Brevet FR2488942A1 — publié le 19820226

La présente invention concerne un procédé de combustion et un appareil de combustion pour les turbines à gaz, plus particulièrement, un procédé de combustion et un appareil de combustion permettant de réduire l'émission d'oxydes de l'a- zote (appelés ci-après NOx) quand on utilise du gaz naturel liquéfié (GNL) ou un combustible gazeux similaire comme le gaz de houille. Le NOx et l'oxyde de carbone (appelé ci-après CO) con- tenuspar les gaz d'échappements émis par une turbine à gaz sont nocifs de façon inhérente, et constituent l'une des causes de la pollution de l'air et des brouillards photochimiques. Récemment, le besoin de réduire les quantités de NOx pour empêcher la destruction de l'environnement naturel est devenu pressant. Ce besoin est particulièrement important du point de vue social. Pour satisfaire totalement les règles, il est nécessaire de réduire le taux de NOx jusqu'à environ 1/10 ou moins du taux actuel. En général, on pense que les NOx sont formés dans la région de température de flamme élevée dans un appareil de combustion et que la formation de NOx peut effectivement être réduite en abaissant la température de flamme. On a jusqu'à présent proposé qu'une turbine à gaz dans laquelle un excès d'air doit être fourni soit conçue pour ef- fectuer une combustion à une basse température, grâce à l'ap- provisionnement d'une partie de l'excès d'air dans la région à température de flamme élevée. Ce type de procédé de com- bustion est généralement appelé comme une combustion d'un mé- lange pauvre à basse température. Cette combustion classique d'un mélange pauvre à basse température ne permet cependant pas de fournir une réduction importante de l'émission de NOx à un niveau permettant de satisfaire les règles strictes ac- tuelles, pour les raisons décrites ci-dessous. Dans la combustion d'un mélange pauvre à basse tempéra- ture, bien que l'excès d'air soit fourni, il doit exister une région telle que la combustion optimale s'effectue en donnant une température de flamme élevée, car la combustion a lieu seulement après le mélange du combustible et de l'air dans le processus de combustion. En conséquence, NOx est inévi- tablement formé dans une telle région de température de flam- me élevée Une alimentation accrue en excès d'air pour la réduc- tion de NOx produira une zone excessivement refroidi de sor- te que la teneur en CO et autres substances non brêlées augmentera de façon indésirable bien que l'on puisse obtenir une réduction plus poussée de NOx. Dans le pire des cas, l'a- limentation en excès d'air peut provoquer un arrêt de la flamme ou un raté. Le brevet des E.U.A. NI 4.058.977 propose un appareil de combustion à faible émission de NOx comportant des cham- bres de type à tourbillon, en soumettant l'air passant dans le moteur à des températures élevées de production de NOx pendant des périodes minimales et en établissant un retard d'allumage déterminé de façon à permettre un prémélange molé- culaire entre le tourbillon dit vicié, le mélange combustible - air prévaporisé et l'air de combustion tourbillant pour établir un autoallumage déterminé de façon à produire une combustion pauvre à vitesse élevée dans la chambre de combus- tion primaire, le terme "vicié" étant utilisé pour décrire un mélange de combustible d'air o l'oxygène disponible pour la combustion qui existe dans l'air ou le mélange est inférieur à la teneur normale de 21 %, c'està-dire un mélange à teneur réduite en oxygène. Ce brevet concerne une structure de brûleur pilote basé sur la combustion d'un mélange vicié de combustible liquide vaporisé et d'air pour utiliser le pro- duit de combustion provenant du brûleur pour la vaporisation éclair de gouttelettes de combustible de façon à effectuer le retard d'allumage jusqu'à ce que de l'air de combustion tour- billonnant supplémentaire puisse être introduit pour augmen- ter la teneur en oxygène. C'est-à-dire que cette référence concerne une faible émission de NOx à partir d'un combustible liquide et ne concerne pas l'utilisation d'un combustible gazeux. Un but de la présente invention est de fournir un pro- cédé de combustion et un appareil de combustion pour turbines à gaz, o un prémélange d'air comprimé et de combustible gazeux est introduit dans la partie de tête de l'appareil de combustion pour empêcher la formation de températuresde flam- me élevées qui ont tendance à promouvoir la formation de NOx. La présente invention est basée sur le fait que l'on peut obtenir une plus grande réduction de NOx par combustion diluée dans une combustion de type dite à prémélange o la combustion a lieu après un prémélange du combustible et de l'air, la réduction étant plus importante que dans la com- bustion de typé dit à mélange par diffusion o le mélange de l'air et du combustible et la combustion sont effectués dans une chambre de combustion. Plus particulièrement, selon l'in- vention, une flamme de combustion prémélangée stable est for- mée dans la région de combustion à température élevée ayant lieu dans la partie centrale de l'appareil de combustion pour supprimer la formation de NOx tout en formant une flamme sta- ble, ce qui permet de réaliser une combustion d'un mélange pauvre à basse température avec une formation réduite de NOx. Les figures 1 et 7 sont des représentations schémati- ques d'appareils de combustion construits selon différents modes de réalisation de l'invention; La figure 2 est une vue agrandie de la partie marquée A dans le mode de réalisation de la figure 1; La figure 3 est un diagramme caractéristique montrant la réduction de NOx en fonction du taux d' excès d'air du prémélange; La figure 4 est une représentation d'un réglage de com- bustible adopté dans le fonctionnement de l'appareil de com- bustion selon l'invention; La figure 5 montre la relation entre le rapport air- combustible et la réduction de NOx obtenue dans l'appareil de combustion de l'invention, par rapport à la relation obtenue dans un appareil de combustion de la technique antérieure; La figure 6 est une représentation schématique d'un ap- pareil de combustion de la technique antérieure; La figure 8 est une vue agrandie de la partie marquée B de la figure 7; - La figure 9 est une vue agrandie de l'orifice pour l'air tourbillonnant. On décrira ci-dessous un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant aux dessins annexés. Sur la figure 1, une turbine à gaz se compose d'un com- presseur 1, d'un appareil de combustion 2, d'une turbine 3 et d'une partie de charge 4, comme constituants principaux. De l'air comprimé 5a et 5b fourni par le compresseur 1 est in- troduit dans l'appareil de combustion 2. L'air 5b provenant du compresseur 1 passe par une par- tie de diffusion 104 puis est introduit dans le réservoir , et passe le long de la pièce de transition 100 et dans l'espace annulaire entre le cylindre extérieur 7 et le cylin- dre intérieur 8, et est introduit dans l'appareil de combus- tion par l'intermédiaire de volets ouverts sur la paroi du cylindre intérieur 8 pour former un courant d'air de refroi- dissement 107, par l'intermédiaire des orifices d'air tour- billonnant 109 pour la combustion et par l'intermédiaire des orifices d'air de dilution 16. Par ailleurs, le gaz de combustion 6 formé dans l'appa- reil de combustion 2 traverse la pièce de transition 100 sous forme d'un courant de gaz à écoulement rectifié 101 et est fourni à la turbine 3 pour le travail. L'appareil de combus- tion 2 qui est-la source de formation de NOx et de CO est constitué par le cylindre extérieur 7, le cylindre intérieur 8 monté dans le cylindre extérieur 7, le couvercle terminal 9 monté pour fermer une extrémité du cylindre ouvert 7 et la buse à combustible 10 fixée au couvercle d'extrémité 9. La buse à combustible 10 destinée à injecter le com- bustible gazeux prémélangé avec de l'air dans l'appareil de combustion est constituée d'une chambre de prémélange 19 des- tinée à mélanger le combustible gazeux 18a avec l'air 5c, d'une plaque perforée de résistance 111 destinée à promouvoir l'effet de mélange et à empêcher un retour de flamme, et d'un dispositif de tourbillonnage 113 pour transformer le prémélange résultant de combustible gazeux et d'air en un courant tourbillonnant 112, comme il sera décrit ci-après en détail. La chambre de combustion 11 définie dans le cylindre interne 8 a une chambre de combustion de tête 13 dans laquel- le s'effectue la combustion de prémélange pour former une flamme de prémélange stable 12, une chambre de combustion arrière 15 dans laquelle sont introduits simultanément un combustible gazeux 18b et de l'air comprimé 5b pour obtenir la combustion principale de la flamme pauvre à basse tempéra- ture 14, et une région de dilution définie du c8té aval de la chambre de combustion arrière 15 et conçue pour refroidir le gaz de combustion jusqu'à une température prédéterminée tout en obtenant une uniformité de la température du gaz de com- bustion. Des orifices 16 d'air de dilution sont prévus dans la région de dilution. L'air comprimé 5a provenant du compres- seur 1 est en outre comprimé par un recompresseur 17 pour former de l'air comprimé 5c à une pression supérieure. Cet air 5c est introduit avec la partie 18a du combustible gazeux 18 dans la chambre de prémélange 19 pour former un gaz de prémélange 20 avec un taux d'excès d'air ( >) dans le combustible gazeux prémélangé 8a avec l'air comprimé 5c com- pris entre 1,2 et 1,4 en poids. Ce gaz de prémélange 20 est introduit dans la chambre de combustion de tête 13. Dans le fonctionnement nominal de la turbine à gaz, environ 1/4 à 1/3 du combustible gazeux total est contenu dans ce gaz de prémé- lange qui est introduit dans la chambre de combustion de tête 13. Comme le gaz de prémélange a une bonne combustibilité, il y a une grande possibilité de combustion dans la chambre de combustion de tête 13, de sorte que la vitesse d'écoulement dans le système d'alimentation est accélérée pour empêcher la propagation inverse de la flamme provenant de la chambre de combustion, c'est-à-dire ce que l'on appelle le retour de flamme. A cette fin, il est nécessaire que la vitesse du gaz de prémélange 20 sortant de la buse de combustible 113 soit supérieure à la vitesse de combustion de là flamme. En vue de créer un tel état, de l'air comprimé 5a est en outre comprimé à une pression supérieure pour s'écouler dans la chambre de combustion de tête 13 à une grande vitesse d'écoulement. La pression d'injection du gaz de prémélange 20 est réglée pour être au moins 1,5 fois la pression dans le cylindre interne de l'appareil de combustion, et sa vitesse d'injection est au moins 100 m/s en ce moment. L'introduction du mélange dans la chambre de combustion est effectuée après un mélange suffi- sant du combustible gazeux 18a et de l'air comprimé 5c dans la chambre de prémélange 19. Par recompression d'une partie de l'air, on empêche le retour de flamme indépendamment des changements de pression dans la direction axiale de l'appa- reil de combustion 8 qui sont effectués pour créer une flamme stable, pour les raisons suivantes. Le gaz de combustion 6 passe de la chambre de combus- tion de tête 13 dans la chambre de combustion arrière 15. Ainsi, la pression est plus élevée dans la chambre de com- bustion de tête 13 et diminue progressivement vers le côté aval. Par ailleurs-, la pression dans l'espace annulaire 22, entre les cylindres extérieur et intérieur 7 et 8,diminue progressivement vers la partie de tête de la chambre de com- bustion en raison des pertes par frottement et des pertes d'énergie dues à la présence de résistance. En conséquence, la pression dans le cylindre interne augmente progressivement vers la partie de tête, tandis que la pression dans l'espace annulaire 22 diminue progressivement vers la partie de tête, de sorte que la-vitesse d'écoulement de l'air diminue et rend extrêmement difficile d'alimenter l'air au débit désiré. En outre, la vitesse d'écoulement accrue augmente de façon indé- sirable la perte de charge dans l'appareil de combustion. Selon l'invention cependant, seule une partie 5a de l'air comprimé est comprimé à nouveau pour augmenter la vitesse d'écoulement de façon à éviter la propagation de la flamme vers la chambre de prémélange 19, c'est-à-dire le retour de flamme de sorte que la flamme peut être maintenue de façon stable indépendamment des changements dans l'état de combus- tion dans la chambre de combustion arrière 15. Il est donc possible de former une flamme stable de prémélange comportant une formation réduite de NOx dans la chambre de combustion de tête 13. La figure 3 montre la relation entre le taux d'excès d'air du prémélange et la réduction de NOx. Comme le montre la figure 3, il est possible d'obtenir un taux de réduction de NOx de plus de 70 % si le taux d'excès d'air (X) est au moins 1,2, comme le montre la courbe en trait plein. Sur la figure 3, le résultat sans prémélange du com- bustible gazeux et de l'air, c'est-à-dire celui de la com- bustion par diffusion du même combustible gazeux, est donné par la courbe en pointillé. Pour le taux d'excès d'air ( A) de 1,2, il a été confirmé expérimentalement que la réduction de NOx par combustion par diffusion est environ la moitié de celle qui existe lors de la combustion du combustible prémé- langé. C'est-à-dire que la combustion du combustible prémé- langé est nettement plus efficace pour réduire l'émission de 1NOx, et l'on ne peut pas obtenir une réduction de NOx supé- rieure à 70 % par la combustion par diffusion. Sur les parties latérales de la chambre de combustion arrière sont disposés plusieurs orifices de décharge de combustible 16 et orifices d'air tourbillonnant 24, comme le montrent les figures 2 et 9. Sur les figures 2 et 9, le combustible gazeux 18b pour la chambre de combustion arrière 15 est introduit d'abord dans le réservoir à combustible 115 par le tuyau d'alimenta- tion en combustible 114. Le réservoir à combustible 115 com- porte plusieurs orifices d'évacuation de combustible 116, qui permette au combustible gazeux 18b d'être déchargé dans les passages 24 d'air tourbillonnant 25 entourés par les pales 117 à air tourbillonnant. Les orifices d'évacuation des com- bustibles 16 sont ouverts pour faire face aux orifices d'air tourbillonnant de façon à introduire le combustible gazeux 18b dans le courant d'air 25 passant par les orifices d'air 24 pour former un mélange qui est ensuite introduit dans la chambre de combustion arrière 15. Les débits d'air comprimé b et de combustible gazeux 18b sont déterminés de façon à fournir un taux d'excès d'air ( > de 1,5 à 1,6 dans l'opé- ration nominale de la turbine à gaz. Ainsi, le taux d'excès d'air est en outre accru dans l'opération de charge partielle de la turbine à gaz, mais la combustion instable pendant l'opération de charge partielle est évitée en raison de la flamme formée par suite de la combustion du prémélange dans la chambre de combustion de tête 13. Pour diminuer encore NOx, on préfère effectuer la com- bustion du prémélange non seulement dans la chambre de com- bustion de tête 13, mais également dans la chambre de com- bustion arrière 15. Cependant, ceci peut provoquer un retour de flamme si le prémélange prend feu avant d'entrer dans la chambre de combustion, de sorte que la combustion d'ans la chambre de combustion arrière est faite sous forme d'une com- bustion à mélange par diffusion. Dans le mode de réalisation décrit cependant, les orifices d'air tourbillonnant 24 sont placés l'un en face de l'autre, et le combustible gazeux 18b est fourni par ces orifices d'air de sorte que le combustible gazeux 18b et l'air comprimé 5b puissent être préalablement mélangés à un certain degré pour effectuer la réduction de NOx. Le taux d'excès d'air tible gazeux 18b et d'air comprimé 5b dans l'opération no- minale de la turbine à gaz est de préférence compris entre 1,5 et 1,6, de sorte que la combustion est effectuée dans un état pauvre pour obtenir une réduction remarquable de NOx. Environ 66 à 75 %0 du combustible total sont fournis pour la combustion dans la chambre de combustion arrière, comme le montre la figure 4. Sur la figure 4, le symbole if représente le débit de combustible fourni dans la chambre de combustion de tête, iif représente le débit de combustible fourni dans la chambre de combustion arrière et iiif représente le débit total de combustible. Le symbole ia représente le débit d'air pour le prémé- lange et le symbol iii représente le débit d'air total. Le débit d'air sera maintenu constant au dessus de O % de char- ge, tandis que le débit d'air pour le prémélange est modifié de façon proportionnelle au changement du débit de combustible gazeux dans la chambre de combustion de tête pendant le démarrage. La condition de combustion dans la.chambre de com- bustion arrière est telle que, dans l'opération nominale de la turbine à gaz, le taux d'excès d'air est compris entre 1,5 et 1,6. Ce taux d'excès d'air est cependant accru dans 1't'opé- ration sous charge partielle. Cependant, une combustion sta- ble se maintient dans la chambre de combustion arrière 15, en raison de la flamme stable formée par suite de la combustion constante dans la chambre de combustion de tête 13. La figure 5 montre comment la présente invention est supérieure à la technique antérieure basée sur la combustion par diffusion, dans l'effet de réduction de NOx. Sur la fi- gure 5, la tendance de combustion selon la technique anté- rieure et selon l'invention sont -représentées par les courbes IV et V respectivement. L'appareil de combustion de la technique antérieure utilisé pour la comparaison est l'appareil de combustion du type dit à mélange par diffusion n'ayant qu'un seul orifice de décharge de combustible, conçu pour effectuer une combus- tion pauvre à basse température pour la réduction de NOx, comme représenté sur la figure 6. Dans l'appareil de combus- tion de la technique antérieure cependant, il est nécessaire de maintenir un taux d'excès d'air à un niveau compris entre 1,3 et 1,5 dans la zone de combustion pendant l'opération nominale pour maintenir une flamme stable sur un large inter- valle de charge, allant de pas de charge à la charge nomina- le. Si l'on augmente le débit d'air pour réduire encore l'é- mission de NOx, il se produit des phénomènes indésirables comme la formation des CO et d'autres substances non brûlées, des ratésetc.. Au contraire, dans l'appareil de combustion de l'inven- tion, il est possible d'obtenir une combustion à un taux d'excès d'air accru dans la chambre de combustion arrière 15, en raison de la flamme stable formée dans la chambre de com- bustion de tête 13, pour obtenir une réduction remarquable de NOx, comme on le voit également sur la figure 5. En outre, comme la flamme dans la chambre de tête 13 est la flamme de prémélange et que la température de combus- tion est relativement faible, c'est-à-dire 1600 -18001C, il est possible de supprimer la formation de NOx dans la partie centrale de l'appareil de combustion, partie dans laquelle la formation de NOx est importante dans l'appareil de combustion de la technique antérieure. La figure 7 représente un autre mode de réalisation de l'invention, tandis que la figure 8 montre une vue agrandie d'une partie essentielle B du mode de réalisation représenté sur la figure 7. Dans ce mode de réalisation, la chambre de combustion de tête 26 a un diamètre plus petit que celui de la chambre de combustion arrière 27. Un appareil de tourbillonnage 29 des- tiné à fournir de l'air sous forme d'un tourbillon est placé à la jonction entre la chambre de combustion de tête 26 et la chambre de combustion arrière 27. Un orifice de décharge de combustible 31 est ouvert dans le passage d'air 30 de l'ap- pareil de tourbillonnage 29. La chambre de prémélange 19 est connectée à l'extrémité latérale amont (extrémité gauche sur la figure 7) de la chambre de combustion de tête 26 ayant un diamètre réduit. Dans l'appareil de combustion de ce mode de réalisa- tion, le prémélange de l'air comprimé 56, et du combustible gazeux 18b est effectué dans l'appareil de tourbillonnage 29. En outre, comme le diamètre de la chambre de tête 26 est réduit, il est possible de former et de maintenir une flamme de prémélange stable dans la chambre de tête 26 sans qu'elle soit affectée par la flamme formée dans la chambre de com- bustion arrière 27. Dans le chambre de combustion de tête 26, la combustion a lieu avec un taux d'excès d'air compris entre 1,2 et 1,4, de sorte que la température de combustion est généralement comprise entre 1600 et 1800WC et la température de la paroi métallique devient élevée. Dans ce mode de réali- sation cependant, la surface métallique est faible et en con- séquence la surface de transfert de chaleur est également faible. En conséquence, le débit d'air nécessaire à refroidir la paroi métallique peut être diminué ce qui permet d'augmen- ter avantageusement sans causer de problème la quantité d'air pour la combustion et la dilution. Comme il a été décrit, selon la présente invention, un prémélange d'air comprimé et de combustible gazeux est fourni dans la partie de tête de l'appareil de combustion, en empê- chant ainsi efficacement la formation d'une surface de flam- me de température élevée qui tend à promouvoir la formation de NOx dans la chambre de combustion. En conséquence, l'in- vention fournit le grand avantage d'une réduction importante de NOx. la REVENDICATIONS 1. Procédé de combustion pour une turbine à gaz consis- tant: à mélanger de l'air comprimé avec un combustible ga- zeux pour former un prémélange, à introduire le prémélange dans une chambre de combustion depuis l'extrémité amont de la chambre de combustion pour former une flamme de prémélange; et à introduire davantage de combustible gazeux pour la com- bustion principale ainsi que de l'air dans une région proche de l'extrémité de la pointe de la flamme de prémélange, en effectuant ainsi une combustion à faible température d'un mé- lange pauvre. 2. Procédé de combustion selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'air comprimé pour ledit prémélange est mélangé avec le combustible gazeux du prémélange avec un taux d'excès d'air de 1,2 ou plus. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le taux d'excès d'air est compris entre 1,2 et 1,4. 4. Procédé selon la revendication 1, o le prémélange est introduit dans la chambre de combustion sous une pression qui est au moins 1,5 fois la pression dans la chambre de combus- tion et à une vitesse d'injection d'au moins 100 m/s. 5. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le combustible gazeux et l'air destiné à la combustion principale sont introduits dans la région appropriée avec un taux d'excès d'air de 1,3 ou plus. 6. Procédé de combustion selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que le combustible gazeux est du gaz naturel ou du gaz de houille. 7. Appareil de combustion pour turbine à gaz, compre- nant: un cylindre interne 8 définissant une chambre de com- bustion comportant plusieurs volets destinés à fournir de l'air pour la combustion principale. et la dilution, la cham- bre de combustion étant formée d'une chambre de combustion de tête 13 pour la combustion de prémélange, d'une chambre de combustion arrière 15 pour la combustion principale d'une flamme pauvre à basse température et d'une région de dilution pour refroidir le gaz de combustion, ces différentes régions étant situées dans l'ordre depuis le côté amont jusqu'au côté aval; un cylindre extérieur 7 entourant le cylindre inté- rieur 8 pour former un passage d'air entre le cylindre ex- térieur et le cylindre intérieur vers les volets; un couver- cle d'extrémité 9 fermant une extrémité du cylindre extérieur 7; une buse d'alimentation 10 pour un prémélange de combus- tible gazeux et d'air comprimé, traversant le couvercle d'ex- trémité et s'ouvrant dans la chambre de combustion de tête 13; une série d'orifices d'alimentation de combustible 116 et d'orifices d'air tourbillonnant 24 disposés sur le côté de la chambre de combustion arrière et une série d'orifices à air 16 placés sur le côté de la région de dilution. 8. Appareil de combustion selon la revendication 7, carac- térisé en ce que la buse d'alimentation pour prémélange de combustible gazeux avec de l'air comprimé est formée d'une chambre de prémélange 19 destinée à mélanger le combustible gazeux 18a avec de l'air comprimé 5c, une plaque perforée de résistance 111 et un appareil de tourbillonnage 113, placés dans cet ordre de l'amont vers l'aval, et conçus pour fournir un prémélange de gaz combustible et d'air comprimé dans la chambre de combustion de tête 13. 9. Appareil de combustion selon la revendication 7, carac- térisé en ce que les orifices d'évacuation de combustible 116 et les orifices d'air tourbillonnant 24 sont dans une struc- ture intégrée 109 comportant un réservoir à combustible 115 relié au tuyau d'alimentation en combustible 114 et aux ori- fices 116 d'alimentation de combustible, et un passage 24 d'air tourbillonnant 25 entouré de pales à air tourbillon- nant 117. 10. Appareil de combustion selon la revendication 7, carac- térisé en ce que la chambre de combustion de tête a un diamè- tre plus petit que la chambre de combustion arrière, et les orifices d'alimentation en combustible et les orifices d'air tourbillonnant sont placés à la jonction de la chambre de combustion de tête et de la chambre de combustion arrière.