Brevet FR2984958A1 — publié le 20130628

B11-5236FR 1 Event pour circuit d'alimentation en carburant gazeux d'une turbine à gaz, et procédé associé La présente invention concerne les turbines à gaz et plus particulièrement les moyens d'évacuation, ou évents, du carburant gazeux alimentant les turbines à gaz. Les turbines à gaz sont alimentées par un carburant gazeux acheminé par un circuit d'alimentation. Le circuit d'alimentation du carburant gazeux a pour but de réguler le débit et la pression du carburant gazeux alimentant la turbine à gaz, tout en assurant une mise en sécurité rapide du circuit. Pour cela, le circuit d'alimentation comprend plusieurs vannes montées en série sur la ou les conduites d'acheminement du carburant gazeux. En cas d'arrêt d'urgence du système, par exemple en cas de détection d'une fuite de gaz, en cas d'incendie ou de survitesse de la turbine à gaz, le circuit d'alimentation en carburant gazeux doit pouvoir être purgé dans un délai très court, de préférence inférieur à 30 secondes, afin d'obtenir une pression résiduelle dans le circuit proche de la pression atmosphérique. Il est alors connu de libérer le carburant gazeux résiduel restant dans le circuit d'alimentation vers l'atmosphère. Par ailleurs, lors du démarrage de la turbine à gaz, il est également nécessaire d'alimenter la turbine avec un carburant gazeux présentant une température supérieure à une valeur déterminée, afin d'obtenir les conditions requises dans la chambre de combustion pour pouvoir démarrer la turbine. Le circuit d'alimentation comprend à cet effet, un ou plusieurs moyens de chauffe aptes à augmenter progressivement la température du carburant gazeux pendant son acheminement vers la chambre de combustion. Toutefois, tant que le carburant gazeux n'a pas atteint la température voulue, il n'est pas apte à alimenter la chambre de combustion, et est généralement libéré dans l'atmosphère. Cependant, les rejets de carburant gazeux dans l'atmosphère présentent plusieurs inconvénients, d'une part d'un point de vue environnemental (toxicité du carburant gazeux), et d'autre part d'un point de vue de la sécurité, le volume de carburant gazeux libéré dans l'atmosphère pouvant se disperser difficilement en raison du volume libéré, de la masse volumique du carburant gazeux ou encore du relief du site où est libéré le carburant gazeux. Le document JP 08200650 divulgue un dispositif d'acheminement d'un carburant gazeux comprenant un évent pour libérer le carburant gazeux. Le but de l'invention est donc de résoudre les problèmes décrits précédemment. En particulier, un but de l'invention est de proposer un évent, ou dispositif d'évacuation d'un carburant gazeux, permettant de limiter les rejets de carburant gazeux dans l'atmosphère, notamment lors d'arrêt d'urgence ou lors de démarrage d'une turbine à gaz. Un but de l'invention est également de conserver des conditions de sécurité requises, en termes de durée de dépressurisation du circuit d'alimentation, de pression maximale résiduelle dans le circuit d'alimentation, de fiabilité, ... Selon l'invention, il est proposé un évent pour circuit d'alimentation en carburant gazeux d'une turbine à gaz, comprenant une entrée destinée à être reliée au circuit d'alimentation en carburant gazeux, une première sortie apte à libérer le carburant gazeux à la pression atmosphérique, et une première vanne montée entre l'entrée et la première sortie. L'évent comprend également une deuxième sortie apte à alimenter en carburant gazeux un moyen de combustion à pression atmosphérique, par exemple une torchère, une deuxième vanne montée entre l'entrée et la deuxième sortie, et un moyen de commande apte à commander l'ouverture et la fermeture des première et deuxième vannes en fonction de la pression du carburant gazeux Ainsi, l'évent selon l'invention prévoit un moyen de combustion indépendant de la turbine à gaz, et permettant de brûler le carburant gazeux avant sa libération dans l'atmosphère. Le moyen de combustion, par exemple une torchère, permet également de libérer le carburant gazeux résiduel présent dans le circuit d'alimentation en carburant gazeux, et d'obtenir une pression résiduelle proche de la pression atmosphérique car la combustion a lieu à une pression proche ou sensiblement égale à la pression atmosphérique. Enfin, le moyen de combustion peut être aisément dimensionné afin d'obtenir la combustion d'un débit donné de carburant gazeux, facilitant ainsi la durée limitée de purge du circuit d'alimentation. Par ailleurs, l'évent permet également de limiter les risques de combustion du carburant gazeux dans le circuit d'alimentation, en prévoyant une sortie vers l'atmosphère, lorsque la pression du carburant gazeux est inférieure à une valeur déterminée. En particulier, l'évent selon l'invention permet d'éviter le transfert entre la sortie vers le moyen de combustion et la sortie vers l'atmosphère. Il est ainsi possible de maintenir le circuit dans un état stable et en sécurité, en gardant une pression dans le circuit d'alimentation égale à la pression atmosphérique. Par ailleurs, l'évent permet de limiter les rejets de carburant gazeux dans l'atmosphère en n'ouvrant la sortie vers l'atmosphère qu'à la fin de l'étape de purge du circuit d'alimentation, lorsque la pression en carburant gazeux est proche de la pression atmosphérique. Préférentiellement, l'évent comprend également une troisième vanne montée entre l'entrée et la deuxième sortie et le moyen de commande est apte à commander l'ouverture et la fermeture de la troisième vanne en fonction de la température du carburant gazeux dans le circuit d'alimentation. La troisième vanne peut être utilisée spécifiquement pour les phases de démarrage : elle est alors commandée par la température du carburant gazeux, et elle se ferme lorsque la température du carburant gazeux atteint la valeur voulue. Dans ce cas, il n'y a pas de carburant gazeux libéré dans l'atmosphère pendant la phase de démarrage de la turbine à gaz. L'invention concerne aussi, selon un autre aspect, un circuit d'alimentation pour turbine à gaz comprenant un évent tel que décrit précédemment. Le circuit d'alimentation peut également comprendre un moyen de mesure de la pression du carburant gazeux, et le moyen de commande peut recevoir en entrée les mesures du moyen de mesure de la pression. Le circuit d'alimentation peut également comprendre une vanne d'isolation et une vanne de régulation montée en aval de la vanne d'isolation, et l'entrée de l'évent peut être montée entre la vanne d'isolation et la vanne de régulation. Lors d'une dépressurisation d'un circuit d'alimentation, une quantité de gaz importante est présente entre la vanne d'isolation et la vanne de régulation. C'est pourquoi l'évent selon l'invention est monté de préférence entre ces deux vannes, afin de permettre de brûler dans le moyen de combustion une grande quantité de carburant gazeux. Le circuit d'alimentation peut également comprendre une vanne de contrôle des gaz montée en aval de la vanne de régulation et un évent vers l'atmosphère monté entre la vanne de régulation et la vanne de contrôle des gaz. Dans la partie du circuit d'alimentation située entre la vanne de régulation et la vanne de contrôle des gaz, la quantité de carburant gazeux qui y est présent est relativement limitée, de sorte qu'un évent direct à l'atmosphère est possible. L'invention se rapport également à une turbine à gaz comprenant un circuit d'alimentation tel que décrit précédemment. L'invention se rapporte également, selon un autre aspect, à un procédé d'évacuation d'un carburant gazeux présent dans un circuit d'alimentation en carburant gazeux d'une turbine à gaz, dans lequel : - on achemine le carburant gazeux à évacuer vers un moyen de combustion à pression atmosphérique, par exemple une torchère, lorsque la pression du carburant gazeux est supérieure à une pression déterminée, par exemple la pression d'utilisation de la torchère, puis - on achemine le carburant gazeux à évacuer vers l'atmosphère jusqu'à obtenir une pression égale à la pression atmosphérique dans le circuit d'alimentation en carburant gazeux. Préférentiellement, on évacue vers la torchère ou l'atmosphère le carburant gazeux présent dans le circuit d'alimentation lorsque la turbine à gaz est arrêtée d'urgence ou lorsque la turbine à gaz est en phase de démarrage et que la température du carburant gazeux est inférieure à une température déterminée. Préférentiellement, la turbine à gaz comprend une vanne d'isolation et une vanne de régulation montée en aval de la vanne d'isolation, et le carburant gazeux évacué lorsque la turbine à gaz est arrêtée d'urgence est le carburant gazeux contenu entre la vanne d'isolation et la vanne de régulation. 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 ; la figure 2 illustre, de manière schématique, un circuit d'alimentation en combustible gazeux de la turbine à gaz avec un évent selon l'invention ; et la figure 3 représente un exemple de modèle de commande de l'évent, pendant une phase d'arrêt d'urgence. La figure 1 représente de manière schématique une turbine à gaz 1 alimentée par un combustible gazeux 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. 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, est comprimé par le compresseur axial 3 puis dirigé vers une chambre de combustion 6. La chambre de combustion 6 est également alimentée par un combustible gazeux, par exemple du gaz naturel qui, lors de la combustion, produit 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 circuit 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 circuit d'alimentation 8 en combustible gazeux de la chambre de combustion. Le circuit d'alimentation 8 comprend une entrée 12 pour recevoir le combustible gazeux, et des sorties 13 pour alimenter la chambre de combustion 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 : une vanne d'isolation 15 (en anglais : Safety Shut-Off Valve SSOV) reliée à l'entrée 12, une vanne de régulation 16 (en anglais : Stop Ratio Valve SRV) montée en aval de la vanne d'isolation 15, et des lignes d'alimentation, par exemple trois, montées en parallèle, en aval de la vanne de régulation 16 et comprenant chacune une vanne de contrôle des gaz 17 (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 de la turbine à gaz, ou en cas d'arrêt de celle-ci. La vanne de régulation 16 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, entre la vanne de régulation 16 et les vannes de contrôle 17, qui varie en fonction de la vitesse instantanée de la turbine. Les vannes de contrôle 17 déterminent la quantité de combustible gazeux délivrée par la ligne d'alimentation 13 à la chambre de combustion. En particulier, les vannes 17 peuvent être de type sonique. La ligne d'acheminement 14 peut également comprendre, en amont de la vanne d'isolation 15, un moyen de chauffage 18 capable d'augmenter la température du carburant gazeux avant que celui-ci n'alimente la chambre de combustion. La ligne d'acheminement 14 comprend aussi des capteurs de température et de pression. Le capteur de température 19 est monté en aval du moyen de chauffage 18, voire entre le moyen de chauffage 18 et la vanne d'isolation 15, et permet de connaître la température du carburant gazeux alimentant la chambre de combustion. Le capteur de pression 20 est monté entre la vanne d'isolation 15 et la vanne de régulation 16 et permet de connaître la pression du carburant gazeux dans le circuit d'alimentation 8 pendant le fonctionnement de la turbine à gaz ou pendant un arrêt d'urgence. Un évent 21 selon la présente invention est monté sur la ligne d'acheminement 14. Plus particulièrement, l'évent 21 comprend une conduite principale 22 piquée sur la ligne d'acheminement 14, entre la vanne d'isolation 15 et la vanne de régulation 16. Sur la conduite principale 22 est montée une première vanne d'évent 23 permettant de libérer vers l'atmosphère le carburant gazeux présent dans la ligne d'acheminement 14, entre la vanne d'isolation 15 et la vanne de régulation 16. L'évent 21 comprend également une conduite secondaire 24, piquée sur la ligne principale 22, entre le piquage sur la ligne d'acheminement 14 et la première vanne d'évent 23. La conduite secondaire comprend une deuxième vanne d'évent 25 vers un moyen de combustion 26, par exemple une torchère, une vanne d'isolation 27 de l'évent vers la torchère, une conduite parallèle 28 et une troisième vanne d'évent 29 vers la torchère. La deuxième vanne d'évent 25 vers la torchère, la vanne d'isolation 27 de l'évent vers la torchère et la torchère 26 sont montées en série sur la conduite secondaire 24, entre le piquage sur la conduite principale 22 et le rejet dans l'atmosphère. La troisième vanne 29 d'évent vers la torchère est montée sur la conduite parallèle 28, et la conduite parallèle 28 est montée sur la conduite secondaire 24, en parallèle de la deuxième vanne 25 : l'entrée de la conduite parallèle 28 est piquée sur la conduite secondaire 24 en amont de la deuxième vanne 25 et la sortie de la conduite parallèle 28 est piquée sur la conduite secondaire 24 en aval de la deuxième vanne 25 mais en amont de la vanne d'isolation de l'évent 27. La torchère 26 permet de brûler le carburant gazeux avant son rejet dans l'atmosphère. La vanne d'isolation 27 permet de fermer complètement la conduite secondaire 24 et donc d'isoler la torchère 26 de la ligne d'acheminement 14, que ce soit via la conduite secondaire 24 ou via la conduite parallèle 28. La deuxième vanne d'évent 25 permet de contrôler le débit de carburant gazeux circulant de la ligne d'acheminement 14 vers la torchère 26. Préférentiellement, la première vanne d'évent 23 est une vanne ouverte par défaut avec un diamètre d'ouverture de 3 pouces, la deuxième vanne d'évent 25 est une vanne fermée par défaut avec un diamètre d'ouverture de 3 pouces, et la troisième vanne parallèle 29 est une vanne fermée par défaut avec un diamètre d'ouverture de 1 pouce. La troisième vanne 29 est utilisée de préférence pendant les phases de démarrage, tandis que la deuxième vanne d'évent 25, qui présente une ouverture plus importante et donc un débit plus grand, est utilisée de préférence pendant les phases d'arrêt d'urgence, lorsque le carburant gazeux présent dans la ligne d'acheminement 14 doit être rapidement éventé. Par ailleurs, le circuit d'alimentation 8 peut également comprendre un évent secondaire 30 vers l'atmosphère. Plus particulièrement, l'évent secondaire 30 comprend une conduite principale 31 piquée sur la ligne d'acheminement 14, entre la vanne de régulation 16 et les vannes de contrôle 17. Sur la conduite principale 31 est montée une quatrième vanne d'évent vers l'atmosphère 32 permettant de libérer vers l'atmosphère le carburant gazeux présent dans la ligne d'acheminement 14, entre la vanne de régulation 16 et les vannes de contrôle 17. En particulier, dans la mesure où la quantité de carburant gazeux résiduel se trouvant entre la vanne de régulation 16 et les vannes de contrôle 17 est très inférieure à la quantité de carburant gazeux résiduel se trouvant entre la vanne d'isolation 15 et la vanne de régulation 16, le circuit d'alimentation 8 ne comprend qu'un seul évent 21 vers une torchère, entre la vanne d'isolation 15 et la vanne de régulation 16. Grâce aux évents 21 et 30, il est alors possible d'évacuer le carburant gazeux résiduel se trouvant dans la ligne d'acheminement 14, entre la vanne d'isolation 15 et les vannes de contrôles 17. Le circuit d'alimentation 8 comprend enfin un moyen de commande 33. Le moyen de commande 33 reçoit les informations fournies par les capteurs 19 et 20 de pression et de température, et est capable de commander les différentes vannes du circuit d'alimentation 8 selon le mode de fonctionnement de la turbine à gaz. Ainsi, lorsque la turbine à gaz est en phase d'arrêt normal, les vannes 16, 17, 23, 25, 27 et 29 sont fermées, tandis que les vannes 15 et 32 sont ouvertes. Les vannes 23, 25, 27 et 29 restent fermées afin d'éviter la dépressurisation de la ligne d'acheminement en carburant gazeux. Lors des phases de démarrage, il est nécessaire de chauffer le carburant gazeux avant que celui-ci n'alimente la chambre de combustion. La vanne 15 d'isolation est ouverte et le moyen de chauffage 18 est donc utilisé. Le capteur de température 19 permet d'indiquer au moyen de commande 33 si la température requise est atteinte. Lorsque la température du carburant gazeux est inférieure à la température requise, les vannes 16 et 17 sont fermées et le carburant gazeux est éventé : les vannes 29 et 27 sont ouvertes afin d'éventer le carburant gazeux présent entre les vannes 15 et 16 vers la torchère 26, et la vanne 32 est ouverte pour éventer le carburant gazeux présent entre la vanne 16 et les vannes 17, vers l'atmosphère. Les vannes 23 et 25 restent fermées. Lorsque le carburant gazeux a atteint la température voulue, la turbine entre alors en fonctionnement et les vannes 15, 16 et 17 sont ouvertes, tandis que les vannes 23, 25, 27, 29 et 32 sont fermées : il n'y a aucun évent et le carburant gazeux est acheminé vers la chambre de combustion. En cas d'arrêt d'urgence de la turbine à gaz, les vannes 15, 16 et 17 de la ligne d'acheminement sont toutes fermées, et le carburant gazeux résiduel restant dans la ligne d'acheminement doit être éventé. Pour cela, la vanne 32 est ouverte pour éventer vers l'atmosphère le carburant gazeux restant entre la vanne 16 et les vannes 17. De plus, le carburant gazeux présent entre la vanne 15 et la vanne 16 est dans un premier temps éventer vers la torchère : les vannes 25 et 27 sont ouvertes afin de permettre une évacuation rapide du carburant gazeux vers la torchère. Les vannes 23 et 29 restent fermées pendant cette période. Puis, lorsque la pression du carburant gazeux résiduel restant entre les vannes 15 et 16 et mesurée par le capteur 20 devient inférieur à une valeur déterminée, par exemple la pression d'alimentation de la torchère, les vannes 25 et 27 sont fermées puis la vanne 23 est ouverte pour finir d'éventer le carburant gazeux résiduel restant vers l'atmosphère. En particulier, la vanne 23 n'est ouverte qu'après la fermeture des vannes 25 et/ou 27. La figure 3 représente un exemple de modèle de commande des vannes 25 et 23 (courbes (B) et (C) respectivement) pendant une phase d'arrêt d'urgence, et la variation de la pression du carburant gazeux mesurée par le moyen 20 dans le circuit d'alimentation (courbe (A)). Le modèle présente ainsi une première partie durant laquelle la vanne de sécurité 15 est fermée. Puis, dans une seconde partie, on souhaite éventer le carburant gazeux restant dans le circuit d'alimentation. A cette fin, la deuxième vanne 25 est ouverte progressivement jusqu'à être complètement ouverte, de manière à alimenter la torchère avec le carburant gazeux restant dans le circuit d'alimentation : on observe alors une baisse rapide de la pression du carburant gazeux qui est brûlé, en sortie, dans la torchère. Puis, lorsque la pression du carburant gazeux dans le circuit d'alimentation descend en-dessous d'une valeur déterminée, la deuxième vanne 25 est alors progressivement fermée afin d'éviter un transfert entre la torchère et le circuit d'alimentation. Lorsque la deuxième vanne 25 est complètement fermée, la première vanne 23 peut alors être progressivement ouverte, afin de mettre à la pression atmosphérique la ligne d'acheminement, et de rejeter le carburant gazeux résiduel dans l'atmosphère. On obtient alors une pression dans le circuit d'alimentation égale à la pression atmosphérique. Il est ainsi possible d'éventer le carburant gazeux contenu dans le circuit d'alimentation en maximisant la quantité de carburant gazeux libéré vers la torchère tout en minimisant la durée de l'évent. Par ailleurs, le contrôle des vannes d'évent en fonction de la pression dans le circuit d'alimentation et en fonction de l'état d'ouverture des autres vannes d'évent permet d'opérer la phase d'évent en toute sécurité.20 REVENDICATIONS1. Event (21) pour circuit d'alimentation (8) en carburant gazeux d'une turbine à gaz (1), comprenant : - une entrée destinée à être reliée au circuit d'alimentation (8) en carburant gazeux, - une première sortie apte à libérer le carburant gazeux à la pression atmosphérique, et - une première vanne (23) montée entre l'entrée et la première sortie, caractérisé en ce qu'il comprend également : - une deuxième sortie apte à alimenter en carburant gazeux un moyen de combustion (26) à pression atmosphérique, par exemple une torchère, - une deuxième vanne (25) montée entre l'entrée et la deuxième sortie, et - un moyen de commande (33) apte à commander l'ouverture et la fermeture des première et deuxième vannes (23, 25) en fonction de la pression du carburant gazeux. 2. Event (21) selon la revendication 1 comprenant également une troisième vanne (29) montée entre l'entrée et la deuxième sortie et dans lequel le moyen de commande (33) est apte à commander l'ouverture et la fermeture de la troisième vanne (29) en fonction de la température du carburant gazeux dans le circuit d'alimentation (8). 3. Circuit d'alimentation (8) pour turbine à gaz comprenant un évent (21) selon la revendication 1 ou 2. 4. Circuit d'alimentation (8) selon la revendication 3 comprenant un moyen de mesure de la pression (20) du carburant gazeux, et dans lequel le moyen de commande (33) reçoit en entrée les mesures du moyen de mesure de la pression (20). 5. Circuit d'alimentation (8) selon la revendication 3 ou 4 comprenant une vanne d'isolation (15) et une vanne de régulation (16) montée en aval de la vanne d'isolation (15), etdans lequel l'entrée de l'évent (21) est montée entre la vanne d'isolation (15) et la vanne de régulation (16). 6. Circuit d'alimentation (8) selon la revendication précédente comprenant également une vanne de contrôle des gaz (17) montée en aval de la vanne de régulation et un évent (30) vers l'atmosphère monté entre la vanne de régulation (16) et la vanne de contrôle des gaz (17). 7. Turbine à gaz (1) comprenant un circuit d'alimentation (8) selon l'une des revendications 3 à 6. 8. Procédé d'évacuation d'un carburant gazeux présent dans un circuit d'alimentation (8) en carburant gazeux d'une turbine à gaz (1), dans lequel : - on achemine le carburant gazeux à évacuer vers un moyen de combustion (26) à pression atmosphérique, par exemple une torchère, lorsque la surpression du carburant gazeux est supérieure à une pression déterminée, par exemple la pression d'utilisation de la torchère, puis - on achemine le carburant gazeux à évacuer vers l'atmosphère jusqu'à obtenir une pression égale à la pression atmosphérique dans le circuit d'alimentation en carburant gazeux. 9. Procédé d'évacuation selon la revendication 8 dans lequel on évacue vers la torchère (26) ou l'atmosphère le carburant gazeux présent dans le circuit d'alimentation (8) lorsque la turbine à gaz est arrêtée d'urgence ou lorsque la turbine à gaz est en phase de démarrage et que la température du carburant gazeux est inférieure à une température déterminée. 10. Procédé d'évacuation selon la revendication 9 dans lequel la turbine à gaz (1) comprend une vanne d'isolation (15) et une vanne de régulation (16) montée en aval de la vanne d'isolation (15), et dans lequel le carburant gazeux évacué lorsque la turbine à gaz (1) est arrêtée d'urgence est le carburant gazeux contenu entre la vanne d'isolation et la vanne de régulation.