Brevet FR2825119A1 — publié le 20021129

ladite unité fonctionnelle (28) ne suffisent pas à son refroidissement. 282511 9 La présente invention concerne un procédé et une installation d'alimentation d'une unité de séparation d' air au moyen d'une turUine à gaz. De façon classique, une turbine à gaz comprend un compresseur, une chambre de combustion, ainsi qu'une turtine de détente, couplée au compresseur pour l'entraînement de ce dernier. Cette chambre de combustion reçoit un gaz de combustion, ainsi qu'une certaine quantité d'azote, destinée à abaisser la température de flamme dans cette chambre de combustion, ce qui permet de minimiser les rejets d'oxydes d'azote à l'aLmosphère. De façon connue, le gaz de combustion peut être obtenu par gazélfication, à savoir par oxydation de produits carbonés, tels que du charbon ou bien encore des résidus pétroliers. Cette oxydation est réalisée dans une unité indépendante, dénommée gazéifieur. De façon classique, il est possible d'associer cette turbine à gaz avec une unité de séparation d'air. Cette dernière, qui est habituellement une unité cryogénique comprenant au moins une colonne de distillation, permet de fournir, à partir d' air, au moins un courant gazeux constitué en majorité par un des gaz de l'air, notamment l'oxygène ou l'azote. L' association de cette unité de séparation d' air avec la turbine à gaz consiste à tirer parti d'au moins un des deux courants gazeux précités. A cet effet, l'oxygène et l'azote produits dans l'unité de séparation d'air sont admis respectivement dans le gazéifieur et la chambre de combustion. L'invention vise plus particulièrement la mise en _uvre combinée d'une turbine à gaz et d'une unité de séparation d'air, dans laquelle l'air d'entrée, délivré à - cette unité de séparation, est au moins en partie fourni par la turbine à gaz. 282511 9 A cet effet, le circuit de refoulement du compresseur de cette turbine à gaz est mis en communication avec l'entrée de l'unité de séparation, en remplacement ou en complément d'un compresseur externe d'alimentation. Cet agencement est notamment décrit dans FR-A-2 690 711. Cette solution connue présente cependant certains inconvénients. En effet, il a été constaté que, le fait d'alimenter l'unité de séparation d' air au moyen de la turbine à gaz est susceptible d'entraîner une perte de pureté des gaz produits dans l'unité de séparation, tels que l'oxygène, l'azote ou l' argon, voire des arrêts intempestifs de cette unité de séparation. Dans ce dernier cas, il convient alors de procéder à un redémarrage de cette unité, ce qui implique une perte de temps conséquente, ainsi qu'une consommation énergétique considérable. L' invention se propose de pallier ces inconvénients. A cet effet, elle a pour objet un procédé d'alimentation d'une unité de séparation d'air au moyen d'une turbine à gaz, dans lequel on admet de l'air d'entrée dans une entrée de ladite unité de séparation, on fournit au moins une fraction dudit air d'entrée à partir de ladite turtine à gaz, et on extrait de l'unité de séparation deux courants gazeux enrichis respectivement en azote et en oxygène, caractérisé en ce qu'on détecte une diminution sensible du débit de la fraction d' air provenant de la turbine à gaz, puis on recycle, vers l'entrée de l'unité de séparation, au moins une partle d'au moins un des deux courants gazeux. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - on recycle, vers l'entrée de l'unité de séparation, au moins une partie de chacun des deux courants gazeux; - on détecte la diminution sensible du débit de ladite fraction d' air provenant de la turtine à gaz, en détectant 282511 9 le passage de ce débit au-dessous d'une valeur prédétermince; - la valeur prédéterminée correspond à une diminution instantanée d'au moins 5% du débit de la fraction d' air d'entrce provenant de la turbine à gaz; - on détecte la diminution sensible du déLit de ladite fraction d'air provenant de la turbine à gaz, en détectant un arrêt de la turbine à gaz; - en fonctionnement normal de la turtine à gaz, on fournit sensiblement la totalité de l' air d'entrée à partir de la turbine à gaz; - après avoir détecté la diminution sensible du débit de la fraction d' air provenant de la turbine à gaz, on recycle sensiblement la totalité du ou de chaque courant gazeux extrait, vers l'entrée de l'unité de séparation; - on envoie une fraction d'air d'appoint, dont le débit est sensiblement inférieur au débit du ou de chaque courant gazeux recyclé; - en fonctionnement normal de la turbine à gaz, on fournit seulement une partie de l'air d'entrée, à partir de la turbine à gaz; - après avoir détecté la diminution sensible du débit de la fraction d' air provenant de la turbine à gaz, on recycle seulement une partie du ou de chaque courant gazeux extrait, vers l'entrée de l'unité de séparation; - on alimente un gazéifieur au moyen de l'autre partie, non recyclée, du courant gazeux riche en oxygène; - on fournit au gazéifieur un appoint d'oxygène, en complément de ladite autre partie du courant gazeux riche en oxygène; - on rejette à l' aLmosphère l' autre partie, non recyclée, du courant gazeux riche en azote. L' invention a également pour objet une installation d'alimentation d'une unité de séparation d' air au moyen 282511 9 d'une turbine à gaz, comprenant une turtine à gaz comportant des moyens de fourniture d'air comprimé, en particulier un compresseur, une unité de séparation d'air comprenant des moyens d' alimentation en air d' entrée, ces moyens d'alimentation comportant au moins des premiers moyens d'alimentation, en liaison avec les moyens de fourniture de la turtine à gaz, ainsi que des premiers et seconds moyens d'évacuation, hors de ladite unité, de deux courants gazeux enrichis respectivement en azote et en oxygène, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens de recyclage d'au moins un des deux courants gazeux, aptes à mettre en communication au moins les premiers ou seconds moyens d'évacuation avec les moyens d'alimentation en air de l'unité de séparation d'air. - Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens de recyclage sont des moyens de recyclage de chacun des deux courants gazeux, aptes à mettre en communication les premiers et seconds moyens d'évacuation avec les moyens d'alimentation en air; - l'installation comprend également des moyens de détection d'une diminution sensible du débit d' air s'écoulant dans les premiers moyens d'alimentation, ces moyens de détection étant mis en relation avec des moyens de réglage, en particulier des vannes, aptes à régler les débits de gaz s'écoulant dans les premiers et/ou seconds moyens d'évacuation et les moyens de recyclage; - les moyens de détection comprennent des moyens de mesure du débit d' air s'écoulant dans les premiers moyens d'alimentation; - les moyens de détection comprennent des moyens de détection d'un arrêt de la turUine à gaz; - les moyens de recyclage comprennent au moins une conduite, qui relie la sortie d'un compresseur d'un courant 282511 9 gazeux respectif, avec les moyens d'alimentation en air de l'unité de séparation. L'invention va être décrite ci-après, en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique, illustrant une installation conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, en marche normale de la turbine à gaz; - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, illustrant l' installation de la figure 1, lorsque la turbine à gaz est arrêtée; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1, illustrant une installation conforme à un second mode de réalisation de l' invention, en marche normale de la turbine à gaz; et - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, illustrant l' installation de la figure 3, lorsque la turbine à gaz est arrêtée. L' installation représentée aux figures 1 et 2 comprend une turbine à gaz, désignce dans son ensemble par la référence 2, qui comporte, de façon classique, un compresseur d' air 4, une turbine de détente 6, couplée au compresseur 4, ainsi qu'une chambre de combustion 8. Cette turbine à gaz 2 est également pourvue d'un alternateur 10, entraîné par un arbre 12, commun au compresseur 4 ainsi qu'à la turbine 6. L' installation de la figure 1 comprend également une unité de séparation d'air, de type connu, désignée dans son ensemble par la référence 14. L'entrée de cette unité de séparation 14 est alimentée en air par une conduite 16, mise en communication avec le circuit de refoulement 5 du compresseur 4. Cette conduite 16 est équipée d'une vanne 17, ainsi que d'un capteur de déhit 18. L'unité de séparation opère 282511 9 par cryogénie et comporte à cet effet plusieurs colonnes de distillation non représentées. Une ligne 20 permet d'évacuer, hors de l'unité 14, un premier courant W d'azote résiduaire. Ce courant contient au moins 90%, de préférence au moins 95% molaires d'azote, ainsi que quelques % d'oxygène. Cette ligne 20 débouche dans un compresseur 22, en aval duquel s'étend une conduite 24, qui est pourvue d'une vanne 26 et déLouche dans la chambre de combustion 8. Une ligne 28, munie d'une vanne 30, relie les conduites 16 et 24. Une conduite 32 permet l'évacuation, hors de l'unité 14, d'un courant gazeux GOX riche en oxygène, qui contient au moins 70%, de préférence au moins 80% molaires, d'oxygène. Cette conduite 32 débouche dans un compresseur 34, en aval duquel s'étend une ligne 36, munie d'une vanne 38. Cette ligne 36 débouche dans un gazéifieur 40, de type classique, qui est alimenté par un réservoir non représenté, contenant des produits carbonés, tels que du charbon. Une conduite 42, munie d'une vanne 44, relie la conduite 16 et la ligne 36. Une ligne 46, qui s'étend en aval du gazéifieur 32, véhicule le gaz combustible issu de l'oxydation des produits carbonés précités. Cette ligne 46, qui est équipée d'une vanne 48, est mise en communication avec la chambre de combustion 8 de la turtine à gaz. Par ailleurs, le capteur 18 est mis en relation avec les vannes 26, 30, 38 et 44, par des lignes de commande respectives, représentées en traits mixtes, qui sont affectées des références 26', 30', 38' et 44'. - Le fonctionnement de l' installation ci-dessus, en crégime normal de la turbine à gaz 2, va être décrit ci après, en référence à la figure 1. 282511 9 L'unité de séparation d' air 14 recoit de l'air - comprimé provenant du compresseur 4 et produit, de facon classique, deux courants gazeux, enrichis respectivement en azote et oxygène, qui sont véhiculés par la ligne 20 et la conduite 32. Le courant gazeux enrichi en oxygène est admis dans le gazéifieur 40, qui recoit par ailleurs des produits carbonés tels du charbon. L'oxydation réalisée dans ce gazéifieur 40 conduit à la production de gaz combustible, délivré par la conduite 46, qui alimente la chambre de combustion 8 de la turtine à gaz. Cette dernière recoit par ailleurs, par la conduite 24, le courant gazeux W enrichi en azote, ainsi que, par la ligne 5, l' air comprimé provenant du compresseur 4. Les gaz issus de la combustion correspondante, mélangés à l'azote résiduaire, sont envoyés vers l' admission de la turtine de détente 6, o ils se détendent en entraînant cette dernière. Ceci permet également, via l'arbre 12, l' entraînement du compresseur 4 ainsi que de l' alternateur 10, qui alimente par exemple un réscau de distribution électrique non représenté. I1 est à noter que, dans cette marche normale de la turbine 2, les vannes 26 et 38 sont ouvertes, alors que les vannes 30 et 44 sont fermées. De la sorte, la ligne 16 n'est alimentée ni par la ligne 28, ni par la conduite 42, qui sont ainsi représentées en pointillés. Lorsque la turbine à gaz 2 connaît un incident, notamment dû à une variation brutale d'un de ses paramètres, cette turbine à gaz s'arrête, ou subit un dysfonctionnement notable. De la sorte, le débit d'air comprimé circulant dans la conduite 16 est soumis à une diminution sensible. = Lorsque cette diminution de débit est supérieure à une valeur prédéterminée, qui correspond par exemple à une 282511 9 chute instantanée d' au molns 5%, le capteur 18 détecte cette chute de débit. Puis, il envoie des signaux aux vannes 26, 30, 38 et 44, par les lignes de commande 26', ', 38' et 44'. Le basculement de ces quatre vannes peut également être initié par l'intermédiaire d'un capteur, non représenté, signalant l'arrêt de la turUine. Ceci provoque alors l'ouverture des vannes 30 et 44 initialement fermées, ainsi que la fermeture des vannes 26 et 38, initialement ouvertes. De la sorte, le courant enrichi en oxygène n'alimente plus le gazéifieur, via la ligne 36, alors que le courant enrichi en azote n'alimente plus la chambre de combustion 8, via la conduite 24. En revanche, ces deux courant gazeux sont recyclés vers l'entrée de l'unité de séparation d' air 14, par la ligne 28 et la conduite 42. Le courant enrichi en azote, qui peut être chargé d'impuretés, est avantageusement recyclé en amont d'un dispositif classique d'épuration. Ce courant recyclé peut également subir un refroidissement préalable, avant d'être admis dans l'unité de séparation 14. En revanche, le courant enrichi en oxygène peut être délivré à l'entrée de cette unité 14, sans être soumis à une épuration, ni à un refroidissement. Il est à noter que le mélange de ces deux courants enrichis respectivement en azote et en oxygène, admis à l'entrée de l'unité 14, possède une composition voisine de celle de l'air. Par ailleurs, dans l'hypothèse o la turbine à gaz, bien que connaissant un incident, serait touj ours en fonctionnement, on procède à son arrêt complet. Sur la figure 2, la conduite 24, les lignes 36 et 46, ainsi que la turbine à gaz 2 sont représentées en traits 282511 9 pointillés. En revanche, la ligne 28 et la conduite 42 sont représentées en traits pleins. Etant donné que, dès que l'unité de séparation 14 n'est plus suffisamment alimentée par le compresseur 4, les deux courants gazeux sont recyclés, par la ligne 28 et la conduite 42, vers l'entrée de cette unité 14, celleci ne subit pas de variation brutale de son déLit d'entrée. Ce dernier peut être ainsi maintenu constant, o être diminué progressivement, en réduisant la charge de cette unité de séparation 14. Il est à noter que, durant la phase de recyclage des deux courants gazeux précités vers l'entrée de l'unité de séparation 14, il est possible de faire appel à un compresseur d'appoint 50, visible sur la figure 2. Ce dernier permet ainsi de compenser les pertes de gaz, lices à un tel recyclage. Ce compresseur 50 peut également être utilisé pour le démarrage de l'unité de séparation 14, sans faire appel à la turtine à gaz 2, ce qui permet le cas échéant de démarrer en parallèle cette turbine et cette unité de séparation. Ce compresseur d' appoint 50 est susceptible de présenter des dimensions très réduite, de sorte qu'il est d'un coût faible et qu'il implique peu de dépenses énergétiques. Lorsque la turbine à gaz est à nouveau à même de fonctionner normalement, les différentes vannes 26, 30, 38 et 44 sont placées dans leur configuration initiale. Ceci permet de remettre en _uvre l' installation, dans son agencement de la figure 1. Les figures 3 et 4 représentent un second mode de réalisation de l' installation conforme à l' invention. Cette variante diffère de l' installation représentée à la figure 1, en ce qu'il est prévu un compresseur 52, 282511 9 permettant d'alimenter en air l'unité de séparation 14, via une conduite 54. Lors d'une marche normale de la turtine à gaz 2, le fonctionnement de l' installation est identique à celui décrit en référence à la figure 1, étant entendu que le compresseur 52 permet l'alimentation en air de l'unité de séparation 14, en association avec le compresseur 4 de la turbine à gaz 2. Lors d'un incident survenant au niveau de cette turbine à gaz 2, la baisse de débit d'air dans la ligne 16 est détectée, de façon analogue à ce qui a été décrit précédemment. On ferme alors les vannes 26 et 38, et on ouvre les vannes 30 et 44, de manière à recycler, vers l'entrée de l'unité de séparation 14, les courant gazeux véhiculés par la ligne 28 et la conduite 42. Il est à noter que ces courants gazeux sont recyclés uniquement en partie, de facon à compenser seulement l' absence d'alimentation par le compresseur 4 de la turtine 2, étant entendu que le compresseur extérieur 52 continue à diriger de l'air vers l'unité de séparation 14. Par ailleurs, il est à noter que le mélange entre l'air provenant du compresseur 52, et les deux courants gazeux enrichis respectivement en azote et en oxygène, possède une composition voisine de celle de l' air. L'autre fraction du courant gazeux riche en oxygène, qui n'est pas recyclée, est envoyée vers le gazéifieur 40, de façon analogue à l'agencement de la figure 3. Par ailleurs, il est prévu une unité 56, permettant de fournir un appoint d'oxygène, de sorte que le débit d'oxygène admis à l'entrée du gazéifieur ne subit pas de diminution brutale. Ceci permet de ne pas arrêter ce gazéifieur, ce qui est avantageux en termes de gain de temps et de consommation énergétique. 282511 9 La fraction d'azote non recyclée, s'écoulant par la ligne 24, est rejetée à l'atmosphère. La vanne 26 est fermée, alors que la turbine à gaz est arrêtée. Etant donné qu'on recycle, par la ligne 28 et la conduite 42, une partie des courants gazeux enrichis en azote et en oxygène, ceci permet d'éviter toute diminution brutale du débit d'air, admis à l'entrée de l'unité de séparation 14. Les charges respectives de l'unité de séparation 14 et du gazéifieur 40 peuvent être progressivement diminuées, une fois ces opérations de recyclage mises en _uvre. De la sorte, il est possible de réduire progressivement le déLit des courants gazeux, recyclés via la ligne 28 et la conduite 42, de même que le débit d'oxygène fourni par l'unité d'appoint 56. Une fois ce recyclage stoppé, l'alimentation du gazéifieur peut à nouveau être uniquement assurée par l'oxygène s'écoulant dans la ligne 36. Lorsque la turbine à gaz est à même de fonctionner à nouveau normalement, on place les différentes vannes dans leurs configurations initiales, de sorte que l' installation retrouve son agencement de la figure 3. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. En effet, la Demanderesse a constaté que la perte de pureté des produits extraits de l'unité de séparation, ainsi que les arrêts intempestifs de cette dernière, sont principalement dûs aux diminutions brutales du déhit d'air, admis à l'entrée de cette unité de séparation. Or, de telles diminutions brutales sont liées aux dysfonctionnements, voire à l'arrêt de la turbine à gaz, le compresseur de cette dernière n'alimentant alors plus l'unité de séparation. Le fait de recycler, vers l'entrce de l'unité de séparation, au moins une partie de chacun des courants 282511 9 gazeux qui en sont extraits, permet d'éviter toute fluctuation notable de ce débit d'air d'entrce. Ainsi, il est possible de maintenir ce dernier constant, ou de le diminuer de façon progressive, de sorte qu'un fonct ionnement sat i s fai sant de cette unité de séparat ion est en permanence garanti. l 282511 9 REVENDI CATIONS 1. Procédé d'alimentation d'une unité de séparation d' air (14) au moyen d'une turbine à gaz (2), dans lequel on admet (par 16, 54) de l'air d'entrce dans une entrée de ladite unité de séparation (14), on fournit (par 16) au moins une fraction dudit air d'entrée à partir de ladite turbine à gaz (2), et on extrait de l'unité de séparation (16) deux courants gazeux (par 20, 24, 32, 36) enrichis respectivement en azote et en oxygène, caractérisé en ce quton détecte (par 18) une diminution sensible du débit de la fraction d'air provenant de la turbine à gaz (2), puis on recycle (par 2 8, 42), vers l'entrée de l'unité de séparation (14) , au moins une partie d'au moins un des deux courants gazeux. 2. Procédé d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on recycle (par 28, 42), vers l'entrée de l'unité de séparation (14), au moins une partie de chacun des deux courants gazeux. 3. Procédé d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on détecte la diminution sensible du débit de ladite fraction d' air provenant (par 16) de la turtine à gaz (2), en détectant le passage de ce débit au dessous d'une valeur prédéterminée. 4. Procédé d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur prédéterminée correspond à une diminution instantanée d' au moins 5% du débit de la fraction d' air d'entrée provenant de la turtine à gaz (2). 5. Procédé d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on détecte la diminution sensible du déLit de ladite fraction d' air provenant de la turbine à gaz, en détectant un arrêt de la turbine à gaz. 6. Procédé d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, en 282511 9 fonctionnement normal de la turbine à gaz (2), on fournit (par 16) sensiblement la totalité de l' air d'entrce à partir de la turtine à gaz (2). 7. Procédé d'alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce que, après avoir détecté la diminution sensible du déLit de la fraction d'air provenant de la turbine à gaz, on recycle (par 28, 42) sensiblement la totalité du ou de chaque courant gazeux extrait, vers l'entrce de l'unité de séparation (14). 8. Procédé d'alimentation selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on envoie une fraction d' air d' appoint (par 52), dont le débit est sensiblement inférieur au débit du ou de chaque courant gazeux recyclé. 9. Procédé d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, en = fonctionnement normal de la turtine à gaz, on fournit (par 16) seulement une partie de l'air d'entrée, à partir de la turbine à gaz (2). 10. Procédé d'alimentation selon la revendication 9, caractérisé en ce que, après avoir détecté la diminution sensible du débit de la fraction d' air provenant de la turbine à gaz, on recycle (par 28, 42) seulement une partie du ou de chaque courant gazeux extrait, vers l'entrée de l'unité de séparation (14). 11. Procédé d'alimentation selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on alimente (par 36) un gazéifieur (40) au moyen de l'autre partie, non recyclée, du courant gazeux riche en oxygène. 12. Procédé d'alimentation selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on fournit au gazéifieur (40) un appoint d'oxygène (par 56), en complément de ladite autre partie du courant gazeux riche en oxygène. 13. Procédé d'alimentation selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'on rejette à 282511 9 l'aLmosphère l'autre partie, non recyclée, du courant gazeux riche en azote. 14. Installation d'alimentation d'une unité de séparation d' air (14) au moyen d'une turbine à gaz (2), comprenant une turUine à gaz (2) comportant des moyens de fourniture d'air comprimé, en particulier un compresseur (4), une unité de séparation d' air (14) comprenant des moyens d'alimentation (16, 52) en air d'entrce, ces moyens d'alimentation (16, 52) comportant au moins des premiers moyens d'alimentation (16), en liaison avec les moyens de fourniture (4) de la turUine à gaz (2), ainsi que des premiers (20, 24) et seconds (32, 36) moyens d'évacuation, hors de ladite unité (14), de deux courants gazeux enrichis respectivement en azote et en oxygène, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens de recyclage (28, 42) d'au moins un des deux courants gazeux, aptes à mettre en communication au moins les premiers ou seconds moyens d'évacuation (20, 24, 32, 36) avec les moyens d'alimentation en air (16, 52) de l'unité de séparation d' air (14). 15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que les moyens de recyclage (28, 42) sont des moyens de recyclage de chacun des deux courants gazeux, aptes à mettre en communication les premiers et seconds moyens d'évacuation (20, 24, 32, 36) avec les moyens d'alimentation en air (16, 52). 16. Installation selon la revendication 14 ou 15, caractérisse en ce qu'elle comprend également des moyens de détection (18) d'une diminution sensible du déhit d'air s'écoulant dans les premiers moyens d'alimentation (16), ces moyens de détection étant mis en relation avec des moyens de réglage, en particulier des vannes (26, 38, 30, 44), aptes à régler les débits de gaz s'écoulant dans les 282511 9 premiers (20, 24) et/ou seconds (32, 36) moyens d'évacuation et les moyens de recyclage (28, 42). 17. Installation selon la revendication 16, caractérisée en ce que les moyens de détection comprennent des moyens de mesure (18) du déLit d'air s'écoulant dans les premiers moyens d'alimentation (16). 18. Installation selon la revendication 16, caractérisse en ce que les moyens de détection comprennent des moyens de détection d'un arrêt de la turbine à gaz. 19. Installation selon l'une des revendications 14 à au 18, caractérisée en ce les moyens de recyclage comprennent au moins une conduite (28, 42), qui relie la sortie d'un compresseur (22, 34) d'un courant gazeux respectif, avec les moyens d'alimentation en air (16, 52)