BE1003760A4 - Turbine a gaz isotherme a oxydation partielle. - Google Patents
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Abstract
La turbine à gaz suivant l'invention comporte un compresseur d'air (1), un générateur de gaz chauds combustible sous pression (5) par oxydation partielle catalytique ou non du combustible (6) et une turbine de détente des gaz (12). Le refroidissement des aubes métalliques est assuré par de l'air prélevé au compresseur et est rejeté dans le gaz en provoquant une combustion partielle et un régime isothermique. L'utilisation de combustible divers et possible moyennant la substitution du réacteur d'oxydation partielle par un gazogène. La valorisation du rejet thermique peut se faire à température supérieure à 1000 degrés C.
Description
<Desc/Clms Page number 1> TURBINE A GAZ ISOTHERME A OXYDATION PARTIELLE L'invention concerne une turbine à gaz comprenant un compresseur d'air, un réacteur d'oxydation partielle alimenté en air comprimé et en fluide combustible produisant un gaz combustible sous pression et à température élevée. Ce gaz est ensuite détendu, éventuellement à pression atmosphérique, dans une turbine de détente. Dans la turbine de détente, les aubes sont refroidies intérieurement au moyen d'air comprimé, cet air est éjecté à l'intérieur de la turbine et entraîne la combustion partielle du gaz et maintient de ce fait une température de gaz élevée tout le long du circuit de détente du gaz. Les turbines à gaz connues sont composées des mêmes éléments, sauf que le réacteur d'oxydation partielle est remplacé par une chambre de combustion soit compresseur, turbine de détente et combusteur. Dans les turbines à gaz conventionnelles, le débit d'air comprimé et le fluide combustible sont réglés de manière à assurer une combustion avec large excès d'air dans la chambre de combustion, ceci afin de limiter la température des gaz brûlés à un niveau suffisamment bas pour assurer la bonne tenue des matériaux constitutifs de la turbine de détente, et ceci malgré le refroidissement à l'air des aubes. Cette température maximale des gaz est comprise entre 1000 et 1200 C, nécessitant une combustion avec un excès d'air au moins 3 fois supérieur à l'air strictement nécessaire à la combustion. Cet excès d'air important est particulièrement désavantageux, car il nécessite l'utilisation de compresseurs puissants qui absorbent une part importante de l'énergie utile livrée par la turbine de détente, soit environ les 2/3. Le rendement de conversion énergétique est donc limité. De plus, pour une puissance donnée de la turbine, l'on véhicule des quantités très importantes d'air et de gaz <Desc/Clms Page number 2> brûlé, ce qui nécessite d'alourdir les investissements : filtres, collecteurs, chaudière... Les gaz brûlés résultant de la combustion avec large excès d'air sortent de la turbine à gaz à une température relativement faible, soit environ 500 C, de sorte que leur chaleur sensible ne peut être utilisée que dans un nombre restreint d'applications, soit production de vapeur à moyenne pression, séchage, toutes applications à faible température. La présente invention tend à supprimer ces inconvénients. A cet effet, dans la turbine isothermique à. oxydation partielle, la chambre de combustion est substituée par un réacteur adiabatique d'oxydation partielle dans laquelle l'on réalise, dans le cas d'emploi de combustible hydrocarboné, la réaction CnHm + nez nCO + m/2 H20, réaction exothermique produisant une quantité de gaz à détendre très élevée rapportée à la quantité d'air utilisée, nettement plus importante que lors de la combustion avec excès d'air pour une même température. Ce rapport gaz turbine/air compresseur vaut par exemple environ 1.7 au lieu de 1.03 dans la turbine connue. La réaction peut se réaliser utilement en présence de catalyseur lors de l'emploi de combustibles gazeux, gaz naturel par exemple. L'utilisation du processus de réaction d'oxydation partielle selon l'invention présente les avantages suivants, pour une température et une pression identiques à l'entrée de la turbine de détente : - réduction importante du débit d'air à comprimer, ce qui permet d'utiliser un compresseur plus petit, à puissance égale, que dans le cas des turbines antérieurement connues, avec amélioration du rendement énergétique, les gaz de réaction au sortir de la turbine sont combustibles ; leur température élevée de combustion permet de <Desc/Clms Page number 3> valoriser cette énergie à haute température, soit plus de 1200 C au lieu de 500 C pour les turbines connues ; l'on peut donc réaliser de la cogénération à température élevée. Enfin, le refroidissement des aubes suivant l'invention induit une combustion interne étagée assurant une détente quasi isotherme, assurant une meilleure conversion d'énergie et, tenant compte d'une température de gaz détendu plus élevée, à un meilleur potentiel de valorisation de l'énergie des gaz sortants. Les particularités et détails de l'invention apparaissent au cours de la description suivante de formes de réalisation particulières de la turbine isothermique à gaz à oxydation partielle suivant l'invention. La figure 1 est une vue schématique d'une turbine à gaz suivant l'invention. La figure 2 montre, schématiquement, un système de cogénération utilisant la turbine suivant l'invention. La turbine à gaz isothermique à oxydation partielle représentée à la figure 1 comprend un compresseur d'air (1) dans lequel l'air filtré est aspiré en (2). Ce compresseur est muni d'aubes rotatives (3) sur l'arbre (16) et d'aubes (3') fixées à la paroi du compresseur. L'air comprimé quitte le compresseur en (4), il est transféré au réacteur d'oxydation partielle (5). Le combustible hydrocarboné est amené par le conduit (6) et réglé par la vanne (7) vers le réacteur (5), où il se mélange en (8). La réaction d'oxydation partielle exothermique se produit dans le réacteur muni de parois en acier réfractaire ou en céramique (9). Dans le cas de combustible gazeux, par exemple le gaz naturel, le réacteur est garni de catalyseurs en (10) assurant une réaction rapide et contrôlée. <Desc/Clms Page number 4> Une quantité de vapeur est introduite au mélangeur (8) par le conduit (21) dans le but d'éviter la formation de suies en cours de réaction. Les réactions qui se produisent dans le réacteur sont, dans le cas d'utilisation de méthane ; EMI4.1 Une proportion des 3 fluides gaz-air-vapeur est réglée avec précision pour obtenir les conditions demandées, température des gaz et stabilité chimique. Les gaz de réaction quittent le réacteur (5) par le conduit (11) isolé et sont injectés à la turbine de détente de gaz (12). Celle-ci est composée du rotor (16), d'aubes fixes (14) et d'aubes mobiles (13). Ces aubes fixes et mobiles sont refroidies à l'air, amené du compresseur (-t), au moyen de conduits internes (17), aubes mobiles, et externes (18), aubes fixes. L'air de refroidissement des aubes est évacué à l'intérieur de la turbine par les orifices (19). Cet air de refroidissement entre en réaction avec les gaz de la turbine et relève la température de ceux-ci, compensant partiellement la chute de température provoquée par la détente à chaque étage. Les gaz détendus quittent la turbine de détente (12) par le conduit (15). Ces gaz ont un potentiel calorifique important et sont consommés, après combustion, dans un appareil extérieur, par exemple chaudière à vapeur ou four industriel (cimenterie par ex). Quant à l'énergie mécanique fournie par la turbine de détente, celle-ci est transférée via un arbre (16) au compresseur (1), qui en consomme une part, et à la machine (20), alternateur ou autre engin mécanique. Le tableau ci-dessous permet de comparer les performances techniques de la turbine à gaz isothermique à oxydation partielle qui fait l'objet de l'invention et une turbine industrielle classique, les deux machines fonctionnant à la même température de gaz et la même pression de compression (optimale) pour les turbines classiques. <Desc/Clms Page number 5> Tableau 1 : comparatif des performances de la turbine à gaz isothermique à oxydation partielle TGIOP P = 14 bars T gaz = 1070 C gaz naturel EMI5.1 <tb> <tb> turbine <SEP> turbine <tb> turbine <SEP> turbine <tb> classique <SEP> TGIOP <SEP> (invent.) <tb> Air <SEP> de <SEP> combustion <SEP> (1) <SEP> 4 <SEP> - <SEP> 4.5 <SEP> 0.65 <SEP> - <SEP> 0.70 <tb> Rapport <SEP> volume <SEP> air/fumées <SEP> (t) <SEP> 0. <SEP> 97 <SEP> - <SEP> 0. <SEP> 98 <SEP> 0. <SEP> 60-0. <SEP> 73 <tb> Puissance <SEP> absorbée <SEP> par <SEP> 0.65 <SEP> 0.40 <tb> le <SEP> compresseur <SEP> (3) <tb> Rendement <SEP> conversion <SEP> énerg. <SEP> (4 <SEP> 0.31 <SEP> 0. <SEP> 35-0. <SEP> 40 <tb> Température <SEP> des <SEP> gaz <SEP> à <SEP> la <SEP> 450-520 C <SEP> 800-1000 C <tb> sortie <SEP> de <SEP> la <SEP> turbine <tb> Température <SEP> des <SEP> gaz <SEP> après <SEP> 450-520 C <SEP> 1200-1300 C <tb> la <SEP> combustion <tb> (1) Quantité d'air de combustion utilisée relative à la quantité utile pour la combustion théorique, (2) Rapport volumétrique des quantités d'air et de gaz brûlés, (3) Rapport entre l'énergie absorbée par le compresseur d'air et celle fournie par la turbine, (4) Rapport entre l'énergie mécanique nette disponible et l'énergie calorifique consommée du combustible ; l'énergie potentielle du gaz sortant turbine étant valorisée à l'extérieur. Ce tableau illustre les avantages de la turbine à gaz suivant l'invention, malgré l'utilisation d'une pression interne non optimale pour cette machine, c'est-à-dire utilisant les équipements de turbine à gaz classiques. Il faut remarquer toutefois la nécessité de valoriser à l'extérieur, par combustion, le contenu calorifique du gaz issu de la turbine. <Desc/Clms Page number 6> La figure 2 illustre des cas pratiques d'utilisation de la turbine à gaz suivant l'invention dans un four industriel ou une chaudière. La turbine à gaz isothermique à oxydation partielle est représentée en (1). Le combustible y est injecté par le conduit (2). La turbine à gaz génère de l'énergie mécanique ou électrique dans la machine (3). Les gaz sortant de la turbine par le conduit (4) ont un contenu énergétique élevé constitué de leur enthalpie (800-10000C) et de leur pouvoir calorifique (35 à 50% de celui du combustible initial). Ces gaz sont brûlés en 5 dans un four ou une chaudière (6). La température de combustion des gaz issus du brûleur (5) peut atteindre 1200 à 1500 C, ce qui autorise d'utiliser la turbine isothermique à gaz à oxydation partielle comme source énergétique pour de nombreuses applications de cogénération à haute température. Le tableau 2 donne à titre d'exemple la mise en oeuvre de turbines à gaz suivant l'invention, associées à une centrale électrique thermique classique, en comparaison avec la même association à une turbine à gaz classique. La centrale électrique choisie est un cycle conventionnel de puissance P et de rendement global énergétique de 40%. Tableau 2 EMI6.1 <tb> <tb> turbine <SEP> isoth. <SEP> à <SEP> turbine <SEP> à <SEP> gaz <tb> oxyd. <SEP> partielle <SEP> classique <tb> Travaux <SEP> d'adaptation <SEP> de <SEP> réduits <SEP> (change-importants <tb> la <SEP> chaudière <SEP> de <SEP> centrale <SEP> ment <SEP> brûleur) <SEP> (économiseurs <tb> conduits) <tb> Retour <SEP> possible <SEP> à <SEP> situation <SEP> sans <SEP> problèmes <SEP> très <SEP> complexe <tb> antérieure <SEP> (chaudière <SEP> seule <tb> Puissance <SEP> cycle <SEP> vapeur <SEP> adapté <SEP> 0. <SEP> 98-0. <SEP> 99 <SEP> P <SEP> 0. <SEP> 85-0. <SEP> 9 <SEP> P <tb> Puissance <SEP> turbine <SEP> à <SEP> gaz <SEP> 0. <SEP> 5-0. <SEP> 6 <SEP> P <SEP> 0. <SEP> 35-0. <SEP> 4 <SEP> P <tb> Puissance <SEP> totale <SEP> 1. <SEP> 5-1. <SEP> 6 <SEP> P <SEP> 1--1. <SEP> 3 <SEP> P <tb> Rendement <SEP> énergétique <SEP> global <SEP> 0. <SEP> 45-0. <SEP> 5 <SEP> 0. <SEP> 42-0. <SEP> 44 <tb> <Desc/Clms Page number 7> Ce tableau montre la supériorité manifeste de la turbine suivant l'invention appliquée à un système énergétique en cogénération. Comme indiqué plus haut, la turbine suivant l'invention peut, seule, être utilisée pour la cogénération à haute température (fluide thermique à plus de 10000C). Les performances de la turbine à gaz isothermique à oxyda- tion partielle indiquées ci-dessus sont celles de machines dérivées de turbines à gaz classiques, notamment calculées pour une pression optimale pour celles-ci. Si l'on modifie la pression de la turbine à gaz suivant l'invention en faisant choix de conditions optimales pour ce procédé, les performances générales sont encore nettement améliorées, sans tenir compte des améliorations obtenues par l'augmen- tation des températures des gaz par la mise au point pro- gressive de matériaux plus performants. Le tableau 3 montre les performances énergétiques de la turbine à gaz isothermique otimalisée. Tableau 3 EMI7.1 <tb> <tb> turbine <SEP> isoth.à <SEP> turbine <tb> oxyd. <SEP> partielle <SEP> classique <tb> optimalisée <tb> Air <SEP> combustion <SEP> (1) <SEP> 1,05 <SEP> (total) <SEP> 4 <SEP> - <SEP> 4.5 <tb> Température <SEP> gaz <SEP> entrée <SEP> 1070 C <SEP> 1070 C <tb> turbine <tb> Pression <SEP> du <SEP> cycle <SEP> (bars) <SEP> 120 <SEP> 14 <tb> Rendement <SEP> énergétique <SEP> 0. <SEP> 39-0. <SEP> 4 <SEP> 0. <SEP> 32-0. <SEP> 33 <tb> Température <SEP> des <SEP> gaz <SEP> sortants <SEP> 900 C <SEP> 500 C <tb> Rendement <SEP> énergétique <SEP> en <SEP> 0. <SEP> 56-0. <SEP> 58 <SEP> xi <SEP> 0.50 <SEP> % <tb> cycle <SEP> combiné <SEP> gaz/vapeur <SEP> (601200 C) <SEP> (52-1200 C) <tb> (1) Quantité d'air de combustion utilisée relative à la quantité utile pour la combustion théorique. Les performances optimales de la turbine suivant l'invention sont donc nettement supérieures à celles de la turbine à gaz classique. Il faut spécialement relever un rendement <Desc/Clms Page number 8> énergétique amélioré de 20% en turbine à gaz seule, et de 14% en cycle combiné. La turbine à gaz suivant l'invention peut être mise en oeuvre également dans le cas d'utilisation de combustibles solides ou liquides lourds chargés d'éléments polluants pour le catalyseur utilisé dans l'oxydation partielle. Dans ce cas, l'on substitue le réacteur d'oxydation par- tielle catalytique par une unité de gazéification sous pression de charbon ou d'huile lourde, techniques exis- tantes. L'air nécessaire à la gazéification est prélevé au compresseur.
Claims (6)
- REVENDICATIONS 1. Turbine à gaz composée d'un compresseur d'air, d'une turbine de détente et d'un générateur de gaz chauds d'oxydation partielle du combustible par l'air fourni par le compresseur, caractérisée en ce que le générateur de gaz chauds est un réacteur d'oxydation partielle réalisant les réactions : EMI9.1 produisant un gaz à température acceptable pour les matériaux de la turbine par réglage relatif des débits de combustible, d'air et de vapeur. Le volume des gaz de réaction, relativement à celui de l'air issu du compresseur, donne un rapport favorable à la puissance utile fournie par la turbine à gaz.
- 2. Turbine à gaz suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le générateur de gaz chauds est garni de catalyseur lors de l'utilisation de combustibles gazeux (gaz naturel, L. P. G. ) et liquides non sulfureux, afin d'optimiser les conditions de la réaction d'oxydation partielle.
- 3. Turbine à gaz suivant les revendications 1 et 2, caractérisée par le refroidissement des aubes fixes et mobiles de la turbine de détente au moyen d'air prélevé en différents points du compresseur. Cet air de refroidissement des aubes de la turbine est évacué à l'intérieur de celle-ci et provoque la combustion d'une partie du gaz détendu en relevant ainsi la température des gaz à un niveau favorable à l'obtention d'une conversion énergétique optimale qui est la détente isothermique.
- 4. Turbine à gaz suivant les revendications 1 à 3, caractérisée par une utilisation favorable des gaz détendus dans un four industriel ou chaudière industrielle, ces gaz <Desc/Clms Page number 10> étant brûlés dans le four ou la chaudière, permettant une valorisation énergétique à haute température.
- 5. Turbine à gaz suivant les revendications 1 à 3, caractérisée par un fonctionnement à très haute pression, de 50 à 150 bars, permettant d'atteindre des performances de conversion énergétique très élevées, soit plus de 40% en usage direct et 60% en cycle combiné.
- 6. Turbine à gaz isothermique à oxydation partielle suivant les revendications 1 à 5, caractérisée par l'emploi de combustibles divers, solides, liquides et gazeux moyennant la mise en oeuvre de gazogènes pour les solides et liquides lourds.
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Also Published As
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| WO1991005946A1 (fr) | 1991-05-02 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RE | Patent lapsed |
Effective date: 20041031 |
|
| RE | Patent lapsed |
Effective date: 20041031 |