Brevet FR2962490A1 — publié le 20120113

B10-1582FR 1 Dispositif d'évacuation de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation en combustible gazeux d'une turbine à gaz et procédé associé La présente invention concerne les turbines à gaz. En particulier, la présente invention concerne un dispositif d'évacuation de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation en combustible gazeux d'une turbine à gaz. Les turbines à gaz comprennent généralement un système d'admission d'air, un compresseur à un ou plusieurs étages de compression avec un dispositif de régulation de débit d'air, un système de combustion interne, une turbine de détente reliée mécaniquement au compresseur, et un conduit pour le rejet des gaz d'échappement. Les turbines à gaz sont conçues avec des systèmes de combustion capables d'injecter du combustible liquide ou du combustible gazeux dans le système de combustion, par l'intermédiaire d'injecteurs concentriques. La plupart des installations thermiques utilisant des turbines à combustion sont alimentées par des combustibles gazeux. La présente invention concerne les turbines à gaz alimentées par un combustible gazeux à simple cycle ou à cycles combinés. Les cycles combinés résultent de la combinaison d'un cycle d'une turbine à gaz et d'un cycle d'une turbine à vapeur. Par ailleurs, la présente invention concerne le fonctionnement transitoire d'une turbine à gaz, notamment les phases de démarrage et d'arrêt de la turbine à gaz. Lors de la mise en route de la turbine à gaz, on utilise un moteur de lancement qui remplit la fonction de démarreur. Les différents fluides nécessaires au fonctionnement de la turbine, arrivent par des circuits indépendants. On distingue ainsi le circuit d'admission de l'air ambiant apte à être comprimé dans le compresseur, et un circuit d'air d'atomisation d'un combustible liquide après son entrée dans la chambre de combustion. Le combustible est acheminé via un circuit d'alimentation. Cependant, les phases de démarrage et d'arrêt de la turbine doivent se faire dans des conditions de sécurités prenant en compte d'éventuelles fuites de combustible gazeux entre le système d'alimentation en combustible gazeux et les chambres de combustion de la turbine, pouvant engendrer un éventuel mélange explosif dans la turbine, l'échappement ou la chaudière dans le cas d'un cycle combiné. Actuellement, selon les normes en vigueur, avant l'allumage de la turbine, les volumes de l'échappement et de la chambre de combustion doivent être balayés cinq fois avec un débit d'air d'au moins 8% du débit d'air normal. A cet effet, la turbine à gaz est mise en rotation sans approvisionnement en combustible ; un ventilateur supplémentaire peut également être intégré sur la ligne d'écoulement du fluide. Cependant, le temps de purge est long et ralentit le temps de synchronisation du générateur au réseau. I1 existe différents systèmes permettant d'accélérer le temps de démarrage de la turbine en réduisant le risque de fuite de combustible gazeux dans la turbine. La demande de brevet US 2009/0145104 décrit un dispositif d'alimentation d'une turbine en cycle combiné comprenant un dispositif de purge permettant d'allumer la turbine longtemps après la purge sans devoir purger à nouveau. A cet effet, trois vannes d'isolation sont montées en série en amont de la turbine, de manière à empêcher la propagation d'éventuelles fuites de combustible gazeux vers les chambres de combustion après la purge de l'installation d'alimentation. Des appareils de mesure permettent de détecter la présence de fuites de mélange gazeux, auquel cas la purge de l'échappement et des chambres de combustion serait déclenchée. Cependant, le risque de propagation d'éventuelles fuites de combustible gazeux vers la turbine dépend de l'étanchéité des vannes d'isolation, de leur dégradation et de la précision de l'appareillage de mesure de fuite. La demande de brevet US5819539 décrit un système de détection de combustible dans une chaudière de récupération afin d'actionner une aspiration lorsque du combustible gazeux est détecté dans la chaudière. Cependant, de telles solutions ne sont pas suffisamment fiables, et nécessitent la purge des chambres de combustion et de l'échappement en cas de présence de combustible gazeux. Afin d'éviter la propagation d'éventuelles fuites de combustible gazeux vers la turbine, il est nécessaire d'évacuer la fuite de combustible en amont de la connexion à la turbine. Une solution consisterait à réaliser un bouchon de fluide gazeux inerte, tel que par exemple, de l'azote ou de l'air comprimé dans une zone d'inter-chambre située en amont des chambres de combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Cependant, une telle solution est difficile à mettre en oeuvre. Le but de la présente invention est de résoudre les problèmes cités précédemment. Notamment, un but de la présente invention est de limiter le temps de démarrage d'une turbine à gaz en évitant la propagation d'éventuelles fuites de combustible gazeux dans la turbine, tout en proposant une installation facile à mettre en oeuvre. Selon un aspect, il est proposé un dispositif d'évacuation de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation en combustible gazeux d'une turbine à gaz ou d'une chaudière génératrice de vapeur, comprenant une chambre de combustion apte à être alimentée en combustible gazeux, au moins un moyen de régulation du débit du combustible gazeux dans la chambre de combustion et un moyen de régulation de la pression du combustible gazeux monté en amont du moyen de régulation du débit, de manière à former une zone en amont de la chambre de combustion. Le dispositif d'évacuation peut comprendre une vanne de dépression (ou mise à l'évent) située dans la zone en amont de la chambre de combustion, de manière à créer une dépression dans ladite zone lors de l'ouverture de la vanne de dépression. Ainsi, lors de l'arrêt de la turbine à gaz, la zone située en amont de la chambre de combustion est automatiquement purgée, ce qui évite la propagation d'éventuelles fuites de combustible gazeux vers la turbine et permet un allumage de la turbine, sans purge de l'échappement . Avantageusement, le dispositif d'évacuation comprend un moyen d'aspiration de combustible gazeux restant dans la zone en amont de la chambre de combustion. Par exemple, le moyen d'aspiration est apte à s'actionner lors de l'ouverture de la vanne de dépression et peut être, à titre d'exemple, constitué d'une pompe à vide. Le dispositif d'évacuation peut comprendre des moyens de mesure de la dépression dans la zone en amont de la chambre de combustion. De manière préférentielle, le dispositif d'évacuation comprend des moyens de génération d'un débit d'air dans la chambre de combustion apte à s'activer lorsque la pression mesurée par les moyens de mesure de pression est inférieure à une valeur seuil. Le dispositif peut comprendre au moins une vanne d'isolation montée en amont du moyen de régulation de la pression du combustible gazeux. Avantageusement, le dispositif d'évacuation comprend au moins un moyen de détection d'éventuelles fuites de gaz dans le dispositif d'alimentation en combustible gazeux, ledit moyen de détection étant situé entre la zone en amont de la chambre de combustion et le moyen d'aspiration. Selon un autre aspect, il est également proposé un procédé d'évacuation de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation en combustible gazeux d'une turbine à gaz ou d'une chaudière génératrice de vapeur comprenant une chambre de combustion apte à être alimentée en combustible gazeux, au moins un moyen de régulation du débit du combustible gazeux dans la chambre de combustion et un moyen de régulation de la pression du combustible gazeux monté en amont du moyen de régulation du débit, de manière à former une zone en amont de la chambre de combustion, selon lequel lorsque la turbine est à l'arrêt, - on ferme les vannes de régulation de débit et de pression du combustible gazeux, et - on ouvre une vanne de dépression située dans la zone en amont de la chambre de combustion, de manière à créer une dépression dans ladite zone. Avantageusement, on actionne un moyen d'aspiration de combustible gazeux restant dans la zone en amont de la chambre de combustion lors de l'ouverture de la vanne de dépression et mise à l'évent. De préférence, on vérifie par des moyens de mesure la pression dans la zone en amont de la chambre de combustion. Lorsque la pression mesurée par les moyens de mesure de pression est inférieure à une valeur seuil, on peut actionner des moyens de génération d'un débit d'air dans la chambre de combustion. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente, de manière schématique, une turbine à gaz ; et - la figure 2 illustre, de manière schématique, un dispositif d'alimentation en combustible gazeux de la turbine à gaz. La figure 1 représente de manière schématique une turbine à gaz 1 alimentée par un combustible gazeux, par exemple du gaz naturel, provenant, par exemple, d'un réservoir 2. Les turbines à gaz sont généralement utilisées dans des centrales électriques, pour entraîner des générateurs et produire de l'énergie électrique ou pour un asservissement mécanique (compresseur, station de pompage, etc....). La turbine à gaz 1 comprend un compresseur axial 3 avec un arbre de rotor 4. L'air est introduit par l'entrée 5 du compresseur, et comprimé par le compresseur axial 3 puis dirigé vers une chambre de combustion 6. La chambre de combustion 6, également alimentée en combustible gazeux, produit, lors de la combustion, des gaz chauds à haute énergie aptes à entraîner une turbine 7. Le combustible gazeux peut être acheminé du réservoir 2 à la chambre de combustion 6 par un dispositif d'alimentation en combustible gazeux 8 qui comprend une entrée reliée au réservoir 2 et une sortie reliée à la chambre de combustion 6. Dans la turbine 7, l'énergie des gaz chauds est convertie en travail dont une partie est utilisée pour entraîner le compresseur 3, par l'intermédiaire de l'arbre du rotor 4, et dont l'autre partie est utilisée pour entraîner un générateur 9 de production d'électricité, par l'intermédiaire d'un arbre 10. Les gaz d'échappement sortent ensuite de la turbine 7 par une sortie 11, et peuvent être utilisés pour d'autres applications. La figure 2 représente de manière plus détaillée, le dispositif d'alimentation 8 en combustible gazeux de la chambre de combustion. Le dispositif d'alimentation 8 comprend une entrée 12 pour recevoir le combustible gazeux, et des sorties 13 pour alimenter la chambre de combustion 6 avec le combustible gazeux, et une ligne d'acheminement 14 reliant l'entrée 12 aux sorties 13. La ligne d'acheminement 14 du combustible gazeux comprend successivement, dans le sens de circulation du combustible gazeux : d'une vanne d'isolation 15 et une vanne de dépression 16 reliées respectivement à l'entrée 12 et à l'atmosphère extérieure EXT, une vanne d'arrêt 17 (en anglais : Stop Ratio Valve SRV) montée en aval de la vanne d'isolation 15, et des lignes d'alimentation 18, par exemple quatre, montées en parallèle, en aval de la vanne d'arrêt 17 et comprenant chacune une vanne de contrôle des gaz 19 (en anglais : Gaz Control Valve GCV) montée en amont d'une sortie 13 vers la chambre de combustion. La vanne d'isolation 15 est une vanne de sécurité et a pour but d'isoler le circuit d'alimentation en combustible gazeux du circuit d'alimentation de la chambre de combustion. La vanne 15 permet ainsi d'interrompre l'alimentation en combustible gazeux en cas de problème de fonctionnement du la turbine à gaz, ou en cas d'arrêt de celle-ci. La vanne de dépression 16 permet de purger la ligne d'acheminement 14 lorsque la turbine est arrêtée et que la vanne d'isolation 15 est fermée. Lorsque la turbine est en fonctionnement, la vanne de dépression 16 permet d'isoler l'environnement extérieur du combustible gazeux ou de tout mélange gazeux nocif pour l'environnement. La vanne d'arrêt 17 permet également d'interrompre l'alimentation en combustible gazeux de la chambre de combustion, mais permet surtout de contrôler la pression du combustible gazeux dans la ligne d'acheminement 18, entre la vanne d'arrêt 17 et les vannes de contrôle 19. Les vannes de contrôle 19 déterminent la quantité de combustible gazeux délivrée par la ligne d'alimentation 13 à la chambre de combustion 6. On considère dans la suite de la description que les vannes 19 sont des vannes pour lesquelles le débit de gaz les traversant est proportionnel au degré d'ouverture des vannes ou à la pression du combustible gazeux en amont des vannes 19, c'est-à-dire que le débit de gaz est proportionnel au degré d'ouverture de la vanne 19 pour une pression de gaz constante, ou que le débit de gaz est proportionnel à la pression du gaz, pour un degré d'ouverture de la vanne 19 constant. La quantité de combustible gazeux alimentant la chambre de combustion est donc commandée par la commande d'ouverture des vannes de contrôle 19 ou par la commande d'ouverture de la vanne d'arrêt 17. Les vannes 19 peuvent être par exemple des vannes commandées selon une technologie hydraulique/électrique. Une telle technologie permet en effet un positionnement rapide et précis de la vanne pour ajuster le débit de combustible gazeux. En particulier, les vannes 19 peuvent être de type sonique. Le dispositif d'alimentation en combustible gazeux 8 vise à déterminer et à contrôler la quantité de combustible gazeux délivrée à la chambre de combustion, afin notamment de permettre à la turbine à gaz de fonctionner les conditions dans lesquelles elle présente un rendement élevé, et un vieillissement limité. De plus, le dispositif d'alimentation 8 comprend un dispositif d'évacuation 20 d'éventuelles fuites de combustible gazeux entre la vanne d'arrêt 17 et les vannes de contrôle 19. La zone située entre la vanne d'arrêt 17 et les vannes de contrôle 19 est appelée, dans la suite de la description, zone d'inter-chambre 21. Ainsi, lors des phases de démarrage ou d'arrêt de la turbine, il est important d'éviter la propagation d'éventuelles fuites de combustible gazeux vers la ligne d'acheminement 13 à la chambre de combustion 6. Le dispositif d'évacuation 20 comprend à cet effet une vanne de dépression 22 et un moyen d'aspiration 23 situé en aval de la vanne de dépression 22 et relié à l'atmosphère extérieure EXT. Des moyens de mesure 24 de la différence de pression sont situés dans la zone d'inter-chambre 21, de manière à déterminer si le dispositif d'évacuation 20 crée une dépression suffisante permettant d'évacuer d'éventuelles fuites de combustible gazeux vers l'environnement extérieur. Le dispositif d'alimentation 8 comprend, à cet effet, une unité de contrôle électronique 25. L'unité de contrôle 25 permet d'une part de déterminer la quantité de combustible gazeux à délivrer à la chambre de combustion, notamment en fonction des caractéristiques du combustible gazeux fournies par divers moyens de mesure 26, 27, 28. De plus, l'unité de contrôle 25 permet également de contrôler les vannes 17 et 19, par exemple leur ouverture et fermeture, ou bien encore leur degré d'ouverture. Les vannes 17 et 19 sont contrôlées par la commande d'alimentation délivrée par l'unité de contrôle 25. L'unité de contrôle 25 peut donc délivrer à la chambre de combustion, la quantité de combustible gazeux déterminée, par l'intermédiaire de la vanne 17 (qui contrôle la pression du combustible gazeux en amont des vannes 19) et/ou par l'intermédiaire du degré d'ouverture des vannes 19. Pour déterminer la commande des vannes 19 et/ou de la vanne 17, l'unité de contrôle 25 reçoit des informations relatives au combustible gazeux et au fonctionnement de la turbine. Ainsi, l'unité de contrôle 25 reçoit en entrée la vitesse de rotation de la turbine, fournie par un moyen de mesure (non représenté), la température du combustible gazeux délivrée par un capteur de température 27 monté entre la vanne d'isolation 15 et la vanne d'arrêt 17, et des caractéristiques du combustible gazeux (par exemple l'indice de Wobbe) par un moyen de mesure 26 (par exemple de l'indice de Wobbe) monté en amont de la vanne d'isolation 15. L'unité de contrôle 25 peut également recevoir les données fournies par un capteur de pression 28, monté entre la vanne d'arrêt 17 et les lignes d'alimentation 18. En particulier, l'unité de contrôle 25 peut vérifier, à partir de la pression mesurée par le capteur 28 si la commande de la vanne d'arrêt 17 permet bien d'obtenir la pression de combustible gazeux voulue. L'unité de contrôle 25 peut également recevoir les mesures de pression différentielles effectuées par les moyens de mesure 24. Plus précisément, l'unité de contrôle 25 comprend un moyen de comparaison 29 de la pression différentielle dans la zone d'inter- chambre 21 avec une valeur seuil S. Si la valeur de la pression différentielle est inférieure à la valeur seuil S, un moyen de démarrage automatique de purge 30 déclenche la propagation d'un flux d'air dans la chambre de combustion 6 et dans la ligne d'échappement 11. L'unité de contrôle 25 permet également de contrôler la fermeture et l'ouverture des vannes d'isolation 15 et de dépression 16 et de la vanne de dépression 22. La phase de démarrage correspond sensiblement à l'étape durant laquelle on obtient les flammes dans la chambre de combustion et durant laquelle on atteint une vitesse de rotation de la turbine environ égale à 10% de la vitesse nominale (en fonctionnement continu). La fin de la phase de démarrage correspond à l'instant où la turbine a atteint sa vitesse nominale. La phase d'arrêt de la turbine correspond à l'extinction des flammes dans la chambre de combustion et à une vitesse inférieure ou égale à 30% de la vitesse nominale. I1 est donc important d'éviter la formation de mélange explosif dans la turbine à gaz après la phase d'arrêt de la turbine à gaz. Lors du fonctionnement de la turbine à gaz 1, la vanne d'isolation 15, la vanne d'arrêt 17 et les vannes de contrôle 19 sont ouvertes afin d'alimenter la turbine en combustible gazeux. Leur degré d'ouverture est proportionnel au débit de combustible gazeux ou à la pression en amont des vannes de contrôle 19. La seconde vanne d'isolation 16 est fermée afin d'éviter le rejet, par exemple de méthane, dans l'atmosphère. Enfin, la vanne de dépression 22 est également fermée afin d'éviter de créer une dépression dans la zone d'inter-chambre 21 et d'évacuer le combustible vers l'extérieur. Lors de l'arrêt de la turbine 1, les vannes 15, 17 et 19 sont automatiquement fermées et les vannes 16 et 22 sont ouvertes. L'ouverture de la vanne de dépression 22 permet l'actionnement du moyen d'aspiration 23, tel que par exemple une pompe à vide et de créer une dépression dans la zone d'inter-chambre 21 afin d'évacuer les éventuelles fuites de gaz vers l'environnement extérieur. La dépression créée par l'ouverture de la vanne de dépression 22 est mesurée par les capteurs de pression 24 situé au niveau de la zone d'inter-chambre 21. Lorsque l'unité de contrôle 25 détecte un disfonctionnement du dispositif d'évacuation 20, le cycle habituel de purge de la chambre de combustion 6 et de la ligne d'échappement 11 est mis en route. Le dispositif d'évacuation 20 comprend dans la conduite reliant la vanne de dépression 22 au moyen d'aspiration 23 des moyens de détection 23a reliés à l'unité de contrôle 25 afin de détecter d'éventuelles fuites de gaz. Tel qu'illustré dans la figure 2, les moyens de détection 23a d'éventuelles fuites de gaz sont situés entre la zone d'inter-chambre 21 et le moyen d'aspiration 23. Ces moyens de détection 23a comprennent des capteurs de détection de gaz, avantageusement au nombre de trois afin d'obtenir une détection précise des fuites de gaz. On notera que les moyens de détections 23a pourraient éventuellement se situer dans la zone d'inter-chambre 21. On obtient ainsi un dispositif d'évacuation de fuites de combustible gazeux limitant la propagation de fuites de gaz vers la turbine pendant les phases de démarrage et d'arrêt. De plus, un tel dispositif permet d'accélérer le démarrage de la turbine à gaz, sans attendre un temps de purge. On notera que le dispositif d'évacuation de fuites décrit ci-dessus pourrait également s'appliquer aux chaudières génératrices de vapeur. REVENDICATIONS1. Dispositif d'évacuation (20) de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation (8) en combustible gazeux d'une turbine à gaz (1), ou d'une chaudière génératrice de vapeur comprenant une chambre de combustion (6) apte à être alimentée en combustible gazeux, au moins un moyen de régulation du débit (19) du combustible gazeux dans la chambre de combustion et un moyen de régulation de la pression (17) du combustible gazeux monté en amont du moyen de régulation du débit (19) de manière à former une zone (21) en amont de la chambre de combustion (6), caractérisé en ce qu'il comprend une vanne de dépression (22) située dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion (6), de manière à créer une dépression dans ladite zone (21) lors de l'ouverture de la vanne de dépression (22). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'aspiration (23) de combustible gazeux restant dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en que le moyen d'aspiration (23) est apte à s'actionner lors de l'ouverture de la vanne de dépression (22). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de la pression (24) dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion (6). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de génération d'un débit d'air (5) dans la chambre de combustion (6) apte à s'activer lorsque la pression mesurée par les moyens de mesure de pression (24) est inférieure à une valeur seuil (S). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une vanne d'isolation (15) montée en amont du moyen de régulation de la pression (17) du combustible gazeux. 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, comprenant au moins un moyen de détection (23a) d'éventuelles fuites de gaz dans le dispositif d'alimentation (8) en combustible gazeux, ledit moyen de détection (23a) étant situé entre la zone (21) en amont de la chambre de combustion et le moyen d'aspiration (23). 8. Procédé d'évacuation de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation (8) en combustible gazeux d'une turbine à gaz (1), ou d'une chaudière génératrice de vapeur, comprenant une chambre de combustion (6) apte à être alimentée en combustible gazeux, au moins un moyen de régulation du débit (19) du combustible gazeux dans la chambre de combustion (6) et un moyen de régulation de la pression (17) du combustible gazeux monté en amont du moyen de régulation du débit (19), de manière à former une zone (21) en amont de la chambre de combustion (6), caractérisé par le fait que lorsque la turbine (1) est à l'arrêt, - on ferme les vannes de régulation de débit (19) et de pression (17) du combustible gazeux, et - on ouvre une vanne de dépression (22) située dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion (6), de manière à créer une dépression dans ladite zone (21). 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on actionne un moyen d'aspiration (23) de combustible gazeux restant dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion (6) lors de l'ouverture de la vanne de dépression (22). 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel on vérifie par des moyens de mesure (24) la pression dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion (6). 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel, lorsque la pression mesurée par les moyens de mesure (24) de pression est inférieure à une valeur seuil (S), on actionne des moyens de génération d'un débit d'air (5) dans la chambre de combustion (6).