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INSTALLATION DE MACHINE A VAPEUR, DONT LA CHAUDIERE RECOIT SON AIR DE
COMBUSTION D'UNE TURBINE A AIR.
La présente invention est relative à une installation de chaudière à vapeur dont la chaudière reçoit son air de combustion d'une turbine à air.
L'intercalation de la turbine à air s'effectue en comprimant l'air de combustion de la chaudière dans un compresseur avant son réchauffement par les gaz résiduai- res de la chaudière, et en le détendant dans une turbine à air avant son entrée dans le foyer. Le travail libéré par la détente dépasse ainsi le travail con- sommé à la compression et peut être transformé en énergie électrique utilisable.
L'avantage d'un tel dispositif consiste en ce que les chaleurs perdues de la turbine à air sont introduites dans la chaudière à vapeur, et que l'énergie uti- le est par conséquent produite avec un rendement thermique très élevé. Le dis- positif présente cependant un certain nombre d'inconvénients, qu'il partage en partie avec d'autres installations de turbines à gaz.
1 ) Le compresseur consomme une partie prépondérante de la puissan- ce de la turbine à air ;
2 ) Le rendement de la charge partielle de l'installation à air diminue, parce que a/ la pression de refoulement du compresseur augmente, la chute de pression de la turbine (sans distributeur), diminue de sorte qu'il se produit des pertes par étranglement; b/ les conditions d'écoulement dans les deux machines deviennent défavorables; c/ le préchauffage de l'air dans la chaudière à vapeur diminue.
3 ) L'installation ,de la turbine à air nécessite un moteur de dé- marrage qui doit être calculé très largement, pour que la chaudière reçoive pen- dant toute sa période de démarrage une quantité minimum d'air nécessaire à un feu stable.
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marcher. 4 ) En cas d'arrêt de la turbine à air, la chaudière ne peut pas marcher
Il serait coûteux, mais cependant possible, d'installer un appareil de production d'air frais particulier de grande hauteur de refoulement, qui con- vienne pour faire passer l'air de combustion à traversl'étroit réchauffeur d'air calculé pour de hautes pressions;
mais la difficulté persiste cependant que l'air de combustion - par suite de la détente qui fait défaut - arrive dans le foyer en étant beaucoup trop chaude
On peut éviter dans une large mesure les inconvénients cités si, conformément à l'invention, le compresseur de la turbine à air comprend deux parties, dont l'une est commandée par ia turbine à air et dont l'autre est com- mandée par une turbine alimentée par la'vapeur de la chaudière et intercalée en série entre le surchauffeur préalable et le. surchauffeur final.
On entend ici sous le terme de turbine en série principalement une turbine à action à un étage, sans distributeur, intercalée entre le surchauf- feur préalable et le surchauffeur final de la chaudière à vapeur et traversée par la totalité ou par une quantité prépondérante de la vapeur de la chaudière.
Si on maintient à l'état de la vapeur (plus exactement son volume spécifique) constant à la sortie de la turbine en série, sa puissance est proportionnelle au cube de la quantité de vapeur, ce qui fait de la turbine comme on le sait ' ' un mécanisme idéal de commande de l'alimentation principale d'air de la chandiè- re, dont la consommation d'énergie suit la même loi de puissance. Le nombre de tours de la turbine et de l'aérateur se règle ainsi proportionnellement à la charge de la chaudière, de manière que toutes les machines fonctionnent 'constamment sans pertes par étranglement avec le rendement maximum. A côte de ces conditions de réglage favorables, la turbine en série offre davantage qu'elle fournit sa puissance utile avec un rendement thermique élevé.
Du fait que la quantité de chaleur qu'elle pèrd est compensée par le réchauffage répété de la vapeur dans le surchauffeur final - ce qui équivaut à un surchauffage in- termédiaire de la vapeur - elle ne consomme que l'équivalent calorifique de son travail et un travail de'la pompe d'alimentation proportionnel à la faible chute de pression.
Ce dernier avantage de la turbine en série n'est utilisable que dans une mesure restreinte dans les installations de machines à vapeur ordinai- res, parce que la consommation de puissance des ventilateurs de la chaudière est limitée et que la commande d'un générateur de fourniture d'énergie électri- que n'est pas possible à cause du nombre de tours variable de la turbine.
En revanche., par la commande partielle du compresseur, on peut re- tirer de la turbine une puissance notablement accrue qui s'ajoute indirectement à la production d'énergie.. Une limite supérieure à ce point de vue n'est en général donnée que par l'augmentation du prix de la chaudière, des pompes d' ali- mentation et des conduites, liées à l'augmentation de pression en tête de la turbine en série. Mais en tous cas, une réduction notable de l'inconvénient cité sous le N 1 ci-dessus résulte de cette mesure.
Les considérations qui suivent concernent le comportement de char- ge partielle du dispositif :si le débit d'air et le nombre de tours de la par- tie du compresseur commandée par la turbine en série est proportionnel à la char- ge de la chaudière, sa consommation d'énergie augmente avec le cube de ;La char- ge de la chaudière, et la fourniture d'énergie de la turbine en série s'adapte automatiquement à ces besoins comme auparavanto Son nombre de tours devient proportionnel à la charge de la chaudière de sorte que ses propriétés de régla- ge favorables citées plus haut se maintiennent.
Du fait que la pression de refoulement dela partie du compresseur commandée par la turbine en série diminue en cas de charge partielle par suite de la diminution du nombre de tours, l'étranglement du compresseur nécessaire sinon en cas de charge partielle, devient en partie inutile., Pour une subdivi- sion appropriée du compresseur, il est possible d'éviter entièrement l'étrangle- ment, de manière que la turbine à air s'adapte automatiquement à la charge de la chaudière sans perte d'énergie. La subdivision nécessaire dépend des courbes caractéristiques du compresseur et :de la-turbine à air.
En cas de charge par-
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tielle, les deux parties du compresseur fonctionnent avec un. bon rendement, à l'étage inférieur parce que le nombre de tours s'adapte au volume refoulé, à l'é- tage supérieur parce que le nombre de tours est fixe et que; par suite de là compression préalable plus faible, le volume refoulé se modifie à peine. Les inconvénients cités sous 2a et b sont par conséquent partiellement ou entièrement écartés.
Si, en cas d'arrêt de la turbine à air, la chaudière doit fonction- ner seule, les mesures suivantes sont nécessaires. L'étage du compresseur com- mandé par la turbine en série fonctionne à un nombre de tours considérablement réduit, qui suffit exactement à comprimer dans le foyer la quantité d'air de combustion nécessaire en dérivation du compresseur ordinaine et de la turbine à air en passant par le réchauffeur d'air. La diminution du nombre de tours se produit en ouvrant un second groupe de tuyères de la turbine en série qui, dans ce cas, ne reçoit, en marche normale, qu'une partie de sa charge, de ma- nière que la vapeur pénètre à vitesse réduite dans le rotor.
Si le groupe de tuyères est convenablement choisi pour une charge, il convient pour toutes les charges, et la puissance et le nombre de trous de la turbine en série s'adaptent à nouveau automatiquement à la charge de la chaudière. Pour éviter dans ce cas un chauffage exagéré de l'air de combustion, les gaz de cheminée doivent être davantage refroidis avant leur entrée dans le réchauffeur à air. Ceci peut avoir lieu par intercalation d'une surface de chauffe supplémentaire qui doit être choisie de manière à éviter une variation de température nuisible du côté de la vapeur. 'Pendant la marché de la turbine à air, cette surface de chauffe est contournée par un by-pass, et en cas d'arrêt de la turbine à air, elle est chauf- fée en fermant le by-pass.
La température de l'air chaudcen cas de charges par-. tielles '= avec ou sans turbine à air- peut également être réglée par étranglement de ce by-pass.
Un certain inconvénient du dispositif décrit consiste en ce que la chute de pression de la turbine en série est très grande et augmente et di- minue comme le carré de la charge de la chaudière. Si on alimentait la chaudière à une pression d'eau constante, il se produirait en cas de charge partielle des pertes très élevées par étranglement et des difficultés de réglage du niveau de l'eauo On peut éviter ces difficultés si on adjoint à la chaudière une pompe d'alimentation additionnelle particulière, commandée par la turbine en série, c'est-à-dire à un nombre de tours proportionnel à la charge de la chaudière.
Un dispositif de ce genre fonctionne sans pertes par étranglement et de la façon la plus favorable au point de vue de la technique de réglage quand la pression d'admission de la pompe supplémentaire est égale à la pression de vapeur à la sortie de la chaudière. Comme les résistances intérieures de la chaudière et de la turbine en série augmentent avec le carré de la charge, elle fournit cons- tamment exactement la pression d'alimentation nécessaire de sorte que sa puis- sance de propulsion est proportionnelle au cube de la charge de la chaudière et que la compensation automatique des charges reste à nouveau assurée.
En cas d'arrêt de la turbine à air, où la chute de pression de la turbine en série est plus faiblé, 1'eau d'alimentation est tirée d'un étage de pression inférieur de la pompe additionnelle, et dans ce cas les étages supérieurs,doivent être protégés par des moyens connus contre la formation de vapeur.
On peut encore choisir la pression d'admission de la pompe suffi- samment élevée pour qu'elle suffise, en cas d'arrêt de la turbine à air, à l'a- limentation de la chaudière sans pompe additionnelle. Le comportement au point de vue technique de réglage est alors moins avantageux, mais on recueille l'a- vantage que 1.11 alimentation en parallèle de plusieurs chaudières à vapeur est facilitée et que l'aptitude de marche en cas d'arrêt de la pompe additionnelle est augmentée.
En principe, l'utilisation d'une pompe additionnelle commandée par la turbine en série peut également être avantageuse sur des chaudières sans turbine à air pour autant qu'elles accusent une chute de pression intérieure élevée ; tel est par exemple le cas pour des chaudières à marche forcée ou à sur- chauffe intermédiaire indirecte de la vapeur.
Etant donné.le nombre multiple des machines commandées par la tur- bine en série (étage de compresseur, tirage d'aspiration, pompe additionnelle) il est avantageux de transmettre la charge non pas par voie mécanique, mais par
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1?électricité et de raccorder de façon connue l'ensemble des machines auxiliai- res de la chaudière (appareil d'aérage primaire, alimentation, moteurs de courants de Ljung, etc.) à ce réseau électrique. On ne commandera directement par voie mécanique que le consommateur le plus important, l'étage du compresseur, pour maintenir bas les prix de.la transmission électrique.
L'accouplement mécanique ainsi produit du compresseur, de la turbine en série et d'un alternateur, peut être utilisé à faire démarrer la chaudière et la turbine à air quand elles sont arrêtées. Dans ce but, on alimente le générateur par le réseau et il commande l'étage du compresseur comme moteur ; pourmaintenir assez basse l'énergie de propulsion, on choisit le nombre de tours de l'étage du compresseur suffisamment bas pour qu'il suffise exactement à introduire dans le foyer Pair nécessaire à la combustion pour la mise à feu de la chaudière. L'abaissement du nombre de tours du compresseur peut, dans ce cas, s'effectuer par des moyens connus, soit du côté électrique, par exemple par inversion des pôles du générateur, ou du côté mécanique, par exemple par un mécanisme de changement de vitesse à li- quide ou à engrenages.
Quand la chaudière marche et fournit de la vapeur, la turbine en série reçoit progressivement la charge du compresseur; quand la com- pression augmente, le compresseur est capable de commander la, turbine à air, dont le by-pass est fermé, pour qu'elle entraîne de son côté i'étage du compres- seur qu'elle commande.
Le degré de transmission du générateur passe alors à sa valeur nor- male, puis il est détaché du réseau de façon connue en même temps que les autres moteurs de la chaudière (tirage d'aspiration, pompe additionnelle, etco) et il en prend seul la commande. Par le dispositif décrit, la'mise en marche de la chaudière et de la turbine à air est possible à l'aide de moyens additionnels de peu d'importanceo
Si en cas de marche sans turbine à air, la turbine en série tourne à un nombre de tours réduit, on peut utiliser le rapport de transmission varia- ble du générateur à la commande des moteurs auxiliaires de la chaudière au nom- bre de tours complet nécessaire à la.marche de la chaudière.
Le dessin schématique en annexe représente un exemple d'exécution de l'invention ;
Sur le schéma on prévoit la surchauffe intermédiaire de la vapeur par de la vapeur à haute pression tirée entre le surchauffeur préalable et le surchauffeur final; pour ne pas limiter le degré de surchauffe intermédiaire, on intercale la turbine en série - à cause de l'importante chute de la quantité de chaleur qui s'y produit = du côté de haute pression de ce surchauffeur inter- médiaire.
L'eau d'alimentation passe par un réchauffeur 1 vers la chaudière 2, et la vapeur qui s'y produit traverse un surchauffeur préalable 4, un surchauf- feur final 6, la turbine principale 7 avec le surchauffeur intermédiaire 8 et passe au condenseur 9. De là, l'eau d'alimentation est conduite à travers une pompe de condensat 10, un refroidisseur intermédiaire du compresseur 21 et un groupe de réchauffeurs 3 à la pompe d'alimentation de la chaudière 11 qui ramène l'eau d'alimentation par une pompe additionnelle 12 dans la chaudière 2. Entre le surchauffeur préalable et le surohauffeur final (4 ou respectivement 6) se trouvent des vannes de dérivation 23 et 24 : dérivation sur la vanne 23 se trouve le surchauffeur intermédiaire 8, en dérivation de 24, la turbine en série 5.
Sur le même axe que la turbine en série 5 se trouve l'étage de compresseur 13 et le générateur 19, qui commande la pompe additionnelle 12 et les moteurs auxiliaires ou qui;. inversement, est alimenté en courant du réseau 22 en même temps que ces moteurs.
L'air comprimé de l'étage du compresseur 13 passe en marche nor- male par le refroidisseur intermédiaire 21,¯l'étage de compresseur 14, un réchauf- feur d'air 15 et une turbine à air 16 vers le foyer (conduite-17). La turbine à air 16 commande ainsi l'étage de compresseur 14 et un générateur 18.
Lors du démarrage de l'installation ou en cas d'arrêt de la turbine à air 16, l'air passe par les vannes de dérivation 25 et 26.
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STEAM MACHINE INSTALLATION, WHICH THE BOILER RECEIVES ITS AIR FROM
COMBUSTION OF AN AIR TURBINE.
The present invention relates to a steam boiler installation, the boiler of which receives its combustion air from an air turbine.
The air turbine is intercalated by compressing the combustion air from the boiler in a compressor before it is heated by the residual gases from the boiler, and by expanding it in an air turbine before it enters the air turbine. the home. The work released by the expansion thus exceeds the work consumed in compression and can be transformed into usable electrical energy.
The advantage of such a device is that the waste heat from the air turbine is fed into the steam boiler, and the useful energy is therefore produced with a very high thermal efficiency. However, the device has a certain number of drawbacks, which it shares in part with other gas turbine installations.
1) The compressor consumes a major part of the power of the air turbine;
2) The efficiency of the partial load of the air system decreases, because a / the discharge pressure of the compressor increases, the pressure drop of the turbine (without distributor), decreases so that losses occur by strangulation; b / the flow conditions in the two machines become unfavorable; c / the preheating of the air in the steam boiler decreases.
3) The installation of the air turbine requires a starter motor which must be calculated very broadly, so that the boiler receives during its whole start-up period a minimum quantity of air necessary for a stable fire.
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walk. 4) If the air turbine stops, the boiler cannot run
It would be expensive, but still possible, to install a special fresh air apparatus of great discharge height, which is suitable for passing the combustion air through the narrow air heater calculated for high pressures;
but the difficulty persists, however, that the combustion air - due to the lack of expansion - arrives in the fireplace being much too hot
The aforementioned drawbacks can be avoided to a large extent if, according to the invention, the compressor of the air turbine comprises two parts, one of which is controlled by the air turbine and the other of which is controlled by the air turbine. a turbine fed by steam from the boiler and interposed in series between the preheater and the. final superheater.
By the term series turbine is meant here mainly a single-stage action turbine, without distributor, interposed between the preliminary superheater and the final superheater of the steam boiler and through which all or a predominant quantity of the steam passes. steam from the boiler.
If we keep the state of the steam (more exactly its specific volume) constant at the outlet of the series turbine, its power is proportional to the cube of the quantity of steam, which makes the turbine as we know ' An ideal mechanism for controlling the main air supply of the candle, the energy consumption of which follows the same law of power. The number of revolutions of the turbine and of the aerator is thus regulated in proportion to the load of the boiler, so that all the machines operate constantly without constriction losses at maximum efficiency. Besides these favorable setting conditions, the series turbine offers more than it provides its useful power with a high thermal efficiency.
Because the amount of heat which it loses is compensated by the repeated reheating of the steam in the final superheater - which is equivalent to intermediate superheating of the steam - it consumes only the heat equivalent of its work and a work of the feed pump proportional to the low pressure drop.
This last advantage of the series turbine can only be used to a limited extent in ordinary steam engine installations, because the power consumption of the boiler fans is limited and the control of a steam generator. supply of electrical energy is not possible due to the variable number of revolutions of the turbine.
On the other hand, by the partial control of the compressor, one can derive from the turbine a markedly increased power which is added indirectly to the energy production. An upper limit in this point of view is generally not given. only by the increase in the price of the boiler, feed pumps and pipes, linked to the increase in pressure at the head of the series turbine. But in any case, a significant reduction in the drawback cited under N 1 above results from this measure.
The following considerations concern the partial load behavior of the device: if the air flow and the number of revolutions of the part of the compressor controlled by the turbine in series is proportional to the load of the boiler, its energy consumption increases with the cube of; The load of the boiler, and the energy supply of the turbine in series automatically adapts to these needs as before o Its number of revolutions becomes proportional to the load of the boiler so that the favorable control properties mentioned above are maintained.
As the discharge pressure of the part of the compressor controlled by the turbine in series decreases at partial load as a result of the decrease in the number of revolutions, the compressor throttle required otherwise at partial load becomes partly unnecessary. ., For an appropriate subdivision of the compressor, it is possible to avoid throttling entirely, so that the air turbine automatically adapts to the boiler load without loss of energy. The necessary subdivision depends on the characteristic curves of the compressor and: of the air turbine.
In case of load by-
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tielle, the two parts of the compressor work with one. good output, at the lower stage because the number of turns adapts to the volume discharged, at the upper stage because the number of turns is fixed and that; as a result of the lower prior compression, the discharged volume hardly changes. The drawbacks mentioned under 2a and b are therefore partially or entirely eliminated.
If, in the event of shutdown of the air turbine, the boiler has to operate alone, the following measures are necessary. The compressor stage controlled by the series turbine operates at a considerably reduced number of revolutions, which is exactly enough to compress in the furnace the quantity of combustion air required by bypassing the ordinary compressor and the air turbine in operation. passing through the air heater. The reduction in the number of revolutions occurs by opening a second group of turbine nozzles in series which, in this case, receives, in normal operation, only a part of its load, so that the steam penetrates at reduced speed in the rotor.
If the nozzle group is suitably chosen for a load, it is suitable for all loads, and the power and number of holes of the series turbine will automatically adapt to the boiler load again. To avoid excessive heating of the combustion air in this case, the flue gases must be further cooled before entering the air heater. This can take place by interposing an additional heating surface which should be chosen so as to avoid a harmful temperature variation on the steam side. 'During the air turbine market, this heating surface is bypassed by a bypass, and if the air turbine stops, it is heated by closing the bypass.
The temperature of the hot air in case of par loads. tial '= with or without air turbine - can also be regulated by throttling this bypass.
A certain drawback of the device described is that the pressure drop of the series turbine is very large and increases and decreases as the square of the load of the boiler. If the boiler were supplied with constant water pressure, in the event of partial load, very high losses through constriction and difficulties in adjusting the water level would occur. O These difficulties can be avoided if the boiler is added to a special additional feed pump, controlled by the turbine in series, that is to say with a number of revolutions proportional to the load of the boiler.
A device of this kind operates without constriction losses and most favorably from the point of view of the control technique when the inlet pressure of the additional pump is equal to the steam pressure at the outlet of the boiler. As the internal resistances of the series boiler and turbine increase with the square of the load, it constantly supplies exactly the required supply pressure so that its propellant power is proportional to the cube of the load. the boiler and that automatic load compensation remains ensured.
In the event of shutdown of the air turbine, where the pressure drop of the series turbine is smaller, feed water is drawn from a lower pressure stage of the additional pump, and in this case upper floors, must be protected by known means against the formation of steam.
It is also possible to choose the inlet pressure of the pump which is high enough so that it is sufficient, in the event of the air turbine being switched off, to supply the boiler without an additional pump. The behavior from the technical point of view of control is then less advantageous, but the advantage is gained that 1.11 parallel feeding of several steam boilers is facilitated and that the operability in the event of shutdown of the additional pump. is increased.
In principle, the use of an additional pump controlled by the turbine in series can also be advantageous on boilers without an air turbine as long as they exhibit a high internal pressure drop; this is the case, for example, for boilers with forced operation or with indirect intermediate overheating of the steam.
Given the multiple number of machines controlled by the series turbine (compressor stage, suction draft, additional pump) it is advantageous to transmit the load not mechanically, but by
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1? Electricity and to connect in a known manner all the auxiliary machines of the boiler (primary ventilation device, power supply, Ljung current motors, etc.) to this electrical network. Only the most important consumer, the compressor stage, will be mechanically controlled directly to keep the prices of the electric transmission low.
The mechanical coupling thus produced of the compressor, the series turbine and an alternator, can be used to start the boiler and the air turbine when they are stopped. For this purpose, the generator is supplied by the network and it controls the compressor stage as a motor; to keep the propulsion energy low enough, the number of revolutions of the compressor stage is chosen that is low enough so that it is exactly sufficient to introduce into the combustion chamber the air necessary for combustion for the firing of the boiler. The lowering of the number of revolutions of the compressor can, in this case, be carried out by known means, either on the electrical side, for example by reversing the poles of the generator, or on the mechanical side, for example by a change mechanism. liquid or gear speed.
When the boiler is running and providing steam, the series turbine gradually receives the load from the compressor; when the compression increases, the compressor is able to control the air turbine, the bypass of which is closed, so that it drives on its side the stage of the compressor which it controls.
The degree of transmission of the generator then changes to its normal value, then it is detached from the network in a known manner at the same time as the other boiler motors (suction draft, additional pump, etc.) and it takes it alone. the command. By the device described, the start-up of the boiler and the air turbine is possible with the aid of additional means of little importance.
If, in the case of operation without an air turbine, the series turbine rotates at a reduced number of revolutions, the variable transmission ratio of the generator can be used to control the auxiliary engines of the boiler at the full number of revolutions. required for the boiler to operate.
The attached schematic drawing represents an exemplary embodiment of the invention;
In the diagram, provision is made for the intermediate superheating of the steam by high-pressure steam drawn between the preheater and the final superheater; in order not to limit the degree of intermediate superheating, the turbine is interposed in series - because of the large drop in the quantity of heat which is produced there = on the high pressure side of this intermediate superheater.
The feed water passes through a heater 1 to the boiler 2, and the steam produced there passes through a preheater 4, a final superheater 6, the main turbine 7 with the intermediate superheater 8 and passes to the condenser 9. From there the feed water is conducted through a condensate pump 10, an intercooler of the compressor 21 and a group of heaters 3 to the feed pump of the boiler 11 which returns the water to the boiler. supply by an additional pump 12 in boiler 2. Bypass valves 23 and 24 are located between the preheater and the final superheater (4 or 6 respectively): bypass on valve 23 is the intermediate superheater 8, bypassing 24, the turbine in series 5.
On the same axis as the turbine in series 5 is the compressor stage 13 and the generator 19, which controls the additional pump 12 and the auxiliary motors or which ;. conversely, is supplied with current from network 22 at the same time as these motors.
The compressed air from the compressor stage 13 passes in normal operation through the intercooler 21, ¯ the compressor stage 14, an air heater 15 and an air turbine 16 to the combustion chamber (duct -17). The air turbine 16 thus controls the compressor stage 14 and a generator 18.
When starting up the installation or if the air turbine 16 is stopped, the air passes through the bypass valves 25 and 26.