et un système de régulation pour réguler une quantité de fluide délivrée par le moteur à turbine à vapeur, qui est chauffée par l'élément chauffant, sur la base des différences entre les températures de sortie des gaz du GVRC et une valeur de consigne de température entrée.
L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de la description de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par l'unique dessin annexé, sur lequel la figure est une vue schématique d'une centrale à cycle combiné. L'unique figure représente une centrale à cycle combiné 10.
La centrale 10 comprend un système de moteur à turbine à gaz 12 avec un système de combustion 14 et une turbine 16. La centrale 10 comprend en outre un système de moteur à turbine à vapeur 18. Le moteur à turbine à vapeur 18 comprend une partie haute pression 20, une partie moyenne pression 22 et une ou plusieurs parties basse pression 24, avec de nombreux points d'admission de vapeur aux différentes pressions. La partie basse pression 24 débouche dans un condenseur 26. Le système de moteur à turbine à vapeur 18 entraîne un alternateur 28 qui produit de l'énergie électrique. Le système de moteur à turbine à gaz 12, le système de moteur à turbine à vapeur 18 et l'alternateur 28 peuvent être installés sur un arbre 30 unique, mais d'autres configurations peuvent être utilisées. Le système de moteur à turbine à vapeur 18 est associé à un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) 32 à pressions multiples. Le GVRC 32 est un échangeur de chaleur à contre-courant, dans lequel l'eau d'alimentation qui passe dans le GVRC 32 est chauffée à mesure que le gaz d'échappement du système de moteur à turbine à gaz 12 restitue la chaleur et refroidit. Le GVRC 32 a trois (3) pressions de service différentes (haute, moyenne et basse), avec des composants pour générer de la vapeur aux différentes pressions et températures. Cette vapeur est utilisée comme vapeur d'alimentation pour les différents étages du système de moteur à turbine à vapeur 18. Le GVRC 32 peut comprendre par exemple une partie basse pression 34, une partie moyenne pression 36 et une partie haute pression 38, qui peuvent chacune comporter d'une manière générale un ou plusieurs économiseurs, évaporateurs et/ou surchauffeurs. Le condensat est acheminé du condenseur 26 au GVRC 32 par une ou plusieurs conduites 40, à l'aide de la pompe à condensat 42. Un condenseur à presse-étoupe 44 disposé en aval de la pompe à condensat 42 peut également être utilisé pour des opérations de condensation secondaires. Le condensat passe ensuite de la pompe à condensat 42 à la partie basse pression 34 du GVRC 32. De manière connue, la vapeur provenant de la partie basse pression 34 est envoyée à la partie basse pression 24 du système à turbine à vapeur 18, via une conduite 46. Le condensat et/ou l'eau d'alimentation passent dans la partie moyenne pression 36 et sont renvoyés à la partie moyenne pression 22 du système à turbine à vapeur 18, via une conduite 48. Enfin, le condensat est envoyé dans la partie haute pression 38 du GVRC 32 et est renvoyé à la partie haute pression 20 du système à turbine à vapeur 18, via une conduite 50. L'eau chaude produite par l'intermédiaire du GVRC 32 peut également être utilisée pour un système de chauffage de combustible 52.
En outre, un élément chauffant, tel qu'un réchauffeur d'eau d'alimentation à extraction basse pression 56, est prévu. Le réchauffeur d'eau d'alimentation 56 est disposé autour de la conduite 40 et est placé, du point de vue du fonctionnement, en aval du condenseur 26. Une autre conduite 58, par exemple un tuyau d'extraction de vapeur basse pression, peut relier directement le réchauffeur d'eau d'alimentation 56 à la partie basse pression 24 du système de moteur à turbine à vapeur 18, suite à quoi de la vapeur basse pression est extraite de la partie basse pression 24 du moteur à turbine à vapeur 18, est envoyée au réchauffeur d'eau d'alimentation 56 et est ainsi utilisée pour élever la température du condensat qui est acheminé au GVRC 32. Le réchauffeur 56 tend ainsi à augmenter la température d'alimentation du condensat envoyé au GVRC 32. Une vanne 60, par exemple une vanne proportionnelle ou un autre type de vanne similaire, est prévue plus loin dans la conduite 58, afin de réguler une quantité de la vapeur basse pression extraite de la partie basse pression 24 du système de moteur à turbine à vapeur 18. La vanne 60 est actionnée par un système de commande comprenant un actionneur de vanne 70, une unité de traitement 80 et un capteur de température 90. L'actionneur de vanne 70 est couplé du point de vue du fonctionnement à l'unité de traitement 80. L'unité de traitement 80 reçoit les mesures de température du GVRC, par exemple les mesures de température des gaz d'échappement du GVRC, envoyées par le capteur de température 90, constitué par exemple d'un thermocouple installé fonctionnellement dans le GVRC 32. Dans les cas où il est souhaitable de moduler la température des gaz d'échappement du GVRC en fonction d'une valeur de consigne qui est supérieure à la température s'installant naturellement, en l'absence de tout mécanisme de régulation de température active, par exemple lorsqu'une température minimale de gaz d'échappement de GVRC est fixée par des règlements locaux, l'unité de traitement 80 compare la température mesurée des gaz d'échappement du GVRC avec une valeur de consigne de température entrée et/ou une valeur de consigne de température souhaitée, et transmet un signal de commande, par exemple un signal de modulation de vanne proportionnelle, à l'actionneur de vanne 70, sur la base des résultats de cette comparaison. Ensuite, l'actionneur de vanne 70 ouvre ou ferme la vanne 60 pour réguler en conséquence l'extraction de vapeur basse pression. Bien que le réchauffeur d'eau d'alimentation 56 soit conçu pour pouvoir atteindre une température minimale des gaz d'échappement du GVRC, dans une plage donnée de températures ambiantes, la température minimale de gaz d'échappement de GVRC surviendrait typiquement le jour le plus chaud de la gamme ambiante, et pour chaque température ambiante plus basse, l'extraction de vapeur basse pression aurait tendance à être excessive en l'absence d'une commande appropriée de la vanne 60, telle qu'elle est assurée par le système de régulation décrit ici. Une extraction de vapeur basse pression excessive peut avoir pour résultat que la température de gaz d'échappement de GVRC tende à augmenter et passer au-dessus du minimum requis, faisant ainsi diminuer le rendement thermique de la centrale à cycle combiné 10. Cependant, puisque la vanne 60, lorsqu'elle est commandée par l'unité de traitement 80, est apte à moduler l'extraction de vapeur basse pression, de manière à ce que seule la quantité minimale requise de vapeur basse pression soit extraite afin de maintenir la température de gaz d'échappement de GVRC au-dessus du minimum requis, pour un jour donné ayant une température ambiante donnée, telle que la valeur de consigne de température entrée, le flux restant va se dilater dans la partie basse pression 24 du système de turbine à gaz 18, augmentant ainsi le rendement thermique de la centrale à cycle combiné 10. Conformément à d'autres modes de réalisation, la vapeur destinée à être utilisée dans le réchauffeur d'eau d'alimentation 56 peut être extraite des parties haute ou moyenne pression 20, 22 du système de moteur à turbine à vapeur 18. Une autre possibilité consisterait en ce que l'unité de traitement 80 déduise la température de gaz d'échappement de GVRC sur la base d'une température d'entrée d'économiseur basse pression, avec une relation sous-entendue entre la température d'entrée de l'économiseur basse pression et la température de gaz d'échappement de GVRC. Ensuite, l'unité de traitement 80 transmettrait le signal de modulation de flux, sur la base de la température d'entrée de l'économiseur basse pression. Encore d'autres modes de réalisation englobent l'ajout de vannes et de conduites, ou la modification de vannes et de conduites existantes, pour contourner le système de moteur à turbine à vapeur 18. Dans ces modes de réalisation, la vapeur extraite en vue de son utilisation dans le réchauffeur d'eau d'alimentation 56 est directement prélevée sur les conduites 46, 48 et 50. Ainsi, après avoir quitté la partie haute pression 20 du système de moteur à turbine à vapeur 18, la vapeur passe dans un tuyau de réchauffage froid 471 et se mélange avec la vapeur surchauffée moyenne pression de la conduite 472. Il serait également possible d'utiliser de la vapeur extraite soit du tuyau de réchauffage froid 471 soit de la conduite 472, pour alimenter le réchauffeur d'eau d'alimentation 56. Le réchauffeur d'eau d'alimentation 56 peut être prévu dans n'importe quelle configuration d'échange de chaleur et peut comporter des éléments chauffants supplémentaires ou différents.
Conformément à d'autres aspects de l'invention, il est proposé un procédé d'exploitation d'une centrale à cycle combiné 10. Le procédé comprend l'acheminement de vapeur condensée basse pression du système de moteur à turbine à vapeur 18 et du condenseur 26 au GVRC 32, le chauffage de la vapeur condensée basse pression avant son admission dans le GVRC 32, et la régulation d'un degré de chauffage de la vapeur condensée basse pression. Le chauffage est réalisé par exposition, dans le réchauffeur d'eau d'alimentation 56, des gaz d'échappement de turbine condensés à une quantité de vapeur basse pression qui est extraite du système de moteur à turbine à vapeur 18. La régulation, telle qu'elle est décrite plus haut, est réalisée en modulant la quantité de vapeur basse pression, à laquelle sont exposés les gaz d'échappement de turbine condensés, sur la base d'une comparaison entre une mesure de température du GVRC 32, d'une mesure de température ambiante et d'un réglage de température prédéfini, qui peut être établi en fonction de la mesure de température ambiante.
Nomenclature des pièces 20 25 30 10 15 Partie haute pression Partie moyenne pression Partie basse Condenseur Alternateur Arbre GVRC Partie basse Centrale à cycle combiné Système de moteur à turbine à gaz 12 Système de combustion 14 Turbine 16 Système de moteur à turbine à vapeur 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46, 48, 50 52 56 58 60 70 80 90 pression pression Partie moyenne pression Partie haute pression Conduites Pompe à condensat Condenseur à presse-étoupe Conduite Système de chauffage de combustible Réchauffeur d'eau d'alimentation Autre conduite Vanne Actionneur de vanne Unité de traitement Capteur de température

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Centrale à cycle combiné (10), dans laquelle un moteur à turbine à gaz (12) génère de l'énergie, un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) (32) produit de la vapeur à partir de fluides à haute énergie produits par la génération d'énergie dans le moteur à turbine à gaz (12), et un moteur à turbine à vapeur (18) génère de l'énergie supplémentaire à partir de la vapeur produite dans le GVRC (32), ladite centrale à cycle combiné (10) comprenant : un élément chauffant disposé sur le plan de l'écoulement entre le moteur à turbine à vapeur (18) et le GVRC (32) pour chauffer le fluide délivré par le moteur à turbine à vapeur (18) et destiné à être envoyé au GVRC (32); et un système de régulation (70, 80, 90) pour réguler une quantité de fluide délivrée par le moteur à turbine à vapeur (18), qui est chauffée par l'élément chauffant, sur la base de différences entre les températures du GVRC (32) et les températures ambiantes.
  2. 2. Centrale à cycle combiné (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément chauffant est constitué d'un réchauffeur d'eau d'alimentation (56) à extraction de vapeur basse pression.
  3. 3. Centrale à cycle combiné (10) selon la revendication 1, comprenant en outre : un tuyau d'extraction de vapeur (58) pour extraire de la vapeur du moteur à turbine à vapeur (18) et délivrer la vapeur extraite à l'élément chauffant, et une vanne (60) disposée du point de vue du fonctionnement le long du tuyau d'extraction de vapeur (58) pour réguler une quantité de vapeur extraite, s'écoulant vers l'élément chauffant.
  4. 4. Centrale à cycle combiné (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que le tuyau d'extraction de vapeur (58) prélève de la vapeur d'une partie basse pression (24) du moteur à turbine à vapeur (18).
  5. 5. Centrale à cycle combiné (10) selon la revendication 4, caractérisée en ce que le système de régulation comprend : un capteur de température (90) pour déterminer une température de sortie des gaz du GVRC; et une unité de traitement (80) pour comparer la température de sortie des gaz du GVRC avec une valeur de consigne de température entrée, et pour émettre un signal de commande pour réguler la quantité de fluide délivrée par le moteur à turbine à vapeur, en fonction d'un résultat de la comparaison.
  6. 6. Centrale à cycle combiné (10) selon la revendication 5, caractérisée en ce que la température de sortie des gaz du GVRC comprend une ou plusieurs températures de gaz d'échappement et une température de gaz d'échappement déduite.
  7. 7. Centrale à cycle combiné (10) selon la revendication 5, comprenant en outre un actionneur de vanne (70) disposé du point de vue du fonctionnement pour commander la vanne (60) en réponse au signal de commande.
  8. 8. Centrale à cycle combiné (10), comprenant : un moteur à turbine à gaz (12) pour générer de l'énergie; un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) (32) pour produire de la vapeur à partir de fluides à haute énergie produits à partir de la génération d'énergie dans le moteur à turbine à gaz (12); un moteur à turbine à vapeur (18) pour générer de l'énergie supplémentaire à partir de la vapeur produite dans le GVRC (32); un élément chauffant disposé sur le plan de l'écoulement entre le moteur à turbine à vapeur (18) et le GVRC (32) pour chauffer le fluide délivré par le moteur à turbine à vapeur (12) et destiné à être envoyé au GVRC ; et un système de régulation (70, 80, 90) pour réguler une quantité de fluide délivrée par le moteur à turbine à vapeur (18), qui est chauffée par l'élément chauffant, sur la base de différences entre une température de sortie des gaz du GVRC et une valeur de consigne de température entrée.
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