Brevet FR3041688A1 — publié le 20170331

Procédé et installation de contrôle de la quantité de particules solides émises par une turbine à combustion La présente invention concerne les turbines à combustion, ou turbine à gaz, et concerne plus particulièrement le contrôle de la concentration de particules solides émise par les turbines à gaz lors de la combustion d'un combustible liquide. Il existe une gamme importante de combustibles liquides disponibles pour l'alimentation des turbines à combustion. Il s'agit notamment des fuels lourds, des pétroles bruts, des distillés lourds ou légers, des gasoils, du kérosène, du naphtha, du biodiesel, du bioéthanol, Un combustible de type fuel lourd contient du vanadium et d'autres types de contaminants, dont le soufre, et sa combustion génère par conséquent des cendres solides assimilables à des particules solides. En fonction des performances du système de combustion entrant dans la constitution d'une turbine à combustion, les combustibles liquides ou gazeux peuvent générer des émissions de poussières ou de cendres, et de manière générale, de particules solides, qui sont rejetées vers l'atmosphère, en sortie de cheminée. Parmi les particules solides, les suies correspondent à la fraction organique des poussières, et comprennent majoritairement du carbone, de l'hydrogène et éventuellement de l'oxygène et de l'azote. Les particules solides peuvent également contenir une fraction minérale constituée en général de métaux alcalins ou de métaux lourds. Les réglementations imposées à l'échelle mondiale ou imposées localement à l'échelle des pays exploitant les turbines à combustion imposent des limites maximales de rejet de particules solides vers l'atmosphère. Par exemple, dans le cadre de l'utilisation d'un combustible liquide, lorsqu'une turbine à combustion fonctionne en régime nominal, la valeur maximale de rejet des poussières vers l'atmosphère pour une turbine à combustion stationnaire est de 50 mg/Nm3. 3041688 2 Pour limiter la quantité de particules solides émises, on utilise généralement un catalyseur de combustion. Il existe différents types de catalyseur de combustion capables de réduire les émissions de suies dans les installations. Le choix du 5 catalyseur de combustion dépend du type du combustible, du type d'installation utilisée et de la concentration maximale de particules solides imposée par les réglementations. Au vu de ce qui précède, la présente invention se propose de contrôler la quantité de particules solides émises par une turbine à 10 combustion, et ce quelles que soient les régimes de fonctionnement de la turbine à combustion. L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un procédé de contrôle de la quantité de particules solides émises par une turbine à combustion, lors de la combustion d'un combustible liquide, 15 par injection d'un catalyseur de combustion apte à réduire la quantité de particules solides générées lors de la combustion. Ce procédé comprend les étapes de : - mesure de la quantité de particules émises lors de la combustion ; 20 - injection du catalyseur de combustion dans la turbine à combustion lorsque la quantité de particules mesurée est supérieure à une valeur maximale de seuil ; - arrêt de l'injection du catalyseur lorsque la quantité de particules mesurée est inférieure à une valeur minimale de 25 seuil. Ces étapes de procédé permettent de mettre en oeuvre des phases cycliques en raison de l'hystérésis d'injection de catalyseur qui permettent un contrôle plus fin de la quantité de particules émises et ou d'optimiser la consommation de catalyseur de combustion. 30 Avantageusement, la température de flamme de la turbine à combustion est supérieure ou égale à 1363 K (1090°C). Par exemple, le catalyseur est injecté en amont d'un système de combustion de la turbine à combustion, dans une ligne d'alimentation du système en combustible liquide. 3041688 3 En variante, le catalyseur peut être injecté directement dans le dispositif de combustion de la turbine. Avantageusement, la valeur maximale de seuil est une concentration en particules est comprise entre 45 mg/Nm3et 55 5 mg/Nm3. Cette gamme de concentration est liée à la valeur limite maximale de rejet de particules à l'atmosphère imposée par les instances réglementaires au niveau mondial. En ce qui concerne la valeur minimale cible, celle-ci est une concentration en particules de compris entre 20 mg/Nm3 et 30 mg/Nm3. 10 De préférence, le catalyseur de combustion comprend au moins un élément choisi parmi les oxydes de fer (III), les oxydes de cérium (III), les oxydes de cérium (IV) et leurs mélanges. De préférence, la quantité de particules émises est mesurée en continu. 15 L'invention a également pour objet un système de contrôle de la quantité de particules solides émises par une turbine à combustion, lors de l'utilisation d'un combustible liquide, comprenant des moyens d'injection d'un catalyseur de combustion apte à réduire la quantité de particules générées par l'installation. 20 Ce système comporte en outre des moyens de mesure de la quantité de particules émises et une unité centrale de commande apte à piloter les moyens d'injection de manière à injecter le catalyseur de combustion dans la turbine à combustion lorsque la quantité de particules mesurée est supérieure à une valeur maximale de seuil et à 25 arrêter l'injection du catalyseur lorsque la quantité de particules mesurée atteint une valeur minimale cible. L'invention concerne également une installation de turbine à gaz comprenant un système de contrôle tel que défini ci-dessus. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention 30 apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : 3041688 4 - la figure 1 est un schéma synoptique illustrant la constitution d'une installation de turbine à gaz comprenant un système de contrôle conforme à l'invention ; et - la figure 2 montre des courbes illustrant les phases 5 successives d'injection de combustible et d'arrêt de l'injection. On se référera tout d'abord à la figure 1 qui illustre la structure d'un système de turbine à combustion selon un mode de réalisation de l' invention. 10 Comme on le voit, la turbine à combustion, désignée par la référence numérique générale 1, comporte successivement un compresseur 2, qui assure la compression de l'air ambiant admis en entrée de la turbine à combustion, une ou plusieurs chambres de combustion 3, dans laquelle ou lesquelles l'air comprimé par le 15 compresseur est mélangé à un combustible et est enflammé, et une turbine de détente 4 dans laquelle le gaz enflammé est détendu pour produire de l'énergie mécanique pour l'entraînement du compresseur et pour fournir l'énergie mécanique nécessaire à l'application mettant en oeuvre la turbine à combustion. 20 En sortie, le gaz est récupéré par un système d'échappement 5 relié à une chaudière 6 de récupération d'énergie pour être évacué vers l'extérieur par une cheminée 7. Les chambres de combustion 3 sont alimentées en combustible, ici un combustible liquide, par une ligne d'admission 8 raccordée à 25 une source de combustible 9 et équipée d'un régulateur de débit 10. Comme indiqué précédemment, la combustion dans les chambres de combustion 3 produit des particules solides, telles que des suies. Ces particules traversent la turbine de détente 4, le système d'échappement 5, la chaudière 6 et sont rejetées vers l'extérieur par la 30 cheminée 7. Le système de turbine à combustion 1 comporte par ailleurs des moyens d'injection 10 pour injecter un catalyseur de combustion dans la turbine à gaz de manière à réduire la quantité de particules solides, 3041688 5 et plus particulièrement la concentration de particules solides générées lors de la combustion. Les moyens d'injection 10 peuvent être directement raccordés aux chambres de combustion 3 de manière à injecter le catalyseur de 5 combustion dans les chambres de combustion. Ils peuvent être également raccordés, comme représenté, à la ligne 8 d'alimentation en combustible liquide de manière à injecter le catalyseur de combustion dans la ligne 8 d'alimentation. Les moyens d'injection 10 comportent une unité centrale de 10 commande 11, un organe 12 de mesure de la concentration de particules émises en sortie de la cheminée 12 et un organe de mesure 13 du débit de combustible liquide dans la ligne d'alimentation 8. L'unité centrale de commande 11 comporte un premier étage de contrôle 14 qui comporte une cartographie 15 dans laquelle sont 15 stockées des valeurs de débit de référence de catalyseur de combustion Qref't en fonction de valeurs de référence de débit de combustible Qrefcomb. A partir de la valeur de débit de combustible QF délivrée par l'organe de mesure 13, le premier étage 14 de contrôle extrait de la cartographie 15 une valeur de commande Ccat de débit de catalyseur. 20 Il s'agit, en d'autres termes, d'adapter le débit d'injection de catalyseur de combustion en fonction du débit de combustible liquide, qui dépend lui-même du niveau de charge de l'élément entrainé par la turbine à combustion, par exemple un alternateur. L'unité centrale de commande 11 comporte par ailleurs un 25 deuxième étage de contrôle 16 qui reçoit la valeur de débit de suies Qsuies fournie par l'organe de mesure 12. Ces valeurs mesurées sont comparées à l'aide de comparateurs 17 et 18 à une valeur maximale de seuil et à une valeur minimale cible. La sortie des comparateurs 17 et 18 est fournie à un circuit de 30 logique combinatoire, constitué par exemple par une bascule RF dont la sortie dépend de la valeur de la concentration en suies par rapport à la valeur seuil. La sortie de la bascule RF passe au niveau haut si la concentration en suies Qsuies est supérieure à la valeur maximale de 3041688 6 seuil et passe à un niveau bas si la concentration en suies atteint une valeur minimale cible et conserve son état si la concentration en suies est comprise entre les valeurs minimale cible et maximale de seuil. Les moyens 10 d'injection de catalyseur de combustion 5 comportent deux lignes d'injection de catalyseur Ll et L2 redondantes constituant l'une une ligne d'injection destinée à être utilisée lors du fonctionnement normal de l'installation et l'autre, optionnelle, une ligne d'injection de secours. Les lignes d'injection sont chacune pilotées par des signaux de commande Cdel et Cde2 issus du circuit de 10 logique combinatoire 7 par l'intermédiaire d'un premier composant 19, de type contacteur, pour commander le fonctionnement ou l'arrêt des deux lignes d'injection L1 et L2 et de deux composants 20 et 21, également de type contacteur, pour piloter sélectivement le fonctionnement des lignes Ll et L2 d'injection. 15 Chacune des lignes d'injection Ll et L2 comporte une pompe doseuse, respectivement P1 et P2, alimentée à partir d'un système 22 d'alimentation en catalyseur de combustion et entrainée par un moteur électrique M, lui-même alimenté à partir de sources alternatives, telles que 23, par l'intermédiaire de convertisseurs 24 recevant le signal de 20 commande de débit de catalyseur Ccat et piloté par les signaux de commande Cdel et Cde2. La sortie de chacune des pompes doseuses P1 et P2 est raccordée à la ligne 8 d'alimentation en combustible liquide par l'intermédiaire de clapets tels que 25. Ainsi, lorsque l'unité centrale de commande 11 détecte que la 25 concentration en suies mesurée par l'organe de mesure 12 est supérieure à la valeur maximale de seuil, il commande la pompe doseuse en positionnant le signal de commande Cde 1 au niveau haut pour actionner le moteur M de manière à délivrer un débit de catalyseur de combustion Ccat extrait de la cartographie 15 en 30 fonction d'un débit de combustible et d'un débit de catalyseur de référence. Si la concentration en particules solides devient inférieure à la valeur minimale cible, l'injection de catalyseur de combustion est arrêtée. 3041688 7 Par exemple, pour une turbine à combustion générant une puissance électrique nominale de 100 MW et qui consomme environ 32 tonnes/heure de combustible liquide, le ratio entre le débit de catalyseur de combustion et le débit de combustible liquide est de 5 préférence compris entre 0,003% et 0,006%, ce qui représente entre 1 et 2 kg/heure de catalyseur de combustion. L'unité centrale de commande 11 pilote la pompe doseuse selon le niveau de concentration en particules de suies mesurée. Au-dessus de la valeur maximale de seuil de concentration, par 10 exemple comprise entre 45 mg/Nm3 et 55 mg/Nm3, l'unité centrale de commande 11 provoque le démarrage de la pompe doseuse. En dessous de la valeur cible, par exemple comprise entre 20 mg/Nm3 et 30 mg/Nm3, l'unité centrale de commande 11 provoque l'arrêt de la pompe doseuse. 15 De préférence, on fixera les valeurs maximales de seuil et cible à 50 mg/Nm3 et 25 mg/Nm3, respectivement. La surveillance en continu du niveau de concentration permet par la suite de redémarrer la pompe doseuse. Comme indiqué précédemment, en cas de défaillance de la 20 première ligne d'injection Ll, on met en oeuvre la deuxième ligne d'injection L2 pour assurer l'injection de catalyseur à partir des signaux Cde2 et Ccat. On se réfèrera maintenant à la figure 2 qui illustre le fonctionnement du système de contrôle qui vient d'être décrit. 25 Cette figure illustre la variation de concentration en particules en fonction du temps (courbe A) et montre l'évolution en fonction du temps de l'épaisseur D1,..., Dn, Dn+1 d'une couche de catalyseur déposée sur la paroi interne de la turbine. Comme visible sur la figure 2, on met ainsi en oeuvre, de 30 manière cyclique, des phases d'injection de catalyseur de combustion lors du fonctionnement de la turbine à combustion. L'intervalle entre deux cycles d'injection de catalyseur de combustion est fonction de la configuration de l'installation. La durée entre deux cycles d'injection consécutifs (T1, T2, T3, Tn-1, Tn, Tn+1, 3041688 8 etc...) augmente en fonction du temps d'utilisation de l'installation. Cependant, Tn correspond à la durée maximale entre deux cycles d'injection de catalyseur de combustion. Tn+1 est inférieur ou égal à Tn. 5 On notera toutefois que les particules actives du catalyseur de combustion injecté adhèrent aux parois de l'installation en formant des couches d'agents actifs d'épaisseur variable en fonction du temps, qui engendrent un effet catalytique de conversion des particules solides en CO2. 10 Dès que l'injection de catalyseur de combustion est interrompue, les particules actives adhérant aux parois poursuivent leur effet catalytique de conversion. Lorsque l'injection de catalyseur est interrompue, les couches de particules actives soumises au mouvement et/ou à la propagation des gaz de combustion ont tendance 15 à progressivement être entrainées, et dès lors consommées, vers la cheminée. En conséquence, la consommation des particules actives est telle que l'effet catalytique disparait lorsque toutes les particules actives ont été consommées. C'est à ce moment qu'il est nécessaire de procéder à une nouvelle injection de catalyseur de combustion. 20 Au fur et à mesure, cet effet permet de réaliser des séquences d'injection de catalyseur de combustion avec des intervalles dont la durée diminue dans le temps tandis que les séquences d'arrêt de l'injection augmentent de façon inversement proportionnelle jusqu'à une limite correspondant à la saturation en particules actives sur les 25 parois de l'installation. Ce phénomène de saturation est lié à l'épaisseur des couches de dépôts et à la vitesse de propagation des gaz de combustion. Autrement dit, la couche de particules actives ne s'épaissit pas de manière infinie puisque les dépôts sont déstabilisés et tendent à se décrocher des parois sous l'effet de la vitesse des gaz de 30 combustion L'intervalle d'injection du catalyseur de combustion dépend du résultat de la mesure de concentration en particules, supérieure à 25 mg/Nm3 et inférieure à 50 mg/Nm3. La durée des intervalles dépend de la surface interne des parois de l'installation de combustion, du débit de gaz d'échappement et de la température. 3041688 9 Le combustible utilisé pour l'alimentation des chambres de combustion peut être de diverses natures. On pourra, par exemple, utiliser un fuel lourd, un pétrole brut, un distillé lourd ou léger, du gasoil, du kérosène, du naphta, du biodiesel, du bioéthanol. On notera 5 toutefois que l'on ne sort pas du cadre de l'invention lorsqu'on utilise d'autres types de combustible liquide. En ce qui concerne le catalyseur d'oxydation, on pourra utiliser de l'oxyde de cérium (III), de l'oxyde de cérium (IV) ou un oxyde de fer ou un mélange de ces catalyseurs. Les réactions chimiques de 10 conversion des suies en dioxyde de carbone sont les suivantes : En ce qui concerne l'oxyde de cérium (IV), la réaction est la suivante : 4 Ce02 + C(suies) 2 Ce203 + CO2. En ce qui concerne le Cérium (III), la réaction est la suivante : 15 Ce203 + 1/2 02 2 Ce02, et 4 Ce02 + C (suies) 2 Ce203 + CO2. On notera que le cérium (III) est converti en cérium (IV) en raison de la présence d'oxygène dans les flammes : Ce203 + 1/2 02 2 Ce02. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle de la quantité de particules solides émises par une turbine à combustion (1), lors de la combustion d'un combustible liquide, par injection d'un catalyseur de combustion apte à réduire la quantité de particules solides générées lors de la combustion, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : - mesure de la quantité de particules (Qsuies) émises lors de la combustion ; - injection du catalyseur de combustion dans la turbine à combustion lorsque la concentration de particules mesurée est supérieure à une valeur maximale de seuil ; et - arrêt de l'injection du catalyseur lorsque la quantité de particules mesurée est inférieure à une valeur minimale cible. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la température de flamme de la turbine à combustion est supérieure ou égale à 1363K. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le catalyseur est injecté en amont d'un système de combustion de la turbine à combustion, dans une ligne d'alimentation (8) dudit système en combustible liquide. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le catalyseur est injecté dans les chambres de combustion (3) d'un système de combustion de la turbine à combustion. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la valeur maximale de seuil est une concentration en particules comprise entre 45 mg/Nm3 et 55 mg/Nm3. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la valeur minimale cible est une concentration en particules comprise entre 20 mg/Nm3 et 30 mg/Nm3. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le catalyseur de combustion comprend au moins un élément choisi parmi les oxydes de fer (III), les oxydes de cérium (III), les oxydes de cérium (IV) et leurs mélanges. 3041688 11 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la concentration de particules émise est mesurée en continu. 9. Système de contrôle de la quantité de particules solides 5 émises par une turbine à combustion (1), lors de la combustion d'un combustible liquide, comprenant des moyens (10) d'injection d'un catalyseur de combustion apte à réduire la quantité de particules générées lors de la combustion, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (12) de mesure de la quantité de particules émises et une unité 10 centrale de commande (11) apte à piloter les moyens de mesure de manière à injecter le catalyseur de combustion dans la turbine à combustion (1) lorsque la quantité de particules mesurée est supérieure à une valeur maximale de seuil et à arrêter l'injection du catalyseur lorsque la quantité de particules mesurée est inférieure à une valeur 15 minimale cible. 10. Installation de type turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de contrôle selon la revendication 9.