Brevet FR2404738A1 — publié le 19790427

L'invention se rapporte à un dispositif pour la protection d'une turbine à gaz d'échappement de haut-fourneau, lorsque des gaz à haute température sont envoyés à la turbine à la suite d'un "coup de gaz" dans le haut-fourneau. Le gaz d'échappement produit en grande quantité par un haut-fourneau est maintenu à haute température et sous une pres- sion relativement élevée. Lorsqu'on lave ee gaz d'échappement avec de l'eau dans un dépoussiéreur ou un dispositif analogue si- tué à ltaval, sa température s'abaisse jusqu'à un niveau voisin de la température ambiante mais le gaz conserve encore une énerva gie de pression suffisante.Dans les installations sidérurgiques, un des principaux problèmes d'économie énergie consiste à rEcu- pérer effectivement cette énergie de pression contenue dans un gaz d'échappement de haut-fourneau0 Comme procédé utilisable avantageusement pour la récu pération de cette énergie de pression, on peut mentionner un procédé dans lequel une turbine est ent.rainée par le gaz d'échappe- ment du haut-fourneau, la turbine entratnant elle-même un générateur électrique pour transformer l'énergie de pression en énergie électrique. Certaines difficultés restent toutefois à résoudre dans ce procédé de récupération d'énergie. En premier lieu, la pression ou le débit du gaz d'échappement ne sont pas constants mais en général changent souvent selon la résistance dans le haut-fourneau, cXest-à-dire suivant l'état de fusion du minerai ou la fluidité des scories. Pendant le fonctionnement du haut-fourneau, une partie des matières chargées fond et s'agglomère et se trouve souvent en suspension dans le haut-fourneau0 Lorsque cette suspension devient impossible à maintenir, la masse coagulée tombe et une grande quantité de gaz à haute température est brusquement expulsée. Ce phénomène est appelé "coup de gaz". Dans le fonctionnement normal du haut-fourneau, la tes pérature du gaz à la sortie du haut fourneau est de 200 à 2500Co Cette température est abaissée par l'eau pulvérisés dans le laveur à venturi d'un dépoussiéreur, disposé entre la sortie du haut- fourneau et la turbine, de sorte que la température du gaz à l'en- trée de la turbine est réduite à 60 à 800C. Toutefois, lorsque le coup de gaz a lieu, la température du gaz à l'entrée de la turbine monte à 2500C ou davantage.Il en résulte un allongement du rotor de turbine ou des ailettes en mouvement, ou une déformation irrégulière du corps, et, par suite, des phénomènes indésirables tels qu'un contact anormal de l'extrémité des ailettes avec le corps peuvent se produire, ou une surcharge est imposée au générateur électrique. Secondairement, les poussières contenues dans le gaz d'échappement adhèrent aux parois des conduits ou à la turbine, particulièrement à ses ailettes fixes. Ces poussières perturbent l'écoulement du gaz et réduisent le rendement de la turbine0 Pour empocher l'adhérence et l'accumulation des poussières à l'entrée du stator et aux ailettes fixes de la turbine, on utilise un procédé dans lequel les parties auxquelles les poussières risquent d'adhérer sont revttues d'une matière ayant une bonne qualité de non adhérence, par exemple une résine fluorée, une résine phénolique ou des céramiques à base d'oxydes métalliques cristallins. Lorsque l'intérieur de la turbine est revêtu d'une matière à bonne caractéristique de non adhérence, il est possible d'empocher le collage des poussières et la diminution consécutive du rendement de la turbine mais, comme ce revêtement manque de résistance thermique ou subit facilement-une dé dégradation thermique, il peut titre détérioré par la température lorsqu'un coup de gaz se produit dans le haut-fourneau, puisqu'un gaz à haute température est alors introduit instantanément dans le conduit et la turbine. Dans le haut-fourneau, les matières chargées, minerai par exemple, changent de forme instant après instant et il est par conséquent impossible d'empêcher l'apparition du phénomène de coup de gaz. La turbine doit donc être conçue et installée de manière à supporter ce phénomène inévitable de coup de gaz. L'invention a pour objet un dispositif de protection de turbine, qui peut protéger la turbine et les autres équipements même lorsque-le phénomène de coup de gaz se produit dans un hautZ fourneau. La température du gaz introduit dans la turbine et les autres équipements est maintenue à un niveau prédéterminé, de sor te que le fonctionnement de la turbine reste possible mtme pendant le coup de gaz et que le rendement global de la récupération d'énergie par un générateur de puissance est amélioré. L'invention vise également un dispositif de protection de turbine dans lequel, si le fonctionnement continu de la turbine devient impossible à cause de 11 apparition du phénomène de coup de gaz dans un haut-fourneau, l'introduction du gaz dans la tur- bine est interrompue par la fermeture d'une vanne d'arrttO Le dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce que le phénomène de coup de gaz dans un haut-fourneau est rapide" ment détectés et, en réponse à un signal de détection, de l'eau de refroidissement est pulvérisée à l'intérieur de la turbine ou d'un conduit de gaz d'échappement disposé entre le haut-fourneau et la turbine, de façon à maintenir la température du gaz à l'in- térieur de limites prédéterminées. En général, la température du gaz d'échappement du haut fourneau à l'entrée de la turbine est de 6O.à 800C, mais lorsque le phénomène.de coup de gaz a lieu, cette température s'élève à 2500C environ. Simultanément, la pression du gaz s'élève. Suivant la présente invention, on détecte cette augmentation de la tempé- rature du gaz et/ou de la pression du gaz d'échappement.En répon se au signal de détection, un dispositif de pulvérisation d'eau de refroidissement est mis en services La position du détecteur d'lévation de la température du gaz, ou- d'élévation de la pression du gaz, est choisie compte tenu de la vitesse de circulation du gaz, afin que le dispositif de pulvérisation d'eau de refroidissement puisse être actionné sans retard notable à partir de l'instant d'apparition du coup de gaz0 En pratique, les moyens de détection de l'élévation de la température ou de la pression du gaz d'échappement sont places au sommet du haut-fourneau, ou dans un conduit an voisinage de ce dernier.On utilise de préférence des moyens électriques de dEteco tion et de transmission des signaux de température ou de pression0 Les changements les plus sensibles provoqués par le coup de gaz sont des variations de la température et de la pres sion0 D'autre part, la composition du gaz d'échappement et l'état de la combustion sont considérablement influencés par le phénol mène de coup de gaz. Dans la présente invention, les moyens de dé- tection des variations de température et/ou de pression sont les plus appropriés à la détection de l'apparition du phénomène de coup de gaz mais on peut également utiliser des moyens de détec- tion de facteurs tels que la composition du gaz d'échappement et l'état de la combustiona Le dispositif préféré pour abaisser la température du gaz d'échappement est un dispositif à pulvérisation d'eau.Plus particulièrement, l'eau demande pour son évaporation une grande quantité de chaleur latente et, comme le gaz d'échappement doit traverser un dépoussiérage comportant un collecteur de poussière et un laveur à venturi avant d' strie envoyé à la turbine, une grande quantité d'eau est contenue dans le gaz qui arrive à la turbine. Par conséquent, même Si on injecte de l'eau dans le gaz pour abaisser sa température, cela n'engendre aucune difficulté particulière. Dans la présente invention, l'eau peut entre introduite sous forme d'un mélange avec un agent pour la protection de l'intérieur de la turbine ou avec d'autres produits désirés. En général, les moyens de pulvérisation d'eau sont plaZ cés à une entrée de la turbine, mais ils peuvent etre situés en un autre endroit du-conduit. De préférence, l'eau est pulvérisée par atomisation sous forte pression, de sorte qu'elle est instantanément dispersée et vaporisée dans le gaz d'échappement. La quantité d'eau pulvérisée est réglée de manière à maintenir la température du gaz d'échappement; entrant à la turbine entre 60 et 800C, Toutefois, cette plage de température peint varier à un certain point, suivant les caractéristiques de la turbine et les matières utilisées pour sa construction. Par suite, la quantité d'eau à pulvériser est déterminée en fonction de la turbine réellement utilisée. Lorsque la turbine ou le conduit de gaz d'échappement comportent des matières d'une résistance thermique insuffisante, l'eau est directement pulvérisée sur les éléments en cette ma tière, afin d'empêcher le élévation de sa température et d'éviter sa dégradation thermique. Dans la présente invention puisque l'apparition du phénomène de coup de gaz dans le haut-fourneau est détectée et que de l'eau est pulvérisée dans le gaz en réponse à un signal de détection, la température du gaz peut titre effectivement maintes nue à un niveau prédéterminé. On peut ainsi éviter des déformations irrégulières résultant de la dilatation thermique de l'intérieur de la turbine. On voit donc qu'une matière facilement dégradable thermiquement, disposée dans le conduit de gaz d'échappement ou la turbine, peut entre effectivement protégée et que la turbine peut fonctionner de façon stable avec un rendement élevé, perméttant la récupération dans les conditions optimales de l'énergie contenue dans le gaz d'échappement. D'autre part, si l'eau est pulvérisée directement sur une partie dont la dégradation thermique risque de se produire, les conduits peuvent être protégés efficacement. Enfin dans la présente invention, si le fonctionnement continu de la turbine est rendu impossible par le phénomène de coup de gaz, l'introduction du gaz d'échappement dans la turbine peut entre interrompue par la fermeture d'une vanne d'isolement. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la des- cription de ses formes de réalisations non limitatives, représen- tées sur les dessins annexés. Fig. 1 représente schématiquement des moyens de command de d'une vanne d'arrêt d'urgence9 en réponse à un signal d'appa- rition du phénomène de coup de gaze afin d'interrompre l'arrivée du gaz à la turbine0 Fig. 2 est un schéma d'un dispositif de pulvérisation d'eau de refroidissement dans une turbine, en réponse à un signal d'apparition du coup de gaz, Fig. 3 est une coupe de la partie d'entrée de gaz d'une turbine, et Fig. 4 est un schéma d'un dispositif de pulvérisation d'eau de refroidissement dans un conduit de gaz vers une turbine, qui utilise la variation de la température du gaz. Les figures 1, 2 et 4 sont des schémas de principe do formes de réalisation du dispositif. suivant la présente invention pour la protection contre les coups de gaz d'une turbine entraînée par le gaz d'échappement du haut-fourneau0 Sur ces figures9 un double trait indique le circuit d'un gaz d'échappement venant d'un haut-fourneau, un trait plein indique le circuit d'eau de refroidissement et un trait interrompu représente un circuit électrique de commande. Les objets de la présente invention peuvent entre obtenus par les procédés suivants s (I) une vanne d'arrêt d'urgence est fermée pour inter- rompre l'entrée du gaz dans la turbine (II) de l'eau de refroidissement est pulvérisée à l'intérieur de la turbine, (III) de l'eau de refroidissement est pulvérisée dans un conduit de gaz allant à la turbine0 Ces trois procédés (I), (II) et (III) sont décrits ci après en détail. Le procédé (I) est décrit avec référence à la figure lo Dans cette forme de réalisation, un gaz d'échappement, amené par un conduit de gaz 2a raccordé au sommet d'un haut-fourneau 1, traverse un dépoussiéreur 3 dans lequel il est débarrassé de la plus grande partie des poussières contenues dans le gaz d'échappement. Ensuite, le gaz est dirigé vers un laveur à venturi 4 par un conduit 2b. Dans ce laveur 4 le gaz d'échappement est traité avec de l'eau ou une solution chimique, de façon à ce qutil ne provoque aucun inconvénient, corrosion par exemple, dans les phases suivantes. Un conduit principal 2c de gaz d'échappement est dérivé en un conduit 2e, vers la turbine, et un conduit 2d de réglage de débit de gaz.Le conduit 2d aboutit à un deuxième la" veur à venturi 6, à travers une vanne de régulation 50 Ce deuxième laveur 6 peut tertre place juste après le premier laveur 4. Le conduit 2e d'envoi du gaz à la turbine est raccordé à une turbine 7 et le gaz d'échappement envoyé à la turbine 7 est dirigé vers le deuxième laveur à venturi 6 par un conduit 2f. Un générateur 8, ou une autre machine réceptrice, est accouplé à la turbine 7 de façon à récupérer l'énergie contenue dans le gaz d'échappementO Des moyens de détection de la température ou de la pression, par exemple un relais 21 de température ou de pression, sont disposés dans le conduit 2a de gaz d'échappement, près du hautfourneau 1.Un signal engendré par le capteur 21 est transmis au moyen d'nn circuit électrique 22, de façon à commander une vanne 41 d'arrtt d'urgence Une vanne de régulation 42 permet de command der le débit de gaz admis à la turbine et une vanne d'isolement 44 est prévue à la sortie de la turbine. Dans le dispositif de protection du type ci-dessus1 un gaz d'échappement sortant du haut-fourneau 1 est d'abord introduit dans le collecteur de poussière 3, où les grosses particules sont précipitées et séparées. Le gaz est ensuite introduit dans le laveur à venturi 4 où une grande partie des fines poussières sont éliminées par pulvérisation d'eau ou d'une solution chimique, et la température du gaz est abaissée à un niveau permettant son utilisation dans la turbine, 60 à 8000 par exemple. Le débit de gaz dirigé vers le conduit 2d est réglé par la vanne de dérivation 5, de sorte que la pression du gaz est maintenue à une valeur déterminée indépendamment de la charge sur la turbine 7. Le gaz d'échappement de la turbine 7 reåoint le gaz venant du passage 2d et l'ensemble est envoyé vers une installation suivante d'utilisation du gaz, par l'intermédiaire du deuxième laveur à venturi 6 et d'un conduit 2g. Le capteur 21 de température ou de pression est conçu pour détecter un changement brusque de la température ou de la pression du gaz d'échappement, provoqué par le phénomène de coup de gaz dans le haut-fourneau 1. De préférence, la partie sensible du détecteur-21 est en matière qui ne se dégrade pas même si elle reste constamment exposée au gaz d'échappement chargé de poussiè- res.La surface de la partie sensible du détecteur 21 est avanta- geusement recouverte dtune céramique d'oxyde métallique cristallin et la surface ainsi revêtue peut être polie afin d'empêcher l'adhérence et les dépôts de poussières Le détecteur 21 de température ou de pression peut être placé à tout endroit du conduit entre le haut-fourneau I et la turbine 7. Toutefois, afin d'assurer un laps de temps suffisant entre instant de détection d'un changement de température ou de pression dû à un coup de gaz et l'instant d'arrivée d'un gaz à tem- pérature anormalement élevée à la turbine 7, et afin de disposer d'un temps disponible suffisant pour la manoeuvre des organes de protection de la turbine, le capteur 21 est de préférence placé aussi près que possible du haut-fourneau 1. Dans le dispositif ci-dessus, lorsque le coup de gaz se produit dans le haut-fourneau 1, une élévation anormale de la tem- pérature ou de la pression est détectée par le capteur 21 de m2 nière à commander la vanne 41 d'arrSt d'urgence et l'ouverture de la vanne de dérivation 5, pour interrompre l'admission du gaz dans la turbine 70 Comme le temps de fonctionnement de la vanne d'airrêt d'urgence est beaucoup plus court que celui de la vanne de dérivao -tion, il pourrait en résulter une élévation de la pression dans l'ensemble du système. Toutefois, le volume total étant très grand, cette élévation de pression est en général négligeable. Dans la première forme de réalisation (I) décrite clo dessus, la turbine 7 ne fonctionne pas lorsque le coup de gaz se produit et les moyens de protection ci-dessus interviennent. Par contre, dans la forme de réalisation (II)9 dans laquelle on pulvé- rise de l'veau de refroidissement à l'intérieur de la turbine et dans la forme de réalisation (III), dans laquelle on pulvérise de l'eau de refroidissement dans le passage du gaz sers la turbine0 cette dernière peut fonctionner continuellement mme lorsque le coup de gaz se produit.La forme de réalisation (Il) dans laquelle on pulvérise de l'eau de refroidissement à l'intérieur de la tur- bine est décrite ci-après avec référence aux figures 2 et 3o La figure 2 est un schéma semblable à la figure 1. Dans le cas de la figure 2, la turbine est équipée d'un dispositif de pulvérisation d'eau comprenant une vanne 23 d'alimentation en eau et un tuyau 24 d'eau de refroidissement.Lorsque l'apparition du phénomène de coup de gaz est détectée par le capteur 21 de pression ou de température, la vanne 23 d'admission d'eau s'ouvre en réponse au signal de détection, de façon & projeter l'eau de re froidissement à l'intérieur de la turbine et à abaisser instanta géient la température du gaz à un niveau prédéterminé. La figure 3 est une coupe de la partie principale de la forme de réalisation dans-laquelle l'eau de refroidissement est pulvérisée dans la turbine 7c On voit, sur la figure 3, qu'un rotor 34 est supporté en rotation dans l'axe d'un stator 31, des ai" lettes mobiles 33 étant fixées à la périphérie du rotor 34. Des ailettes fixes 32 sont montées sur le stator 31. Une tuyère 25 de pulvérisation d'eau de refroidissement est montée au voisinage d'un orifice 35 d'admission de gaz, de façon à pulvériser 11 eau de refroidissement sur un premier étage d'ailettes fixes 36 fixées au stator 31. L'eau de refroidissement pulvérisée par la tuyère 35 est dispersée dans le gaz qui penètre dans le stator 31.L'eau re- çoit la chaleur de ce gaz et s'évapore, ce qui abaisse la tempéras ture du gaz à un niveau prédétermine. De préférence, la tuyère 25 d'eau de refroidissement est placée au point d'admission du gaz dans la turbine, comme repréZ senté sur la figure 3. Si la température du gaz est ainsi abaissée par pulvérisation d'eau de refroidissement, l'élévation de la température des différents organes de la turbine est réduite au mini mum et la dégradation des matières résistant mal à la température, par exemple une couche de revêtement des ailettes fixes pour empt- cher le collage des poussières, peut être effectivement évitée En outre, on peut obtenir un effet d'élimination de poussières qui adhèrent sur les ailettes fixes et la partie d'entrée du stator. Si on désire seulement abaisser la température du gaz admis à la turbine à une valeur prédéterminée, la tuyère de pulvérisation d'eau de refroidissement peut être placée en un autre endroit que ci-dessus. Par exemple, elle peut titre placée en tout point du conduit de gaz d'échappement reliant le haut-fourneau à la turbine. Dans une forme particulière de réalisation de la présen- te invention, on peut utiliser un procédé dans lequel la tempéras ture d'une partie facilement dégradable par la chaleur est loca- lement abaissée. Par exemple, lorsque les ailettes fixes du pre- mier étage sont revêtues d'une matière qui risque de subir une dégradation thermiques on pulvérise leau de refroidissement pour protéger seulement la zone du revêtement.Dans cette forme de réaZ lisation, la quantité d'eau à pulvériser peut entre réduite mais dans beaucoup de cas la température du gaz admis à la turbine n'est pas ainsi diminuée0 Toutefois, la dégradation thermique de la partie qui risque deatre détériorée par la température peut être effectivement évitée. Lorsque le phénomène de coup de gaz se produit dans le haut-fourneau, la puissance de la turbine augmente, du fait de l'élévation de la température et de la pressions Par suite9 lors- que la capacité du générateur est limitée9 il est nécessaire d'u- tiliser des moyens tenant compte de cet accroissement de la puise sance de la turbine0 Cela est possible, on ce qui concerne l'élé- vation de la pression, par ouverture et fermeture de la vanne de dérivation et la vanne de régulation9 suivant un dispositif usuel9 mais il faut prévoir des arrangements spéciaux en ce qui concerne l'augmentation de puissance de la turbine due à 1' élévation de la température0 Dans la présente invention9 un détecteur de tempéras ture 21 est disposé comme représenté sur la figure 4 et un circuit de commande 22 est prévu pour que9 lorsque la température détec tée par le relais 21 dépasse une valeur prédéterminée, la vanne de régulation soit fermée à un degré correspondant à l'excès de la température par rapport à la valeur prédéterminée.Cette diso position évite qu'une charge excessive soit imposée au générateur0 Dans la forme de réalisation (III), le dispositif do pulvérisation d'eau est placé dans le conduit en amont de la turX bine. Le dispositif (III) est avantageux, par rapport au disposio tif (II), on ce que la mise en place des moyens de pulvérisation d'eau est facilitée, une pluralité de tuyères do pulvérisation peuvent titre installées et l'entretien du dispositif est plus fa- cilo. De toute manière, dans les deux formes de réalisation (II) et (III), il est nécessaire de pulvériser l'eau très finement pour faciliter l'abaissement de la température du gaz. il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif sui- vant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection de turbine entrainée par le gaz d'é chappement d'un haut-fourneau, caractérisé en ce quail comprend: des moyens (23) de pulvérisation d3eau de refroidissement, dans un conduit de gaz entre le haut-fourneau et la turbine ou dans l'intérieur de la turbine1 et/ou une vanne (41) d'armet daur- gence ; et des moyens (21) de détection de l'apparition du phé nomène de coup de gaz dans le haut-fourneau, les moyens de pul vérisation d'eau de refroidissement et/ou la vanne d'arrêt daur- gence étant actionnés à la réception d > un signal émis par les dits moyens de détection. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de pulvérisation d'eau de refroidissement sont situés dans la partie d'entrée de gaz de la turbine. 3. Dispositif suivant la revendication I ou 2, caractérisé en ce que les moyens de détection de l'apparition du coup de gaz dans le haut-fourneau sont des moyens sensibles à la variation de la température et/ou de la pression du gaz d'échappement. 4. Dispositif suivant lune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ailettes fixes (36) de la turbine sont revêtues d'une matière à laquelle les puussières adhèrent diffi cilement, l'eau de refroidissement étant pulvérisée au voisinage de l'admission de gaz de la turbine. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications l à 4, caractérisé en ce que le conduit (2c) pour le gaz d'échappement du haut-fourneau est dérivé en un conduit (2e) d'admission du gaz à la turbine et un conduit (2d) de réglage du débit de gaz, afin d'envoyer à la turbine un débit prédéterminé de gaz dsé- chappement. 6. Dispositif suivant la revendication l, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de pulvérisation d'eau sur une matière qui risque de-subir une déformation ou une dégradation thermique, ladite matière étant dans la turbine, et des moyens de détec tion de l'apparition du coup de gaz dans le haut-fourneau, de façon à actionner les moyens de pulvérisation par les moyens de détection en réponse à l'apparition du coup de gaz. 7. Dispositif suivant la revendication l, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne de réglage disposée à l'admission de gaz de la turbine et des moyens de détection de l'apparition du coup de gaz dans le haut-fourneau, de façon à ce qu'à la réception d'un signal de détection du phénomène,la vanne de commande soit actionnée pour régler le débit de gaz, afin de ne pas imposer au générateur accouplé à la turbine une surcharge résultant de laaugmentation de puissance de la turbine du fait de l'élévation de température provoquée par le coup de gaz