EP0188183A1 - Procédé et dispositif de récupération de l'énergie thermique des gaz brûlés dans des centrales thermiques - Google Patents

Procédé et dispositif de récupération de l'énergie thermique des gaz brûlés dans des centrales thermiques Download PDF

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EP0188183A1
EP0188183A1 EP85870007A EP85870007A EP0188183A1 EP 0188183 A1 EP0188183 A1 EP 0188183A1 EP 85870007 A EP85870007 A EP 85870007A EP 85870007 A EP85870007 A EP 85870007A EP 0188183 A1 EP0188183 A1 EP 0188183A1
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EP
European Patent Office
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burnt gases
evaporators
recuperators
steam
boiler
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André Jules Paquet
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Hamon Sobelco SA
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Hamon Sobelco SA
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Priority to US06/757,623 priority patent/US4617878A/en
Priority to ZA86135A priority patent/ZA86135B/xx
Priority to AU52214/86A priority patent/AU579701B2/en
Priority to JP61004421A priority patent/JPS61211607A/ja
Priority to CA000499746A priority patent/CA1260341A/fr
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D3/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium flows in a continuous film, or trickles freely, over the conduits
    • F28D3/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium flows in a continuous film, or trickles freely, over the conduits with tubular conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/34—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating
    • F01K7/40—Use of two or more feed-water heaters in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D1/00—Feed-water heaters, i.e. economisers or like preheaters
    • F22D1/40—Combinations of exhaust-steam and smoke-gas preheaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
    • F28D21/001—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases for thermal power plants or industrial processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/062—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing tubular conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0061—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for phase-change applications
    • F28D2021/0064—Vaporizers, e.g. evaporators

Definitions

  • the present invention relates to a process for recovering thermal energy from burnt gases, more particularly in thermal power stations.
  • the invention also relates to the device for implementing the method and in particular to a new industrial device hereinafter abbreviated as "recuperator-evaporator” intended for the recovery of thermal energy, also called sensible heat, from the gases resulting from the combustion of fossil fuels (natural gas, coal, lignite, ...) from thermal power plants, abbreviated as “burnt gases”, by its transfer to condensers from heaters, condensates which are evaporated.
  • recuperator-evaporator intended for the recovery of thermal energy, also called sensible heat, from the gases resulting from the combustion of fossil fuels (natural gas, coal, lignite, 7) from thermal power plants, abbreviated as “burnt gases”, by its transfer to condensers from heaters, condensates which are evaporated.
  • thermo power station should be understood to mean any installation for converting thermal energy into mechanical energy by means of condensable fluid performing a thermodynamic cycle, in particular thermal fossil fuel power stations.
  • FIG. 1 represents the diagram of a conventional thermodynamic cycle of a power plant, the turbine driving an electric generator not shown.
  • the complete water cycle is shown. It passes successively into the boiler (CH) where it is successively heated until boiling, vaporized and superheated; it then relaxes in the turbine "high pressure” (THP), then is reheated (RS), then expands in the “low pressure” turbine (TBP), then condenses in the condenser (C), hence the water extraction pump from the condenser sends it to successive "low pressure” heaters (RI, R2, R3 and R4) where it is heated by steam drawn from the turbine (TBP).
  • the water then arrives at the degasser (DG) then at the food tank (B), at the outlet of which the food pump (PA) brings it to the high pressure of the cycle and returns it to the boiler after passage through the three heaters successive "high pressure" (R6, R7 and R8).
  • Patent EP 0 032 641 shows in its figures 1 and 3 such parts of the cycle.
  • the invention also relates to the cycle of burnt gases.
  • Figure 2 shows schematically the combustion gas circuit.
  • Atmospheric air for example at 20 ° C, enters the air heater (RA) where it is heated, for example to 285 ° C, by the burnt gases; it then enters the boiler (CH) where it burns the fuel and exits in the form of burnt gases (GB), for example at 330 ° C, to enter the air heater; these burnt gases are cooled there by atmospheric air (A) which they heat, then are discharged into the atmosphere.
  • RA air heater
  • CH boiler
  • GB burnt gases
  • the temperature of the burnt gases is 120 ° C.
  • the temperature of the burnt gases discharged to the atmosphere is between 115 ° C and 185 ° C. A significant amount of energy is thus lost, corresponding to the sensible heat of the burnt gases.
  • the temperature of the burnt gases leaving the heater is conditioned by several factors.
  • the air heater being a gas / gas exchanger, has poorer exchange coefficients than those where a fluid is liquid or those where a fluid changes state; taking into account the large variations in air temperature at the passage of the exchanger, of the order of 150 to 250 degrees Celsius, the air heater is a large device whose cost would be prohibitive if it had to modify (respectively raise and lower) the temperature of the air flows even more to substantially reduce energy loss.
  • Another element to take into consideration is the draft of the chimney rejecting the burnt gases to the atmosphere; a high temperature is favorable to the draft of the chimney (reduction in the blowing power of the air) and to the dispersion of the burnt gases in the atmosphere.
  • Patent FR 2,534,150 describes an installation for desulfurization of burnt gases where these gases are previously cooled to around 80 ° C. in a heat exchanger which, after desulfurization, heats them up to send them to the chimney.
  • reheating desulfurized burnt gases is not essential; the chimney and its fan can be sized for relatively cold gases; it is also possible to reject these burnt gases by means of atmospheric refrigerants with natural draft, which can disperse the burnt gases in the atmosphere much more advantageously with regard to the protection of the environment. than conventional chimneys of power plants.
  • Patent DE 24 53 488 relates to the rejection of burnt gases purified by natural draft cooling towers.
  • the invention aims to recover the sensitive energy of the burnt gases, between 115 to 185 ° C, between their exit from the air heater and the dust collector and their entry into the desulfurization installation or their rejection to the chimney.
  • the sensitive energy of the burnt gases between 115 to 185 ° C, between their exit from the air heater and the dust collector and their entry into the desulfurization installation or their rejection to the chimney.
  • it is not limited to this single particular application.
  • FIG. 3 represents the part of the cycle of FIG. 1 comprising the "low pressure" heaters (Rlà R4) where recuperators-evaporators according to the invention have been incorporated, in this case three devices: RE1, RE2 and RE3.
  • These recuperators-evaporators are steel boxes containing a bundle of tubes. The tubes are internally traversed by the burnt gases which pass successively in RE3, RE2 and RE1 while cooling.
  • the REs also receive a fraction of the condensates from the heaters (Rl, R2, R3) and evaporate them on contact tubes through which the burnt gases pass; the steam formed is returned to the heaters from which the condensates came.
  • RE3 is associated with R3, RE2 with R2 and RE1 with R1, and the burnt gases arrive from the air heater (RA) at 180 ° C.
  • recuperators-evaporators therefore transfer thermal energy to the heaters essentially in the form of latent heat of evaporation. This supply of energy by the burnt gases results in a reduction in the withdrawal of steam from the turbine for the heater associated with the recovery-evaporator.
  • thermodynamic cycle The efficiency of the thermodynamic cycle is thus improved from 1 to 1.5%.
  • recuperators-evaporators can be placed in the cycle of FIG. 1, as shown in FIG. 4.
  • the injection of the residual energy of the gases burned in the cycle water will be done in a staggered fashion, in as many stages as there are heaters, the energy injection taking place at a level relatively low in temperature than the burnt gases, the hottest burnt gases being associated with the hottest condensate, the coldest burnt gas, with the coldest condensate.
  • the first heater (s) from the condenser are not coupled with a recuperator-evaporator, in particular because the heat exchange would be too low, as mentioned above; as the thermodynamic gain is lower the lower the temperature and the pressure at the heater, the economic interest in the placement of recuperator-evaporator decreases when one approaches the condenser, and could no longer justify the installation a recuperator-evaporator.
  • lowering the temperature of the burnt gases below the acid dew point could lead to the use of more expensive materials, leading to investment costs which would no longer be offset by the reduction in costs. production due to the improvement of the cycle efficiency by a recuperator-evaporator where the temperature of the burnt gases would drop below the dew point.
  • recuperators-evaporators are related to that of evaporators.
  • Figures 5 and 6 show in section, respectively parallel to the length and perpendicular to the length, a recuperator-evaporator.
  • This device consists externally of a cylindrical box with a horizontal axis, consisting of a ferrule 1 and two bottoms 2 and 3. These bottoms together with the tube plates 4 and 5 determine the "smoke boxes" 6 and 7. In 6 the burnt gases (GB) arrive at the recuperator-evaporator; in 7, they come out.
  • GB burnt gases
  • the tube plates 4 and 5 are interconnected by the "smoke tubes" 8, allowing the sealed passage of the burnt gases from the smoke box 6 to the smoke box 7.
  • the diameter of the tubes will generally be between 25 and 100 mm, for example 1 "1/2.
  • the tubes are grouped in superimposed layers, for example twenty-five layers of thirty-five tubes, inscribed, in section according to FIG. 6, in a rectangle.
  • the parallelepipedic bundle of tubes 8 is closed laterally by partitions 9 and 10, and is surmounted by a distribution tank 11 the bottom of which is pierced with a multitude of holes ensuring watering of the tubes 8 by water, partial condensate a heater, arriving at the top of the box through the orifice 12.
  • a pump 13 takes the condensate from the bottom of the recuperator-evaporator and recycles it through this device.
  • the materials constituting the elements in contact with water (condensates and steam), that is to say the ferrules 1, the partitions 9 and 10, the tank 11, the internal structural elements (supports, spacers,. ..) are similar to those used for heaters, especially for example steel.
  • the tubes 8 and the tube plates 4 and 5 they must be able to withstand on one side the aggressiveness of the burnt gases.
  • Their material may be the same material as that of the partitions; but if the burnt gases are particularly corrosive, their material may be even more noble, such as stainless steel or a nickel-based alloy.
  • the tubes could be made of ceramic material, for example, or glass or fluorinated organic polymer.
  • the material tubes and plates can also be composite, for example stainless steel covered with a layer of polytetrafluoroethylene, internally for the tubes, and on the face of the smoke boxes for the tube plates.
  • the smoke boxes could possibly be covered internally with a resin, an organic polymer, protecting their metal walls against corrosion by burnt gases.
  • the recuperator-evaporator When the temperature of the burnt gases is lowered below the dew point, the recuperator-evaporator has the advantage of partially desulfurizing the burnt gases.
  • the external face of the tubes being in contact with a fluid having an intense phase change, in this case an evaporation in boiling form, the corresponding coefficients of heat transfer are excellent, better than with a gas and better than with a liquid.
  • This feature of the heat exchange significantly reduces the dimensions of the device compared, in particular, to a gas / gas exchanger such as the air heater.
  • the heat transmission on the internal face of the tubes it can be increased, for example, by an internal fin, increasing the contact surface and the turbulence of the gases.
  • the fluid in contact with the gas burned through the walls of the tubes is at a relatively high temperature, that of the condensates of the heaters, much higher than that of the ambient air, and that, consequently, the phenomena condensation on a cold wall are reduced or even avoided.
  • the power gain is of the order of magnitude of 1.5 MW at the shaft of the turbine, the latter driving a generator delivering on the electrical network 125 MW.
  • the gain is 0.35 MW at the turbine shaft.
  • recuperators-evaporators can be integrated into a single device, with a smoke box 18 common to the two recuperators-evaporators located between them.
  • FIG. 7 represents such a variant integrating two recuperators-evaporators.
  • the invention has been illustrated by an apparatus designed according to usual techniques, but the patent should cover other types of embodiments of heat recovery from burnt gases by evaporation of condensates from heaters.

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Abstract

Le condensat de vapeur provenant de la vapeur utilisée pour réchauffer l'eau admise à la chaudière dans des réchauffeurs (R1...R4) est revaporisé par le contact d'échange thermique avec les gaz brûlés provenant de la chaudière (CH), dans des récupérateurs-évaporateurs (RE1...RE3). La vapeur ainsi formée est recyclée pour contribuer au réchauffage de l'eau admise à la chaudière. L'invention s'applique en particulier aux centrales électriques thermiques à turbine à vapeur.

Description

  • La présente invention concerne un procédé de récupération d'énergie thermique des gaz brûlés, plus particulièrement dans des centrales thermiques.
  • L'invention se rapporte également au dispositif pour la mise en oeuvre du procédé et notamment à un nouvel appareil industriel appelé ci-après en abrégé "récupérateur-évaporateur" destiné à la récupération d'énergie thermique, dite aussi chaleur sensible, des gaz résultant de la combustion de combustibles fossiles (gaz naturel, charbon, lignite,...) de centrales thermiques, en abrégé "gaz brûlés", par son transfert à des condensats de réchauffeurs, condensats qui sont évaporés.
  • Par centrale thermique, il faut entendre toute installation de transformation d'énergie thermique en énergie mécanique au moyen de fluide condensable effectuant un cycle thermodynamique, en particulier les centrales électriques thermiques à combustible fossile.
  • L'état connu de la technique ou art antérieur est représenté aux figures 1 et 2.
  • La figure 1 représente le schéma d'un cycle thermodynamique classique d'une centrale électrique, la turbine entraînant un générateur électrique non représenté. Le cycle complet de l'eau y est représenté. Elle passe successivement dans la chaudière (CH) où elle est successivement chauffée jusqu'à ébullition, vaporisée et surchauffée ; elle se détend ensuite dans la turbine "haute pression" (THP), puis est resurchauffée (RS), puis se détend dans la turbine "basse pression" (TBP), puis se condense dans le condenseur (C), d'où la pompe d'extraction d'eau du condenseur l'envoie dans les réchauffeurs "basse pression" successifs (RI, R2, R3 et R4) où elle est réchauffée par de la vapeur soutirée de la turbine (TBP).
  • L'eau arrive alors au dégazeur (DG) puis à la bâche alimentaire (B), à la sortie de laquelle la pompe alimentaire (PA) la porte à la haute pression du cycle et la renvoie à la chaudière après passage dans les trois réchauffeurs "haute pression" successifs (R6, R7 et R8).
  • La partie du cycle à laquelle l'invention se,rapporte est essentiellement celle des réchauffeurs "basse pression". Le brevet EP 0 032 641 représente en ses figures 1 et 3 de telles parties du cycle.
  • L'invention concerne également le cycle des gaz brûlés.
  • La figure 2 représente schématiquement le circuit des gaz de combustion.
  • L'air atmosphérique (A), par exemple à 20°C, pénètre dans le réchauffeur d'air (RA) où il est réchauffé, par exemple à 285°C, par les gaz brûlés ; il pénètre alors dans la chaudière (CH) où il brûle le combustible et sort sous forme de gaz brûlés (GB), par exemple à 330°C, pour pénétrer dans le réchauffeur d'air ; ces gaz brûlés y sont refroidis par l'air atmosphérique (A) qu'ils réchauffent, puis sont rejetés à l'atmosphère.
  • Correspondant avec les températures précédentes données à titre d'exemple, la température des gaz brûlés est de 120°C. En pratique la température des gaz brûlés rejetés à l'atmosphère est comprise entre 115°C et 185°C. Une quantité d'énergie non négligeable est ainsi perdue,correspondant à la chaleur sensible des gaz brûlés.
  • La température des gaz brûlés à la sortie du réchauffeur est conditionnée par plusieurs facteurs. Le réchauffeur d'air étant un échangeur gaz/gaz,a de moins bons coëfficients d'échange que ceux où un fluide est liquide ou ceux où un fluide change d'état ; compte tenu des grandes variations de température de l'air au passage de l'échangeur, de l'ordre de 150 à 250 degrés Celsius, le réchauffeur d'air est un grand appareil dont le coût serait prohibitif s'il devait modifier (respectivement élever et abaisser) encore beaucoup plus la température des flux d'air pour réduire substantiellement la perte d'énergie.
  • C'est toutefois la prise en considération des phénomènes de condensation d'eau, éventuellement acidifiée par les oxydes de soufre résultant de la combustion de combustibles soufrés, dans les gaz brûlés qui déterminera la température minimale admissible pour les gaz brûlés. Cette condensation est évitée essentiellement à cause des dangers de corrosion et du coût du réchauffeur s'il devait être réalisé en matériaux spéciaux résistant à l'acide sulfurique. Dans les réchauffeurs d'air les phénomènes de condensation sur parois froides sont favorisés par la basse température de l'air ambiant y entrant, dont la température est nettement inférieure au point de rosée des gaz brûlés; ce point de rosée est fonction de l'humidité des gaz brûlés qui, elle, dépend de la teneur en hydrogène du combustible ; il se situe dans de nombreux cas entre 60 et 70°C. La présence d'oxydes de soufre élève toutefois ce point de rosée. Compte tenu de ce phénomène de condensation sur parois froides, la température moyenne des gaz brûlés sortants doit être nettement supérieure au point de rosée théorique.
  • Un autre élément à prendre en considération est le tirage de la cheminée rejetant les gaz brûlés à l'atmosphère ; une température élevée est favorable au tirage de la cheminée (diminution de la puissance de soufflage de l'air) et à la dispersion des gaz brûlés dans l'atmosphère.
  • D'autre part, les contraintes relatives à la protection de l'environnement conduisent actuellement à désulfurer (partiellement) les gaz brûlés, afin essentiellement de réduire l'acidité des pluies.
  • Les procédés courants de désulfuration consistent à laver les gaz brûlés par des solutions chimiques ; il est souhaitable pour cette opération que les gaz brûlés n'entrent pas à température trop élevée (notamoent celle à la sortie des réchauffeurs d'air) dans l'installation de désulfuration. Le brevet FR 2.534.150 décrit une installation de désulfuration de gaz brûlés où ces gaz sont préalablement refroidis à environ 80°C dans un échangeur de chaleur qui, après désulfuration, les réchauffe pour les envoyer à la cheminée. Mais le réchauffage des gaz brûlés désulfurés n'est pas indispensable ; on peut dimensionner la cheminée et sa soufflante pour des gaz relativement froids ; on peut aussi rejeter ces gaz brûlés par l'intermédiaire des réfrigérants atmosphériques à tirage naturel, qui peuvent disperser les gaz brûlés dans l'atmosphère beaucoup plus avantageusement vis-à-vis de la protection de l'environnement que les cheminées classiques de centrales électriques. Le brevet DE 24 53 488 concerne le rejet des gaz brûlés épurés par les tours de réfrigération à tirage naturel.
  • L'invention vise à récupérer l'énergie sensible des gaz brûlés, entre 115 à 185°C, entre leur sortie du réchauffeur d'air et du dépoussiéreur et leur entrée dans l'installation de désulfuration ou leur rejet à la cheminée. Elle n'est toutefois pas limitée à cette seule application particulière.
  • Son but est également de pallier aux inconvénients limitant la température des gaz brûlés à la sortie des réchauffeurs d'air et d'obvier aux phénomènes de condensation sur parois froides et à la nécessité des grandes surfaces d'échange que requièrent les échangeurs gaz/gaz.
  • Ces buts sont atteints par l'invention telle que définie dans les revendications reprises à la fin de cette description.
  • La figure 3 représente la partie du cycle de la figure 1 comprenant les réchauffeurs "basse pression" (Rlà R4) où des récupérateurs-évaporateurs selon l'invention ont été incorporés, en l'occurrence trois appareils : RE1, RE2 et RE3. Ces récupérateurs-évaporateurs sont des caissons en acier contenant un faisceau de tubes. Les tubes sont parcourus intérieurement par les gaz brûlés qui passent successivement dans RE3, RE2 et RE1 en se refroidissant.
  • Les RE reçoivent d'autre part une fraction des condensats de réchauffeurs (Rl, R2, R3) et les évaporent au contact des tubes parcourus par les gaz brûlés ; la vapeur formée est renvoyée aux réchauffeurs d'où provenaient les condensats.
  • Dans l'exemple représenté à la figure 3, RE3 est associé à R3, RE2 à R2 et RE1 à Rl, et les gaz brûlés arrivent du réchauffeur d'air (RA) à 180°C.
  • Les récupérateurs-évaporateurs transfèrent donc l'énergie thermique aux réchauffeurs essentiellement sous forme de chaleur latente d'évaporation cet apport d'énergie par les gaz brûlés entraîne une réduction des prélèvements de vapeur à la turbine pour le réchauffeur associé au récupérateur-évaporateur.
  • Un plus grand débit de vapeur est dès lors disponible à la turbine pour s'y détendre en convertissant son énergie interne en travail mécanique. Les quantités de vapeur prélevées pour les réchauffeurs Rl, R2 et R3 mentionnées à la figure 3 sont effectivement substantiellement plus faibles que celles mentionnées à la figure 1.
  • Le rendement du cycle thermodynamique est ainsi amélioré de 1 à 1,5 %.
  • Si les gaz à la sortie du réchauffeur d'air ne sont qu'à 120°C, on ne pourra placer dans le cycle de la figure 1 que deux récupérateurs-évaporateurs, comme représenté à la figure 4.
  • Ce sont les températures de condensation dans les réchauffeurs et la température des gaz brûlés qui déterminent le choix des réchauffeurs qui peuvent être associés à des récupérateurs-évaporateurs.
  • De préférence, l'injection de l'énergie résiduelle des gaz brûlés à l'eau du cycle se fera de façon étagée, en autant d'étapes qu'il y a de réchauffeurs, l'injection d'énergie se faisant à un niveau de température relativement peu inférieur à celui des gaz brûlés, les gaz brûlés les plus chauds étant associés aux condensats les plus chauds, les gaz brûlés les plus froids, aux condensats les plus froids.
  • Dans la succession des réchauffeurs considérée du condenseur à la chaudière, il y a un réchauffeur à partir duquel l'association n'est plus possible parce que la température de ses condensats est proche ou supérieure à celle des gaz brûlés, rendant impossible le transfert d'énergie thermique des gaz brûlés vers les réchauffeurs.
  • Dans la succession des réchauffeurs, il est possible qu'un réchauffeur ne soit pas associé à un récupérateur-évaporateur, alors que le réchauffeur précédent et le réchauffeur suivant le soient; ce sera essentiellement le cas lorsque l'échange calorifique prévu à ce réchauffeur est trop faible pour que le gain capitalisé d'énergie dû à l'amélioration du rendement thermodynamique du cycle compense les frais d'investissement d'un récupérateur-évaporateur.
  • Enfin il est possible que le ou les premiers réchauffeurs à partir du condenseur ne soient pas couplés avec un récupérateur-évaporateur, notamment parce que l'échange calorifique serait trop faible, comme cité plus haut; comme le gain thermodynamique est d'autant plus faible que la température et la pression sont basses au réchauffeur, l'intérêt économique au placement de récupérateur-évaporateur diminue lorsqu'on se rapproche du condenseur, et pourrait ne plus justifier l'installation d'un récupérateur-évaporateur. D'autre part, l'abaissement de la température des gaz brûlés en dessous du point de rosée acide pourrait conduire à l'emploi de matériaux plus coûteux, conduisant à des frais d'investissement qui ne seraient plus compensés par la réduction des frais de production due à l'amélioration du rendement du cycle par un récupérateur-évaporateur où la température des gaz brûlés descendrait en dessous du point de rosée. L'invention s'applique également aux cas où tous les réchauffeurs sont à la même pression du côté eau, aux pertes de charge près ; dans ces cas il n'y a qu'une seule pompe P située à la sortie du condenseur et il n'y a plus de distinction entre réchauffeurs "basse pression" et réchauffeurs "haute pression". La technologie des récupérateurs-évaporateurs est apparentée à celle des évaporateurs. Les figures 5 et 6 représentent en coupe, respectivement parallèlement à la longueur et perpendiculairement à la longueur, un récupérateur-évaporateur.
  • Cet appareil est constitué extérieurement d'un caisson cylindrique à axe horizontal, constitué d'une virole 1 et de deux fonds 2 et 3. Ces fonds déterminent avec les plaques à tubes 4 et 5 les "boîtes à fumées" 6 et 7. En 6 arrivent les gaz brûlés (GB) au récupérateur-évaporateur ; en 7, ils en sortent.
  • Les plaques à tubes 4 et 5 sont reliées entre elles par les "tubes de fumée" 8, permettant le passage étanche des gaz brûlés de la boîte à fumée 6 à la boite à fumée 7. Le diamètre des tubes sera généralement compris entre 25 et 100 mm, par exemple 1" 1/2.
  • Les tubes sont groupés en nappes superposées, par exemple vingt-cinq nappes de trente-cinq tubes, s'incrivant, en coupe selon la figure 6, dans un rectangle.
  • Le faisceau parallélépipédique de tubes 8 est fermé latéralement par des cloisons 9 et 10, et est surmonté par un bac de distribution 11 dont le fond est percé d'une multitude de trous assurant l'arrosage des tubes 8 par l'eau, condensat partiel d'un réchauffeur, arrivant au sommet du caisson par l'orifice 12.
  • Au contact des tubes 8 chauffés intérieurement par les gaz brûlés (GB) l'eau s'évapore partiellement et la vapeur formée s'échappe par les orifices 16 et 17 situés au-dessus du niveau d'eau 14, ajusté par la vanne 15.
  • Afin d'assurer un débit d'arrosage suffisant, une pompe 13 prélève les condensats au bas du récupérateur-évaporateur et les recycle à travers cet appareil.
  • Les matériaux constituant les éléments en contact avec l'eau (condensats et vapeur), c'est-à-dire les viroles 1, les cloisons 9 et 10, le bac 11, les éléments internes de structure (supports, pièces intercalaires, ...) sont semblables à ceux utilisés pour les réchauffeurs, notamment par exemple l'acier.
  • Quant aux tubes 8 et aux plaques à tubes 4 et 5, ils doivent pouvoir supporter sur une face l'agressivité des gaz brûlés. Leur matériau pourra être le même matériau que celui des cloisons ; mais si les gaz brûlés sont particulièrement corrosifs, leur matériau pourra être plus noble encore, tel l'acier inoxydable ou un alliage à base de nickel.
  • Si les gaz sont très agressifs et présentent des phénomènes de condensation de solutions acides, les tubes pourraient être en matériau céramique, par exemple, ou en verre ou en polymère organique fluoré. Le matériau des tubes et des plaques peut également être composite, par exemple de l'acier inoxydable recouvert d'une couche de polytétrafluoréthylène,intérieurement pour les tubes, et sur la face des boites de fumée pour les plaques tubulaires. Les boîtes de fumée seraient éventuellement recouvertes intérieurement d'une résine, d'un polymère organique, protégeant leursparois métalliques contre la corrosion par les gaz brûlés.
  • Lorsque la température des gaz brûlés est abaissée en dessous du point de rosée, le récupérateur-évaporateur a l'avantage de désulfurer partiellement les gaz brûlés.
  • La face extérieure des tubes étant en contact avec un fluide présentant un changement de phase intense, en l'occurrence une évaporation sous forme d'ébullition, les coëfficients correspondants de transfert de chaleur sont excellents, meilleurs qu'avec un gaz et meilleurs qu'avec un liquide. Cette particularité de l'échange thermique réduit nettement les dimensions de l'appareil par rapport, notamment, à un échangeur gaz/gaz tel le réchauffeur d'air.
  • Quant à la transmission de chaleur sur la face interne des tubes, elle peut être augmentée, par exemple, par un ailetage interne, augmentant la surface de contact et la turbulence des gaz.
  • On remarque que le fluide en contact avec le gaz brûlé par l'intermédiaire des parois des tubes est à une température relativement élevée, celle des condensats des réchauffeurs, bien supérieure à celle de l'air ambiant, et que, dès lors, les phénomènes de condensation sur paroi froide sont réduits, voire évités.
  • Dans le cas de la figure 3, le gain de puissance est de l'ordre de grandeur de 1,5 MW à l'arbre de la turbine, celle-ci entraînant un alternateur délivrant sur le réseau électrique 125 MW.
  • Dans le cas de la figure 4, le gain est de 0,35 MW à l'arbre de la turbine.
  • De tels gains sont nettement supérieurs au coût des récupérateurs-évaporateurs capitalisé sur la durée de vie de la centrale électrique.
  • En variante,deux ou plusieurs récupérateurs-évaporateurs successifs peuvent être intégrés en un seul appareil, avec une boîte à fumée 18 commune aux deux récupérateurs-évaporateurs située entre eux. La figure 7 représente une telle variante intégrant deux récupérateurs-évaporateurs.
  • L'intégration de deux appareils successifs peut encore être plus poussée, comme représenté à la figure 8, où il n'y a plus de boîte à fumée intermédiaire ; les tubes 8 d'un tel récupérateur-évaporateur double ont une longueur correspondant à l'ensemble des deux appareils, c'est-à-dire une longueur égale à la somme des longueurs des tubes des deux récupérateurs-évaporateurs de la figure 7, toutes autres choses étant inchangées. Dans l'appareil double de la figure 8, les deux récupérateurs-évaporateurs sont séparés par une plaque à tubes 21 étanche ne permettant pas le passage de fluide entre les espaces 22 et 23.
  • L'invention a été illustrée par un appareil conçu selon des techniques habituelles, mais le brevet devrait couvrir d'autres types de réalisations de récupération de chaleur de gaz brûlés par évaporation de condensats de réchauffeurs.

Claims (13)

1. Procédé de récupération de l'énergie thermique des gaz brûlés d'une centrale thermique à turbine à vapeur, caractérisé en ce qu'on met ces gaz brûlés en contact d'échange thermique avec de l'eau devant être réchauffée du circuit de la centrale.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz brûlés sont mis en contact d'échange thermique par l'intermédiaire de condensat de vapeur.
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le condensat de vapeur provient de la vapeur utilisée pour réchauffer l'eau admise à la chaudière, qu'il est revaporisé par le contact d'échange thermique avec les gaz brûlés et que la vapeur ainsi formée est recyclée pour contribuer au réchauffage de l'eau admise à la chaudière.
4. Procédé suivant la revendication 3,caractérisé en ce que l'échange thermique avec les gaz brûlés se fait en plusieurs étapes dont chacune correspond à une étape du réchauffage de l'eau admise à la chaudière, les condensats de vapeur étant à un niveau de température relativement peu inférieur à celui des gaz brûlés, les gaz brûlés les plus chauds étant associés aux condensats les plus chauds, les gaz brûlés les plus froids aux condensats les plus froids.
5. Procédé suivant la revendication 4,caractérisé en ce que le condensat de vapeur provient de la partie "basse pression" du circuit de réchauffage de l'eau admise à la chaudière et en ce que la vapeur formée par échange thermique avec les gaz brûlés est renvoyée à ladite partie "basse pression" pour contribuer au réchauffage de l'eau admise à la chaudière.
6. Dispositif pour l'application du procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une surface d'échange thermique entre les gaz brûlés et le condensat de vapeur d'eau.
7. Dispositif suivant la revendication 6 utilisable dans une centrale thermique à turbine à vapeur laquelle comporte une série de réchauffeurs (R1...R4) pour le réchauffage de l'eau admise à la chaudière (CH), caractérisé en ce qu'il consiste en au moins un récupérateur-évaporateur (RE1...RE3) présentant une surface d'échange thermique entre les gaz brûlés provenant de la chaudière (CH) et un condensat de vapeur d'eau issu d'un réchauffeur (R1...R3).
8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les récupérateurs-évaporateurs (RE1...RE3) sont des caissons contenant au moins deux boites à fumées (6, 7) et un faisceau de tubes (8) lesquels sont parcourus intérieurement par les gaz brûlés qui passent successivement dans les récupérateurs-évaporateurs (RE3, RE2 et RE1) en se refroidissant.
9. Dispositif suivant la revendication 8,caractérisé en ce que les récupérateurs-évaporateurs (RE1...RE3) reçoivent une fraction des condensats des réchauffeurs (R1, R2, R3) et les évaporent au contact des tubes parcourus par les gaz brûlés, la vapeur formée étant renvoyée aux réchauffeurs d'où provenaient les condensats.
10. Dispositif suivant la revendication 8,caractérisé en ce qu'au moins deux récupérateurs-évaporateurs successifs sont intégrés dans un seul appareil.
11. Dispositif suivant la revendication 10,caractérisé en ce que deux récupérateurs-évaporateurs successifs sont intégrés dans un seul appareil avec une boite à fumée commune aux deux récupérateurs-évaporateurs et située entre eux.
12. Dispositif suivant la revendication 8,caractérisé en ce que la longueur des tubes (8) correspond à l'ensemble d'au moins deux récupérateurs-évaporateurs successifs et que les différents récupérateurs-évaporateurs sont séparés par une plaque à tubes (21) étanche ne permettant pas le passage de fluide entre les espaces d'échange thermique propre à chaque récupérateur-évaporateur.
13. Centrale thermique à turbine à vapeur comportant un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 12.
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