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Installation à turbine à gaz pour la production du vent de hauts- fourneaux.
La production de l'air sous pression pour l'entretien de l'activité de hauts-fourneaux appelé vent de hauts-fourneaux est, généralement assuré par des souffleries à piston accouplées directe- ment au moteur à piston alimenté au gaz. De telles installations présentent un bon rendement thermique, mais sont lourdes et encom brantes. Les frais d'établissement et d'amortissement sont par conséquent élevés. Après avoir reconnu que, pour fournir les gran- des masses d'air sous une pression relativement faible, comme c'est le cas pour le vent de hauts-fourneaux, le compresseur rotatif, soit radial, soit axial, était la machine indiquée, on a construit des compresseurs radiaux actionnés par une turbine à vapeur, pour
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fournir le vent de hauts-fourneaux.
La turbine est alimentée en vapeur par une chaudière chauffée au gaz de haut-fourneau. L'en- combrement et le poids d'une telle installation à vapeur sont moin- dres que ceux d'une soufflerie à piston actionnée par un moteur à gaz, mais on n'atteint évidemment pas le bon rendement thermique d'une soufflerie à piston accouplée à un moteur à gaz. L'emploi d'une turbine à gaz pour l'actionnement du compresseur permet de réduire encore l'encombrement car, à la place de l'installation de chaudières et de traitement de l'eau alimentaire on n'a que la cham- bre de combustion beaucoup moins encombrante, tandis que l'instal- lation de condensation peut être complètement supprimée.
Quand le compresseur à vent de haut-fourneau est actionné par une turbine à gaz, on réunit avantageusement le compresseur à vent avec le compresseur d'air nécessaire au fonctionnement de la turbine à gaz. L'air fournissant le vent étant, en règle générale, comprimé moins fortement que celui nécessaire au fonctionnement de la turbine à gaz, on le prélève à un étage de compression inférieur pour le conduire à l'appareil à air chaud qui est alter- nativement réchauffé (chargé) au moyen de gaz de haut-fourneau et refroidi (déchargé) par le vent allant vers le haut-fourneau.
L'inconvénient de cette disposition est l'alimentation séparée en gaz combustibles chauds des appareils à air chaud et de la turbi- ne à gaz. La chaleur encore considérable des gaz brûlés sortant de l'appareil à air chaud est ainsi perdue.
Pour éviter cet inconvénient, on a déjà proposé différents raccordements dont l'un mérite une attention particulière. Dans cette installation connue, le gaz de haut-fourneau et l'air sont brûlés ensemble dans une chambre de combustion, et les gaz brûlés sont additionnés d'air de façon que la température du mélange soit de 900-1000 C. Ces gaz brûlés sont ensuite envoyés dans un appareil à air chaud métallique, dans lequel ils cèdent une partie de leur chaleur au vent venandu compresseur, de façon à entrer dans la tur-
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bine à gaz à une température que la turbine peut supporter. Dans de telles installations, la température du vent ne peut cependant aller que jusqu'à 700 C.
De plus, ces installations ont l'inconvé- nient que la construction de l'appareil à air chaud nécessite des quantités considérables d'acier résistant à la chaleur. On a éga- lement proposé, pour des installations à turbines à gaz, de mettre sous pression des appareils à air chaud de construction usuelle, donc à empilage de briques réfractaires, ce qui permet de réduire sensiblement les dimensions de ces appareils.
Mais il n'est pas possible de satisfaire à la nécessité d'emploi économique d'acier résistant à la chaleur, en remplaçant simplement l'appareil à air chaud métallique par un tel appareil à remplissage de briques ré- fractaires. Les appareils de cette dernière catégorie sont traver- sés alternativement par les gaz de combustion chauds et par l'air sous pression, de sorte que, de deux appareils à air chaud, l'un esten charge, c'est-à-dire traversé par les gaz de combustion, pen- dant que l'autre se décharge, étant traversé par l'air sous pres- sion. De ce fait, la température du gaz à la sortie de l'appareil à air chaud subit des variations périodiques.
Cette température est la plus basse au début de la période de chargement, et elle est la plus élevée à la fin de cette période, c'est-à-dire avant le renver- sement des connexions. Or, les gaz brûlés quittant l'appareil à air chaud ont une température trop basse pour actionner, avec un bon rendement, une turbine à gaz. Mais ils se trouvent encore sous une pression correspondante.
L'invention rend possible l'emploi d'un appareil à air chaud à empilage de briques réfractaires, par le fait que les gaz quittant l'appareil sont additionnés d'une certaine quantité de gaz à température réglable, de sorte que leur température à l'en- trée dans la turbine à gaz reste constante. Ceci nécessite, à côté de l'appareil à air chaud, une chambre de combustion addition- pelle dont la capacité est cependant établie pour des quantités d'air
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beaucoup moindres. Le réglage de la température s'effectue en rap- port avec celle des gaz quittant l'appareil à air chaud de telle façon qu'à mesure que la température de ceux-ci s'abaisse, la quantité des gaz qui brûlent dans la chambre de combustion augmente, pour un débit d'air invariable.
On n'introduit dans la chambre de combustion que la quantité d'air approximativement nécessaire à la combustion de la quantité de gaz. Cette quantité d'air ne corres- pond évidemment pas exactement à la quantité théoriquement nécessai- re. Elle est plutôt déterminée de façon que la quantité de gaz aug- mantée par le réglage décrit ci-après trouve encore toujours une quantité suffisante d'air comburant. Le mélange d'air et de gaz doit, dans tous les cas, être réglé de façon que la température de combustion dans la chambre de combustion soit de 1200 C. ou davan- tage. L'admixtion d'air de refroidissement aux gaz brûlés, normale- ment pratiquée dans les chambres de combustion en vue d'abaisser la température à une valeur acceptable pour la turbine, devient ici superflue.
Par contre, on mélange aux gaz de combustion de la chambre de combustion, des gaz brûlés sortant de l'appareil à air chaud, ou bien on introduit ceux-ci dans la chambre de combustion, de façon connue telle qu'ils se placent, à la manière d'une en- veloppe protectrice, autour de la zone de combustion, protègent les parois de la chambre de combustion contre un échauffement trop intense et se mélangent, plus tard, aux gaz brûlés chauds de la chambre de combustion. Les dimensions de celle-ci sont déterminées de façon que les gaz brûlés provenant de cette chambre, mélangés aux gaz brûlés provenant de l'appareil à air chaud, présentent, en amont de la turbine,une température favorable à la matière dont les aubes sont faites.
Le gaz seul entrant en ligne de compte pour de telles installations, l'arrivée périodiquement variable de la quantité de gaz arrivant dans la chambre de combustion entraînerait une va- riation correspondante de l'arrivée de gaz dans l'appareil à air chaud, si en même temps la vitesse de la turbine à gaz actionnant
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les compresseurs d'air et de gaz restait invariable. La variation de la vitesse de la turbine est cependant à éviter, car cette variai tion modifierait aussi le débit du compresseur d'air. Suivant une des caractéristiques de l'invention, on adjoint par conséquent au compresseur de gaz une conduite de recirculation dans laquelle le gaz passe du côté refoulement au côté aspiration.
La vanne de réglage insérée dans cette conduite est accouplée au dispositif de réglage de l'admission de gaz dans la chambre de combustion de façon qu'à une admission, plus abondante de gaz dans la chambre de combustion corresponde une diminution de la section de passage de la conduite de recirculation, ce qui maintient constants la vitesse et la capacité du compresseur de gaz.
Le dessin annexé représente schematiquement une installa- tion à turbine à gaz conforme à l'invention.
La turbine 1 actionne le compresseur d'air 2 et le com- presseur de gaz 3 A ce groupe est directement accouplé un moteur de démarrage 4. L'air est aspiré en 5, et le gaz en 6. L'air et le gaz comprimés sont envoyés, respectivement par les conduites de refoulement 7 et 8, .vers l'échangeur de chaleur 9 et de là, par les vannes 10 et 11, vers l'appareil à air chaud 12. En aval du préchauffeur d'air 9, des conduites à air 13 et à gaz 14 sont branchées sur les conduites de refoulement et vont vers la chambre de combustion 15. Dans la conduite 14 se trouve la vanne de réglage 16 commandée en fonction de la température des gaz de combustion sortant de l'appareil à air chaud. A l'entrée dans cet appareil l'air et le gaz se mélangent et brûlent.
Les gaz de combustion cèdent une partie de leur chaleur dans l'appareil à air chaud et passent ensuite, par la vanne 17, la conduite 18 et la chambre de combustion 15, vers la turbine 1. Après avoir été partiellement détendus dans la turbine, ces gaz sont conduits, par une conduite de communication 19 avec une vanne 20, vers une turbine 21 qui actionne le compresseur 22 fournissant le vent proprement dit.
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Le compresseur 22 aspire, en 23 de l'air atmosphérique, le comprime et le refoule par la conduite 24 et une vanne 25, dans un deuxième appareil à air chaud 26. De là, l'air s'en va par une vanne 27 et une conduite 28, vers le haut-fourneau 29. Pendant que l'appareil à air chaud 12 est traversé par les gaz de combustion chauds, c'est-à- dire pendant qu'il se charge, l'appareil à air chaud 26 reçoit de l'air sous pression et, par conséquent, se décharge. A la fin de cette période, on renverse la circulation. On ferme les vannes 10, 11, 17, 25 et 27 et l'on ouvre, par contre, les vannes 30, 31 32, - 33 et 34. De ce fait, l'air et le gaz passent de l'échangeur de chaleur 9,par les vannes 32 et 33, dans l'appareil à air chaud 26.
Tout comme précédemment, de l'air et du gaz se mélangent et brûlent c de nouveau à l'entrée dans l'appareil à air chaud 26, pour passer ensuite, par la vanne 34, la conduite 18 et la chambre de combus- tion 15, vers la turbine 1. Les gaz brûlés provenant des appareils à air chaud peuvent aussi contourner la chambre de combustion 15 et se mélanger, en aval de cette chambre, avec les gaz venant de celle-ci. Le vent sous pression quitte alors la conduite de re- foulement 24 par une conduite 35 qui l'envoie, à travers la vanne 30, dans l'appareil à air chaud 12 pour être réchauffé. En quittant l'appareil à air chaud 17, le vent sécoule par la vanne 31 et la conduite 28, vers le haut-fourneau 29.
Les vannes 10, 11, 17, 25, 27 30, 31, 32, 33 et 34 adjointes aux appareils à air chaud 12 et 26,sont donc couplées entre elles. On peut évidemment utiliser, en les raccordant convenablement, plus de deux appareils à air chaud.
Le compresseur de gaz 3 possède une conduite de recircu- lation 36, par laquelle on ramène, d'aval en amont du compresseur, une quantité de gaz réglable à l'aide de la vanne 37. Au commence- ment de la période de chargement de l'appareil à air chaud 12, la température dans la conduite 18 est d'abord relativement basse.
On admet donc dans la chambre de combustion 15, par la vanne 16, une quantité plus grande de gaz. A mesure que le chargement de l'ap-
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pareil à air chaud progresse, la température du gaz dans la conduite 18 augmente. Il faut donc réduire la section de passage de la vanne 16. Par conséquent, la quantité de gaz dérivé par la vanne 16 di- minue. Plus la vanne 16 est étranglée, plus la vanne 37 doit être ouverte. La quantité de gaz moins nécessaire dans la chambre de combustion est donc ramenée, du côté de refoulement au côté d'aspi- ration du compresseur, de sorte que l'appareil à air chaud 12 ou 26 reçoit, par la conduite 8, une quantité pratiquement invariable de gaz.
La vanne de réglage 16 est actionnée en fonction de la températureans la conduite 18, ce qui est indiqué sur le dessin par le tringlage 38 qui relie un organe de commande thermostatique placé dans la conduite 18, à la vanne 16.
Avec les connexions représentées, la turbine 1 reçoit une quantité de gaz moteur qui subit des légères fluctuations périodiques qui, la température du gaz restant invariable, entraînent naturelle- ment une variation périodique analogue de la vitesse de la turbine et une accumulation périodiquement variable de gaz en amont de la turbine.
Quand, dans certains cas, ceci n'est pas acceptable, on insère dans la conduite d'air comprimé 13 une vanne 16a, et l'on adjoint au compresseur 2 une conduite de recirculation 39 avec une vanne de réglage 40 commandée de telle façon qu'une admission crois- sante de gaz à la chambre de combustion 15, en rapport avec l'étran- glement progressif de la vanne 37, s'accompagne d'une diminution de la quantité d'air admis à la chambre de combustion 15, par suite de l'ouverture progressive de la vanne 40, de sorte que le poids total d'air et de gaz reste le même ou approximativement le même,.
Dans ce cas les vannes 16, 16a 37 et 40 sont couplées entre elles et commandées en fonction de la température du gaz dans la conduite 18. Les quantités relatives d'air et de gaz sont déterminées de façon que même dans le cas le plus défavorable, c'est-à-dire en cas d'admission d'un maximum de gaz et d'un minimum d'air, la quan- tité d'air soit encore suffisante pour une bonne combustion.
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Afin de maintenir toujours la même puissance de la tur- bine, on peut, selon l'invention-faire varier périodiquement la quantité de gaz et leur température en amont de la turbine, entre des limites plus étroites que celles des variations qui se pro- duisent à la sortie de l'appareil à air chaud, et en même temps on fait varier, entre des limites étroites correspondantes, la quantité de gaz admis à la chambre de combustion, de sorte que la puissance de la turbine 1, déterminée par la quantité des gaz de combustion et par leur température à l'admission, reste pra- tiquement constante.
Dans l'appareil à air chaud, les gaz de combustion su- bissent une certaine chute de pression. Les quantités d'air et de gaz admis à la chambre de combustion 15 ne subissent pas cette chute de pression et doivent donc être étranglés. Selon une caracté- ristique de l'invention, ces quantités d'air et de gaz peuvent être prélevées, dans un étage inférieur des compresseurs 2 et 3, comme c'est indiqué par les conduites 41 et 42 dessinées en traits in- terrompus. Dans ce cas, les conduites de recirculation 36 et 39 relient simplement les conduites 41 et 42 au côté aspiration des compresseurs 2 et 3.
On peut, enfin, supprimer complètement la turbine 21 et combiner le compresseur de vent 22 avec le compresseur d'air 2, et dans ce cas le vent destiné au haut-fourneau est prélevé à un étage du compresseur qui produit le degré de compression désiré. La disposition représentée sur le dessin présente cepen- dant l'avantage qu'avant l'entrée dans la turbine 21, en aval de la vanne 20, on peut brûler une quantité additionnelle de gaz, de façon à y faire régner la même température qu'à l'entrée de la turbine 1. Ceci a pour effet d'améliorer le rendement de toute l'installation. Le gaz est prélevé à un étage du compres- seur 3 qui correspond à la pression d'admission dans la turbine 21, et est amené à celle-ci par une conduite 43. Une vanne 44
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permet de régler la quantité de gaz.
Quand le débit du compresseur de vent doit être augmentée on ferme partiellement ou complètement les vannes 37 et 40 des con- duites de recirculation 36 et 39, de sorte que des quantités plus grandes d'air et de gaz sont fournies à l'appareil à air chaud. Quand l'accroissement du débit du compresseur doit être très rapide, on peut, en outre, ouvrir plus largement la vanne à gaz 44. Par suite de l'augmentation de la température du gaz à l'entrée de la turbine 21, la puissance de celle-ci augmente.
A la mise en marche de l'installation, on interrompt, à l'aide de la vanne 20, la communication entre les turbines 1 et 21. Les gaz usés quittant la turbine 1 s'échappent, par la vanne 20, à l'atmosphère. On commence par mettre en marche, à l'aide du moteur de démarrage 4, le groupe composé de la turbine 1, du com- presseur d'air 2 et du compresseur de gaz 3 De l'air et du gaz sont admis dans l'appareil à air chaud et y sont brûlés. Quand les gaz brûlés sortant de l'appareil à air chaud atteignent une tempé- rature plus élevée, la turbine 1 gagne progressivement en puissance et le nombre de tours du groupe compresseur augmente, jusqu'à ce qu'on puisse décrocher le moteur de démarrage.
La turbine 21 et le compresseur 22 ne sont mis en service, à l'aide de la vanne 20, que lorsque l'appareil à air chaud 12 est chargé et peut être connecté pour la décharge.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.