Installation motrice comprenant un cycle turbine à vapeur et un cycle turbine à gaz
L'intérêt de ce qu'on appelle les cycles mixtes, c'està-dire les installations motrices comprenant un cycle turbine à vapeur et un cycle turbine à gaz, est bien connu, en particulier pour la production, notamment dans un délai extrêmement court, d'un supplément d'énergie lors des pointes de consommation.
On connaît des installations de ce genre comprenant un cycle turbine à vapeur dont l'eau d'alimentation est réchauffée dans un poste d'eau par des soutirages de vapeur sur la turbine, et un cycle turbine à gaz, et agencée de façon qu'on puisse faire fonctionner soit le cycle vapeur seul en alimentant son dispositif générateur de vapeur en air comburant chauffé dans un réchauffeur d'air, soit les deux cycles ensemble en utilisant comme air comburant du dispositif générateur de vapeur l'excès d'air contenu dans les gaz d'échappement du cycle à turbine à gaz. Dans ces installations l'air de combustion est réchauffé au moyen de vapeur soutirée sur la turbine.
Comme les gaz d'échappement du cycle à turbine à gaz sont à température élevée et que leur débit, compte tenu de l'excès d'air, permet d'assurer en régime de pointe la combustion du combustible alimentant la chaudière, il n'est en général plus nécessaire de souffler ni de réchauffer de l'air de combustion comme en marche normale.
On peut alors laisser en service les soutirages assurant le réchauffage de l'eau d'alimentation, en interrompant les soutirages alimentant le réchauffeur d'air, puisqu'il n'y a plus aucune circulation d'air à travers ces réchauffeurs. La vapeur, qui, ainsi, n'est plus soutirée, reste alors dans le circuit principal de la turbine et se détend dans ce circuit jusqu'au condenseur. I1 en résulte une augmentation de la puissance développée par la turbine à vapeur, qui contribue à satisfaire à la pointe de consommation.
Grâce à cette disposition, la consommation spécifique de l'installation reste, en régime de pointe, très voisine de la consommation réalisée en marche normale.
L'invention a pour objet une installation motrice telle que celle qui est décrite ci-dessus, c'est-à-dire comprenant un cycle turbine à vapeur, dont l'eau d'alimentation est réchauffée dans un poste d'eau par des soutirages de vapeur, et un cycle turbine à gaz et agencée de façon qu'on puisse faire fonctionner soit le cycle vapeur seul en alimentant son dispositif générateur de vapeur en air comburant chauffé dans un réchauffeur d'air, soit les deux cycles ensemble en utilisant comme air comburant du dispositif générateur de vapeur l'excès d'air contenu dans les gaz d'échappement du cycle turbine à gaz, caractérisée en ce que le réchauffeur d'air comprend au moins un échangeur de chaleur utilisant comme fluide chauffant de l'eau chaude provenant du poste d'eau, et par une vanne permettant d'interrompre l'alimentation en eau chaude dudit échangeur de chaleur.
Cette disposition permet, en régime normal, de conserver le principe du réchauffage de l'air par prélèvement de vapeur de soutirage, ceci par l'intermédiaire de l'eau réchauffée, et permet de conserver les avantages qui en résultent au point de vue du rendement.
Si les gaz d'échappement de la turbine à gaz ne contiennent pas suffisamment d'oxygène pour assurer la fourniture convenable de comburant à la chaudière, l'installation pourra être agencée de façon qu'un complément d'air comburant puisse être fourni à la chaudière à travers le réchauffeur d'air. Le débit d'eau chaude envoyé dans celui-ci pourra alors être réduit, en régime de pointe, au moyen de la vanne de réglage.
L'installation selon l'invention présente un certain nombre d'autres avantages, notamment par la simplification qu'elle permet de réaliser dans la conception, le montage et l'exploitation du matériel.
En effet, dans cette installation on peut au moins en partie supprimer les canalisations de vapeur qui, dans les installations connues mentionnées ci-dessus, vont du dispositif de soutirage, prévu sur la turbine à vapeur, au réchauffeur d'air, ainsi qu'à la suppression des tuyauteries de retour de purge du réchauffeur d'air vers le poste d'eau.
D'autre part, I'eau chaude assurant le réchauffage de l'air est un fluide beaucoup plus facile à véhiculer que la vapeur de soutirage; autrement dit, les canalisations d'eau chaude sont d'une réalisation plus simple que celle des conduites de la vapeur soutirée.
De plus, l'installation selon l'invention offre des facilités nouvelles en ce qui concerne la disposition du réchauffeur d'air. En général, quand on utilise de la vapeur pour réchauffer l'air, il est préférable que les tubes de vapeur des échangeurs du réchauffeur soient verticaux, ce qui oblige à prévoir pour l'air un circuit horizontal. Dans le réchauffeur d'air de l'installation selon l'invention, les tubes conduisant l'eau chaude des échangeurs peuvent, au contraire, être aussi bien verticaux qu'horizontaux, voire inclinés, ce qui apporte de grandes facilités dans les dispositions de l'installation et dans le tracé des gaines d'air.
Dans l'installation selon l'invention, on évite aussi l'inconvénient, propre aux réchauffeurs d'air à vapeur, qui consiste en ce que, dans un échangeur à basse pression, où la vapeur est en dépression par rapport à l'air, de l'air passe, en cas de fuites, dans le circuit de vapeur, ce qui, en général, est très difficile à déceler et oblige finalement à effectuer des réparations souvent longues, pendant lesquelles l'installation est indisponible.
Avec un réchauffeur d'air chauffé par de l'eau, l'eau à l'intérieur des tubes de l'échangeur pourra au contraire être maintenue sous pression, sans qu'une légère fuite d'eau éventuelle vers le circuit d'air conduise à une indisponibilité de l'installation motrice.
Du fait que, dans l'installation selon l'invention, l'air est réchauffé dans le réchauffeur d'air au moins en partie avec de l'eau chaude et non pas avec de la vapeur qui se condense, on a une plus grande liberté quant au choix du nombre des échangeurs du réchauffeur d'air, ce qui permet un meilleur agencement des passages d'air et une diminution des vitesses et des pertes de charge.
L'installation selon l'invention pourrait comprendre une chaudière alimentée en air primaire et en air secondaire réchauffés séparément dans des réchauffeurs distincts pourvus d'échangeurs alimentés séparément par de l'eau chaude fournie par le poste d'eau. Une telle disposition est rendue possible par la souplesse d'exploitation due à l'utilisation de l'eau comme fluide intermédiaire. Dans une telle installation un ventilateur d'air primaire pourrait être alimenté en air froid, diminuant ainsi la consommation d'énergie de ce ventilateur.
Le dessin représente schématiquement à titre d'exemple une forme d'exécution de l'installation selon l'invention.
L'installation comprend une chaudière, non représentée, alimentée en eau par une pompe 11 et en air comburant Sa par un réchauffeur d'air 5, fournit de la vapeur à une turbine 1 pourvue d'un condenseur 2, et entraînant un alternateur la. L'installation comprend d'autre part un groupe turbine à gaz, non représentée, entraînant un autre alternateur, et mis en marche en régime de pointe. L'agencement est tel qu'en régime de pointe, les gaz d'échappement du groupe turbine à gaz soient envoyés dans la chaudière au lieu et place de l'air comburant.
Le poste d'eau 3 dans lequel a lieu le réchauffage de l'eau d'alimentation de la chaudière, comprend des échangeurs 3a, 3b, 3c, etc., alimentés en vapeur de chauffage par des soutirages de vapeur (non représentés) pris sur la turbine 1.
Le circuit 3 de réchauffage de l'eau se continue par un dégazeur 10 d'où la pompe d'alimentation 11 renvoie l'eau à la chaudière (non représentée).
En un point du circuit du poste d'eau 3 une dérivation 4 permet de prélever une certaine quantité d'eau chaude qui, envoyée à l'échangeur du réchauffeur d'air 5, sert au réchauffage de l'air de combustion 5a de la chaudière. Dans ces échangeurs, I'eau se refroidit, puis on la réintroduit en 6, dans le circuit 3. Une vanne 4b permet de couper le prélèvement d'eau chaude en régime de pointe, puisqu'il n'est plus nécessaire de chauffer de l'air comburant quand on envoie dans la chaudière les gaz d'échappement de la turbine à gaz.
Afin de pouvoir porter l'eau destinée aux échangeurs du réchauffeur 5 à une température plus élevée que celle à laquelle l'eau se trouve au point de dérivation 4, un échangeur 8 est intercalé dans la conduite d'eau 4a, entre la dérivation 4 et les échangeurs du réchauffeur 5. Cet échangeur est alimenté en vapeur de chauffage saturée à pression plus élevée fournie par un désurchauffeur 7.
Le désurchauffeur 7 reçoit par le tuyau 7a de la vapeur très surchauffée, en provenance d'un soutirage de la turbine; cette vapeur s'y désurchauffe en produisant par vaporisation de la vapeur saturée à une pression plus élevée que celle du soutirage. Dans le tuyau 7b passe de la vapeur désurchauffée qui se rend au dégazeur. Dans le tuyau 7c la vapeur saturée va du désurchauffeur 7 au réchauffeur d'eau 8.
Le point de dérivation 4 pourrait aussi, par exemple, être situé entre deux échangeurs du circuit du poste d'eau 3. Le choix de ce point de dérivation permet une adaptation de la température de l'eau chaude entre certaines limites.
Le réchauffeur d'air 5 peut être disposé indifféremment avec son axe en position horizontale, verticale ou même oblique.
Lors du fonctionnement en régime de pointe, le débit d'eau qui passe dans les échangeurs 3b, 3c, etc. du poste d'eau 3 est plus faible qu'en régime normal, du moment que l'alimentation en eau chaude du réchauffeur d'air 5 est alors interrompue par la vanne 4b et que la pompe 12 du poste d'eau n'est plus utilisée à son plein débit. On peut alors utiliser le débit de la pompe 12, devenu disponible de ce fait, pour alimenter un circuit 9a de refroidissement des compresseurs d'air de la turbine à gaz, qui sont représentés schématiquement en 9.
Pour le cas où, en régime de pointe, les gaz d'échappement de la turbine à gaz ne suffiraient pas pour assurer la fourniture convenable de comburant à la chaudière, l'installation pourrait être agencée de manière que l'on puisse envoyer de l'air de complément à la chaudière par le réchauffeur 5. Dans ce cas, le débit d'eau envoyé aux échangeurs du réchauffeur 5 sera réglé au moyen de la vanne 4b, par exemple de façon que l'eau sortant des échangeurs du réchauffeur S soit sensiblement à la même température que l'eau sortant du réchauffeur 3a.
Dans une variante, I'installation pourrait être agencée de façon qu'une partie seulement de l'air envoyé dans le foyer de la chaudière soit réchauffé par des échangeurs de chaleur à eau chaude. Dans ce cas, on montera de préférence ces échangeurs dans les parties du circuit du poste d'eau correspondant à des points de soutirage où, si on utilisait des réchauffeurs d'air chauffés à la vapeur, cette dernière serait à une pression si basse qu'elle se trouverait en dépression par rapport à l'air en cours de réchauffage.