FR3030628A1

FR3030628A1 - Installation et procede d'alimentation d'une chambre de combustion, notamment d'une turbine a gaz, a injection d'eau dans une cavite d'un circuit de purge

Info

Publication number: FR3030628A1
Application number: FR1463235A
Authority: FR
Inventors: Pierre Montagne
Original assignee: GE Energy Products France SNC
Current assignee: GE Energy Products France SNC
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-06-24
Anticipated expiration: 2034-12-23
Also published as: US20160177879A1; FR3030628B1

Abstract

Cette installation d'alimentation d'une chambre de combustion en au moins un fluide combustible comprend au moins un circuit (2) d'alimentation de la chambre de combustion en fluide combustible et au moins un circuit (3) de purge du circuit d'alimentation raccordé à une source d'air de purge et auxdits circuit d'alimentation et doté d'au moins deux vannes d'isolation (V1, V2) délimitant entre elles une cavité (C). Elle comporte des moyens (5) d'injection d'eau dans la cavité, comprenant un circuit (7) d'alimentation en eau et un circuit (8) de vidange de la cavité.

Description

Installation et procédé d'alimentation d'une chambre de combustion, notamment d'une turbine à gaz, à injection d'eau dans une cavité d'un circuit de purge L'invention concerne, de manière générale, les systèmes d'alimentation en combustible pour chambre de combustion, en particulier pour chambre de combustion de turbine à gaz. Comme on le sait, les turbines à gaz comportent classiquement un compresseur, une ou plusieurs chambres de combustion et une turbine de détente. La ou les chambres de combustion sont alimentées en combustible gazeux au moyen d'un circuit d'alimentation pour y être mélangé à de l'air chaud sous pression sortant du compresseur. Le système d' alimentation en combustible permet avantageusement l'alimentation des chambres de combustion à partir de plusieurs types de combustibles, par exemple du gaz naturel, du fuel liquide ou du gaz de synthèse ou « syngaz ». Le circuit d'alimentation doit en outre permettre la régulation de paramètres d'alimentation depuis la source de combustible jusqu'aux chambres de combustion. Il s'agit en particulier de réguler la pression, la température et le débit du combustible. Afin de permettre l'acheminement et le transfert vers la turbine a gaz de divers types de combustibles, d'assurer la régulation des conditions de pression, de température et de débit, le circuit d'alimentation est doté d'un certain nombre de vannes d'isolation et de régulation de débit et de systèmes de refroidissement et de filtration. Il est en outre nécessaire que le circuit d'alimentation soit en mesure d'assurer une séparation de portions du circuit par exemple de cavités, pour éviter tout contact entre l'air chaud et les sources de combustible gazeux pour éviter l'auto-inflammation du combustible et la création de mélanges explosifs.

En particulier, une turbine à gaz peut fonctionner avec deux types de combustibles. Par exemple, un premier combustible est du gaz naturel et un deuxième combustible est du gaz de synthèse. Chaque circuit de combustible, lorsqu'il n'est pas utilisé, peut être purgé avec de l'air chaud généralement prélevé à la sortie du compresseur de la turbine. Afin d'isoler chaque circuit de combustible de cet air chaud, une cavité de type double désignée par les anglo-saxon par le terme de « block and bleed » est généralement utilisée. Par ailleurs, après l'utilisation d'un circuit combustible, il convient de le purger au préalable avec un gaz inerte par exemple le diazote, avant l'introduction du balayage à l'air chaud, et ce, afin d'éviter la création d'un mélange explosif. Par exemple, si le circuit du deuxième combustible est coupé, de sorte que suite à un changement de combustible aucun combustible ne circule dans ce dernier, on procède alors à une purge du circuit d'alimentation du deuxième combustible avec de l'air chaud. Lors de cette phase de purge, un flux d'air chaud est entretenu vers les passages dans les injecteurs prévus pour le deuxième combustible afin d'éviter l'apparition de condensats et limiter les risques de retour de gaz de la chambre de combustion vers le circuit d'alimentation. Lorsque les vannes commandant l'alimentation en combustible ou en air chaud de purge sont fermées, il subsiste un risque que, dans certains cas, des fuites apparaissent à travers les cavités formées par les vannes d'isolation, provoquant ainsi un risque de contact entre l'air chaud de purge, dont la température peut atteindre 500°C, et le combustible. Le document US 2013/031 8993 prévoit à cet égard de doter le circuit d'alimentation et le circuit de purge de vannes de contrôle qui délimitent entre elles, dans le circuit d'alimentation et dans le circuit de purge, des cavités et d'utiliser des évents, en particulier dans la cavité du circuit de purge, de sorte que les fuites d'air chaud soient évacuées vers l'extérieur, évitant de la sorte tout risque d'auto-inflammation du combustible.

Il a également été proposé, dans le document US 2013/0 074 945, d'assurer la séparation des fuites en utilisant un gaz inerte, tel que de l'azote, pour séparer des cavités contenant des gaz différents. Une vanne de régulation de pression permet de tester la pression du gaz inerte dans la cavité de séparation, afin de compenser les variations de pression du combustible, et éviter de la sorte toute suppression dans la cavité de gaz inerte qui puisse provoquer des fuites. On pourra également se référer au document US 2013/0 167 935 qui décrit une installation d'alimentation d'une chambre de combustion d'une turbine à gaz dotée d'un circuit de purge de la chambre de combustion et d'une cavité du circuit d'alimentation, au moyen d'un flux de gaz inerte. Dans l'état de la technique, les solutions utilisant des gaz inertes pour assurer la séparation entre le combustible et un air chaud de purge consistent à remplir une cavité délimitée par deux vannes d'isolation à une pression prédéterminée et ajustable afin de compenser les variations de pression du combustible et de l'air chaud de purge.

Le niveau de pression des gaz inertes est avantageusement choisi de manière à être supérieur à la valeur de pression maximale de l'historique des pressions de combustible ou d'air chaud, ce qui conduit à des inconvénients liés au niveau élevé de pression de gaz inerte dans la cavité, par exemple il nécessaire d'utiliser un système de compression onéreux. Ceci entraine également une consommation élevée de gaz inerte provoquée par la fuite à travers la vanne d'isolation. Ceci impose également de pouvoir maîtriser d'autres facteurs pouvant influer sur le niveau de la pression du carburant et de l'air chaud de purge, tels que la température ambiante et le niveau de charge de la turbine. Cette technique impose également des exigences en matière de stockage du gaz inerte à haute pression. On notera par ailleurs que l'entretien des vannes d'isolation du circuit d'alimentation en combustible est indispensable à l'efficacité opérationnelle de la turbine à gaz et à la sécurité du circuit d' alimentation. Ainsi, une vanne qui fuit est susceptible de provoquer des arrêts de la turbine ou de provoquer un mélange dangereux de carburant avec d'autres fluides présents dans le circuit d'alimentation ou dans le circuit de purge, voire dans le circuit de contrôle. A ce jour, le contrôle du bon fonctionnement des vannes s'effectue essentiellement par inspection physique ou par tests de mise en pression. De telles inspections sont coûteuses car elles nécessitent de mettre hors service la turbine. Bien que d'autres méthodes de contrôle permettent la réalisation des tests des vannes en ligne, ces méthodes de contrôle nécessitent de modifier le circuit de la turbine et d'installer des dérivations ou « bypass » afin de continuer l'alimentation en continu des chambres de combustion. Au vu de ce qui précède, l'invention se propose de pallier les inconvénients précités et, notamment, de fournir une installation d'alimentation d'une chambre de combustion, notamment d'une turbine à gaz, permettant de réduire les besoins en gaz inerte sans nécessiter de prévoir des contrôles du bon fonctionnement des vannes d'isolation à une fréquence accrue. L'invention concerne ainsi une installation d'alimentation d'une chambre de combustion en au moins un fluide combustible, comprenant au moins un circuit d'alimentation de la chambre de combustion en fluide combustible et au moins un circuit de purge des circuits d'alimentation raccordé à une source d'air relativement chaud et auxdits circuits d'alimentation et doté d'au moins deux vannes d'isolation délimitant entre elles une cavité dans ledit circuit de purge. Cette installation comporte des moyens d'injection d'eau dans la cavité comprenant un circuit d'alimentation en eau et un circuit de vidange de la cavité. Aussi, en injectant de l'eau entre le circuit d'alimentation et la source d'air de purge, entre les deux vannes d'isolation du circuit de purge, on évite tout contact entre le combustible et l'air de purge, qui serait susceptible de provoquer l'inflammation du combustible et la création de mélanges explosifs. Selon une autre caractéristique de l'installation d'alimentation, la cavité est dotée d'au moins un évent débouchant vers l'extérieur de l'installation. Cette cavité peut être dotée de deux évents placés respectivement du côté des vannes d'isolation. Avantageusement, dans ce cas, la cavité comporte un profil comprenant deux pentes convergeant vers les moyens d'injection d'eau dans la cavité, lesdites pentes s'étendant chacune à partir de l'un des évents. Selon encore une caractéristique de l'installation d'alimentation, celle-ci comprend des moyens de détection du niveau d'eau dans les évents et dans le circuit de vidange de la cavité.

On peut par ailleurs prévoir un deuxième circuit de purge du circuit d'alimentation accordé à une source de gaz inerte. L'invention a également pour objet une installation d'alimentation d'une chambre de combustion d'une turbine à gaz. Elle a encore pour objet un procédé d'alimentation d'une chambre de combustion en au moins un fluide combustible, dans lequel on alimente la chambre de combustion en fluide combustible au moyen d'une installation d'alimentation comprenant au moins un circuit d'alimentation de la chambre de combustion en fluide combustible et au moins un circuit de purge des circuits d'alimentation raccordé à une source d'air de purge et auxdits circuits d'alimentation et doté d'au moins deux vannes d'isolation délimitant entre elles une cavité. Selon ce procédé, on injecte de l'eau dans la cavité. Dans un mode de mise en oeuvre, lorsque l'alimentation en fluide de combustible est coupée, on vidange la cavité puis on sèche la cavité au moyen du circuit d'alimentation en air de purge. Par ailleurs, lorsque l'alimentation en fluide combustible est coupée, on purge le circuit d'alimentation au moyen d'un deuxième circuit de purge raccordé à une source de gaz inerte.

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux figures annexées sur lesquelles : -la figure 1 illustre un exemple de réalisation d'une installation d'alimentation d'une chambre de combustion conforme à l'invention ; -la figure 2 est un tableau montrant la position de vannes de contrôle de l'installation, en fonction des phases de fonctionnement de l'installation de la figure 1.

On se référera tout d'abord à la figure 1 qui illustre schématiquement un premier mode de réalisation d'une installation d'alimentation d'une chambre de combustion conforme à l'invention. Dans l'exemple de réalisation envisagée, dans le cadre de la présente description, l'installation est destinée à l'alimentation d'une chambre de combustion d'une turbine à gaz. Il s'agit plus particulièrement d'éviter tout contact entre un air chaud de purge issu du compresseur et un combustible gazeux délivré aux injecteurs I de la chambre de combustion de la turbine à gaz. Comme on le voit sur la figure 1, l'installation d'alimentation comporte un circuit d'alimentation 2 raccordé à une source de combustible, par exemple un combustible gazeux, tel que du gaz naturel, du fuel liquide ou du gaz de synthèse ou « syngaz », pour alimenter les injecteurs I de la chambre de combustion en combustible. Le circuit d' alimentation 2 comporte ici une ligne d'alimentation raccordée à une source d'alimentation correspondante (non représentée). Bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque le circuit d'alimentation comporte plusieurs lignes d'alimentation raccordées à divers types de sources de combustible. L'installation comporte par ailleurs un circuit de purge 3 qui est raccordé à une source d'air chaud de purge constitué ici par le compresseur de la turbine à gaz. Ce circuit de purge est destiné à balayer en continu avec de l'air chaud provenant du compresseur le circuit d'alimentation et les injecteurs afin de purger le circuit, d'éviter l'apparition de condensat et d'éviter les retours de gaz de la chambre de combustion vers le circuit d'alimentation 2. On voit par ailleurs que le circuit d'alimentation 2 est doté d'un deuxième circuit 4 de purge du circuit d'alimentation. Ce deuxième circuit de purge est raccordé à une source de gaz inerte et est utilisé avant la mise en oeuvre du circuit de purge 3 à l'air chaud, de manière à éviter tout contact entre le combustible et l'air chaud provenant du compresseur. Comme on le voit, le circuit d'alimentation en combustible 2, le circuit de purge 3 à l'air chaud et le circuit de purge 4 au gaz inerte sont chacun dotés d'un ensemble de vannes d'isolation, telles que V1, V2, V3 et V4 pilotées par une unité de commande distante assurant la mise en oeuvre de phases d'alimentation et de purge. Ainsi, la vanne 4 du circuit d'alimentation 2 est commandée à l'ouverture pour provoquer l'alimentation de la chambre de combustion en combustible, la vanne 3 du deuxième circuit de purge est commandée à l'ouverture pour provoquer la purge du circuit d'alimentation 2, après l'arrêt de l'alimentation en combustible et les vannes V1 et V2 du circuit de purge 3 à l'air chaud sont pilotées à l'ouverture pour purger le circuit d'alimentation et les injecteurs. Le circuit de purge 3 est ainsi doté de deux vannes d'isolation V1 et V2 qui sont prévues pour éviter les contacts entre l'air chaud de purge et le combustible, lors du fonctionnement normal de l'installation et, notamment, lors de l'alimentation de la chambre de combustion en combustible. Les vannes V1 et V2 délimitent entre elles une cavité C, c'est-à-dire une portion de circuit isolant la ou les lignes d'alimentation en air chaud de purge et la ou les lignes d'alimentation en combustible. Comme indiqué précédemment, en raison notamment du dimensionnement des vannes dans une installation d'alimentation d'une turbine à gaz, il a été constaté qu'il pouvait subsister des fuites potentielles de gaz à travers les vannes même fermées, et notamment dans les vannes V1 et V2.

Afin d'éviter tout risque de mise en contact de l'air chaud de purge avec le combustible dans la cavité C, l'installation est dotée d'un circuit d'alimentation en eau 5 destiné à remplir la cavité C d'eau lorsque les vannes V1 et V2 sont fermées et la vanne V4 du circuit d'alimentation en combustible 2 est ouverte. Le circuit d'alimentation en eau comporte une conduite principale 5 débouchant dans la cavité C, une première conduite secondaire 7 qui communique avec une source d'eau et une deuxième conduite secondaire 8 qui débouche dans un drain pour l'évacuation de l'eau avant la mise en ouvre d'une phase de purge à l'air chaud. Les deux conduites secondaires 7 et 8 sont chacune dotées de vannes V5 et V6 et communiquent avec la conduite principale 5. On voit par ailleurs que la conduite principale débouche dans la cavité C de préférence dans sa zone médiane, c'est-à-dire située sensiblement au milieu des vannes V1 et V2, délimitant de la sorte, de part et d'autre, deux demi cavités Cl et C2. Bien entendu on ne sort pas du cadre de l'invention si les lignes d'injection d'eau et le drain sont indépendantes et ne débouchent pas vers une ligne principale commune 5.

L'installation est complétée par deux évents 9 et 10 comprenant chacun deux lignes Li et L2 d'évacuation de gaz raccordées à la cavité C au voisinage des deux vannes V1 et V2, respectivement, et deux vannes V7 et V8 susceptibles d'être commandées par l'unité de commande pour autoriser l'évacuation de gaz vers l'extérieur. Il peut s'agir soit de fuites de combustible gazeux à travers la vanne V2, soit des fuites d'air chaud de purge, à travers la vanne Vl. Enfin, des capteurs de niveau d'eau LG, LA et LD permettent de détecter le niveau d'eau dans les évents 9 et 10 et dans le circuit d'alimentation en eau. Ces capteurs sont d'une part prévus immédiatement en amont des vannes V7 et V8, en ce qui concerne les évents 9 et 10, et dans la ligne principale 5 du circuit d'alimentation en eau.

On se référera maintenant à la figure 2 qui illustre le fonctionnement de l'installation qui vient d'être décrite lors de la purge à l'air chaud et lors du remplissage de la cavité. Comme indiqué précédemment, lors du fonctionnement normal de l'installation, c'est-à-dire lorsque les injecteurs I sont alimentés en combustible, la vanne V4 du circuit d'alimentation 2 est ouverte (état 0). Les vannes V1 et V2 du circuit 3 de purge à l'air chaud sont fermées (état F) et la vanne V3 du deuxième circuit de purge en gaz inerte est fermée. Lors de cette phase, la cavité C est remplie d'eau.

La vanne V6 de la conduite secondaire 7 est fermée, la vanne V5 de la deuxième conduite 8 secondaire est fermée également. Les vannes V7 et V8 des évents 9 et 10 sont ouvertes. Comme visible sur la figure 1, on prévoira avantageusement deux pentes P et P' dans les cavités Cl et C2, orientées dans le sens descendant en direction de la zone d'alimentation en eau et empêchant dès lors la propagation des fuites potentielles de combustible en direction de la vanne V1 et V2. Ainsi, les fuites de combustible susceptibles d'apparaître à travers la vanne V2 sont évacuées par le premier évent 9 situé à proximité immédiate de cette vanne et au point haut de la demi cavité C2, tandis que les fuites d'air chaud de purge susceptibles d'apparaître à travers l'autre vanne V1 sont évacuées par l'évent 10 situé à proximité immédiate de cette vanne V1 et au point haut de la deuxième demi cavité Cl.

On notera que même en cas de mise en contact des fuites de combustible gazeux et d'air de purge, le mélange combustible gazeux/air chaud intervient à une température relativement faible en raison du refroidissement provoqué par l'eau remplissant la cavité, par exemple à température ambiante, c'est-à-dire à une température très inférieure à la température d'auto-inflammation du combustible gazeux qui est, en ce qui concerne le méthane, de 570°C à pression ambiante. En tout état de cause, ce mélange s'effectue dans la cavité remplie d'eau empêchant l'inflammation du mélange.

Après arrêt de l'alimentation en combustible gazeux, la vanne V3 est ouverte pour procéder à la purge du circuit d'alimentation 2. Pendant cette phase de purge du circuit d'alimentation 2 au gaz inerte on procède à la vidange de la cavité C. Lorsque l'on procède à la vidange de la cavité, on ouvre la vanne V5 du drain. Quand le capteur LD n'indique plus de présence d'eau dans la cavité, la purge du circuit d'alimentation 2 en gaz inerte étant toujours en cours, c'est-à-dire la vanne V3 étant ouverte, on procède à la fermeture des évents V7 et V8 et l'on ouvre la vanne V2 du circuit d'air de purge. Cette étape constitue une phase de « séchage » au gaz inerte de la demi- cavité C2. De même afin de réaliser le « séchage » à l'air chaud de la demi-cavité Cl on procède à la fermeture de la vanne V2 et à l'ouverture la vanne Vl. Les deux étapes de séchage peuvent être comprises par exemple entre 5 et 30 secondes. La cavité C étant désormais vidangée et séchée, on procède à la fermeture de la vanne V5 et à l'ouverture de la vanne V2, la vanne V1 restant ouverte. Cet état final correspond au balayage continu des injecteurs à l'air chaud qui ne sont pas alimentés en combustible.

Comme visible sur la figure 2, au cours de cette phase, les vannes V1 et V2 sont ouvertes. Les autres vannes V3, V4, V5, V6, V7 et V8 sont fermées. Lorsque la phase de balayage continu est arrêtée par exemple à la demande de l'opérateur, et que l'on souhaite alimenter les chambres de combustion en combustible par la conduite 2, on procède comme décrit précédemment avec une première phase de purge de la conduite 2 au gaz inerte puis au remplissage de la cavité C en eau.

Claims

REVENDICATIONS1. Installation d'alimentation d'une chambre de combustion en au moins un fluide combustible, comprenant au moins un circuit (2) d'alimentation de la chambre de combustion en fluide combustible et au moins un circuit (3) de purge du circuit d'alimentation raccordé à une source d'air de purge et auxdits circuits d'alimentation et doté d'au moins deux vannes d'isolation (V1, V2) délimitant entre elles une cavité (C), caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (5) d'injection d' eau dans la cavité, comprenant un circuit (7) d'alimentation en eau et un circuit (8) de vidange de la cavité.
2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle la cavité est dotée d'au moins un évent (V7, V8) débouchant vers l'extérieur de l'installation.
3. Installation selon la revendication 2, dans laquelle la cavité est dotée de deux évents placés respectivement du côté des vannes d'isolation.
4. Installation selon la revendication 3, dans laquelle la cavité comporte un profil comprenant au moins une pente (P) convergeant vers les moyens d'injection d'eau dans la cavité, ladite pente s'étendant à partir de l'un des évents.
5. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, comprenant des moyens (LG, LA, LD) de détection du niveau d'eau dans les évents et dans le circuit de vidange de la cavité.
6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant un deuxième circuit (4) de purge du circuit d'alimentation raccordé à une source de gaz inerte.
7. Installation d'alimentation d'une chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, pour l'alimentation d'une chambre de combustion de turbine à gaz.
8. Procédé d'alimentation d'une chambre de combustion en au moins un fluide combustible, dans lequel on alimente la chambre de combustion en fluide combustible au moyen d'une installation d'alimentation comprenant au moins un circuit (2) d'alimentation de lachambre de combustion en fluide combustible et au moins un circuit (3) de purge des circuits d'alimentation raccordé à une source d'air de purge et auxdits circuit d'alimentation et doté d'au moins deux vannes (V1, V2) d'isolation délimitant entre elles une cavité (C) , caractérisé en ce que l'on injecte de l'eau dans la cavité.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel lorsque l'alimentation en fluide combustible est coupée, on vidange la cavité puis on sèche la cavité au moyen du circuit d'alimentation en air de purge.
10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel lorsque l'alimentation en fluide combustible est coupée, on purge le circuit d'alimentation au moyen d'un deuxième circuit de purge raccordé à une source de gaz inerte.