Brevet FR3037098A1 — publié le 20161209

Système d'échappement pour turbine à gaz et procédé de commande d'un tel système L'invention concerne, de manière générale, les turbines à gaz et, en particulier, les turbines susceptibles de fonctionner selon un mode dit cycle simple, selon lequel les gaz de sortie de la turbine sont récupérés par un collecteur d'échappement des gaz et envoyés à l'atmosphère grâce à une cheminée et un cycle combiné, selon lequel les gaz de sortie sont conduits par un système d'échappement vers une chaudière de récupération de chaleur pour produire de la vapeur qui est à son tour fournie à une turbine à vapeur. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un système d'échappement pour une turbine à gaz, comprenant un système de dérivation qui oriente les gaz soit à l'atmosphère, en cycle simple, soit vers la chaudière de récupération, en cycle combiné. Le système d'échappement peut être reconfiguré selon les phases de fonctionnement ou les besoin de maintenance de la turbine, en cycle simple ou cycle combiné. Par exemple, lors du fonctionnement de la turbine, et lorsqu'il est nécessaire de mettre hors service la chaudière de récupération de chaleur, pour des raisons de maintenance, il est nécessaire d'assurer la fermeture de la section de dérivation vers la chaudière. Au contraire, lorsque la turbine à gaz doit être transformée pour passer d'un cycle simple à un cycle combiné, en installant une chaudière de récupération de chaleur, la section de dérivation vers le collecteur d'échappement doit être fermée. La fermeture des sections du système d'échappement est effectuée au moyen de dispositifs de fermeture de type volets, porte, guillotine ou gaines ouvertes ou pleine. Les dispositifs de fermeture des systèmes d'échappement sont soumis à de très fortes contraintes en raison du différentiel de température qui existe de part et d'autre de ces dispositifs. Ce différentiel de température crée de fortes contraintes mécaniques sur 3037098 2 les dispositifs de fermeture ainsi que des problèmes d'étanchéité, lors du fonctionnement. La cinématique des dispositifs de fermeture doit avoir une fiabilité permettant de garantir le bon fonctionnement et une bonne 5 étanchéité du mécanisme même après de longues périodes sans utilisation. On connaît, dans l'état de la technique, divers types de systèmes d'échappement capables d'être configurés selon un mode de fonctionnement en cycle simple ou en cycle combiné. 10 On pourra à cet égard se référer au document US 5, 299, 601 qui décrit un système de dérivation de flux comprenant un panneau déplaçable en rotation par un mécanisme d'entraînement comprenant plusieurs bras articulés. Le document KR 2011 0104792 décrit un système 15 d'échappement similaire comprenant un dispositif de dérivation de flux à panneaux relié à un arbre rotatif. Le document US 2005 268594 décrit une centrale électrique fonctionnant en cycle combiné et comportant dès lors une turbine à gaz associée à une chaudière de récupération de chaleur pour récupérer la 20 chaleur des gaz d'échappement de la turbine, à haute température. On pourra également se référer au document US 2005 005609 qui décrit un système d'échappement pour turbine à gaz capable de basculer d'un fonctionnement en cycle combiné vers un cycle simple. Le système d' échappement est doté d'un ensemble de gaines 25 déplaçables sous l'action d'un convoyeur mobile sur un rail. Il a néanmoins été constaté que les diverses solutions de dérivation de flux utilisées dans l'état de la technique permettent soit d'avoir un mécanisme de conversion onéreux mais rapide soit un mécanisme de conversion peu onéreux mais avec un temps de 30 conversion plus important. En effet les mécanismes les plus récents qui sont utilisés pour déplacer les dispositifs de fermeture des sections de dérivation du système d'échappement sont relativement complexes à mettre en oeuvre et nécessitent des moyens humains importants par exemple pour la manutention des divers éléments à déplacer. 3037098 3 Le but de l'invention est donc de permettre un changement de mode d'opération d'une centrale thermique en cycle simple ou en cycle combiné en simplifiant le mécanisme, l'outillage pour mettre en oeuvre ce changement et réduisant les moyens humain mis en oeuvre. 5 En d'autres termes, l'invention se propose de simplifier le déplacement des dispositifs de fermeture des sections de dérivation du système d'échappement et ce, sans risque pour les opérateurs de maintenance et pour les autres composants du système d'échappement. Il est donc proposé un système d'échappement pour turbine à 10 gaz comprenant une gaine de dérivation des gaz d'échappement de la turbine comportant une section d'entrée de gaz apte à recevoir les gaz d'échappement de la turbine, une première section de raccordement à un collecteur d'échappement, et une deuxième section de raccordement à une chaudière de récupération de chaleur, et des gaines 15 amovibles respectivement ouvertes et pleines, venant sélectivement se monter dans les première et deuxième sections, pour faire fonctionner le système d'échappement en mode cycle simple ou en mode cycle combiné. La gaine de dérivation comporte un ensemble d'au moins un 20 rail de guidage des gaines amovibles apte à guider les gaines en appui sur la gaine de dérivation. Il s'agit, en d'autres termes, de permettre la manutention et mise en place des gaines amovibles sur la gaine de dérivation. Selon une autre caractéristique du système d'échappement, 25 l'ensemble de rails est prévu sur la première section, chaque rail comprenant une première partie rectiligne de guidage en translation de l'une de gaines amovibles selon une direction essentiellement transversale par rapport à la première section de sortie, et une deuxième partie en rampe pour guider la gaine amovible contre la 30 première section de sortie de la gaine de dérivation.. Selon encore une autre caractéristique, le système d'échappement comprend, de chaque côté de la première section de sortie, une paire de rails s'étendant de manière générale parallèlement et disposés l'un au-dessus de l'autre. Ces rails ne sont pas 3037098 4 nécessairement alignés. Chaque rail comprenant ladite partie rectiligne et ladite partie en rampe est destiné à recevoir un galet porté par chaque gaine amovible. Avantageusement, ladite partie rectiligne des rails est inclinée 5 en pente de manière à permettre à la gaine de converger naturellement, sous l'effet de son poids, vers sa position finale sur la première section. On pourra prévoir que la gaine de dérivation est équipée d'un treuil de commande afin faciliter le déplacement d'une gaine amovible 10 le long des rails. En outre, chaque gaine amovible peut être dotée d'un organe de fixation d'un appareil de levage ou d'un treuil. Selon encore une autre caractéristique, le système d'échappement et la chaudière de récupération peuvent comporter un 15 ensemble de joints d'étanchéité et/ou de gaines complémentaires venant se positionner entre une partie au moins des gaines amovibles et la première et deuxième section de la gaine de dérivation. On peut configurer le système d'échappement en mode cycle combiné en montant une gaine amovible pleine sur la sortie de la 20 première section, vers l'atmosphère, en déplaçant ladite gaine en translation sur le rail jusqu'à ladite position de montage, et une gaine ouverte sur la sortie de la deuxième section, vers la chaudière de récupération. De même on peut configurer le système d'échappement en 25 mode cycle simple en montant une gaine amovible ouverte sur la sortie de la première section, vers l'atmosphère, en déplaçant ladite gaine en translation sur le rail jusqu'à ladite position de montage, et une gaine pleine sur la sortie de la deuxième section, vers la chaudière de récupération. 30 En outre, avant l'étape de montage d'une gaine, il est nécessaire de découpler les composants situés en aval du système de dérivation. Puis on libère un espace nécessaire pour permettre la mise en place de ces gaines amovibles, par exemple par compression d'un joint d'étanchéité. 3037098 5 D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention 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 : 5 -la figure 1 est une vue de profil d'un système d'échappement pour turbine à gaz conforme à l'invention ; -les figures 2 et 3 sont des vues de détail du système d'échappement de la figure 1 ; -les figures 4 à 8 sont des vues illustrant les principales phases 10 d'un procédé de commande du système d'échappement de la figure 1; - les figures 9 à 12 illustrent les principales phases d'un procédé de commande d'un mode de réalisation particulier d'un système d'échappement selon l'invention ; et - la figure 13 illustre un aspect de la construction du système 15 d'échappement selon l'invention. On se référera tout d'abord aux figures 1 à 4 qui illustrent un système d'échappement pour turbine à gaz conforme à l'invention, désigné par la référence numérique générale 1. Ce système d'échappement est destiné à être monté en sortie 20 d'une turbine à gaz d'une centrale pour récupérer les gaz d'échappement et les conduire vers un collecteur d'échappement 2, en l'espèce une cheminée, lorsque la turbine à gaz fonctionne en cycle simple, ou vers une chaudière de récupération de chaleur dont seule l'entrée 3 a été représentée. 25 Comme on le voit, le système d'échappement comprend essentiellement une gaine de dérivation 4 qui délimite intérieurement un passage de gaz vers la cheminée 2 et un passage de gaz vers la chaudière 3. La gaine de dérivation 4 comporte ainsi une section d'entrée E 30 des gaz d'échappement de la turbine qui reçoit un flux de gaz incident selon la flèche F, une première section de sortie 6 de raccordement à la cheminée 2 et une deuxième section de sortie 7 de raccordement à la chaudière. 3037098 6 Lorsque le système d'échappement fonctionne en mode cycle simple, la deuxième section de sortie 7 est fermée par une gaine pleine 9, tandis que la première section sortie 6 est ouverte grâce à une gaine ouverte 8. 5 Au contraire, lorsque le système d'échappement 1 fonctionne en cycle combiné, la première section de sortie 6 est fermée par une gaine pleine 9 et la deuxième section 7 est ouverte par une gaine ouverte 8. Par gaine de dérivation, on entend dans le cadre de la présente 10 description des portions de conduit ou de canalisation délimitant intérieurement un passage de gaz, ce passage pouvant être fermé, dans le cas d'une gaine pleine, ou ouvert, dans le cas d'une gaine ouverte. Le passage en cycle simple ou cycle combiné se fait en fonction de besoin de la centrale par le changement de gaines dans les 15 passages à l'intérieur de la gaine de dérivation. Le système d'échappement peut ainsi être équipé d'une gaine pleine ou ouverte, c'est-à-dire une gaine qui comporte une ouverture centrale de section carrée, rectangulaire ou circulaire suffisante pour permettre le passage des gaz d'échappement vers la cheminée 2 ou 20 vers la chaudière 3. Pour permettre le changement de gaine, on voit sur la figure 2 que la gaine de dérivation 4 est dotée de rails, tels que 10, sur lesquels les gaines viennent coulisser pour leur déplacement par rapport à la gaine de dérivation 4. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, le système 25 d'échappement comporte un ensemble de rails 10 prévu de chaque côté de la première section de sortie 6. L'ensemble de rails possède une pente globale afin d'assurer un déplacement par gravité des gaines amovibles 8 et 9 lors de leur mise en place sur la gaine de dérivation 4. 30 En référence aux figures 2 et 3, les gaines 8 et 9 sont chacune pourvues d'oreilles de levage latérales, telles que 11, tandis que la gaine de dérivation 4 du système d'échappement est équipée d'un treuil 12 dont la poulie de renvoi 13 est située sensiblement dans le 3037098 7 plan des oreilles de levage 11 d'une gaine, lorsque celle-ci est placée sur la première section. Par ailleurs, chaque gaine 8 ou 9 est dotée de galets latéraux 14 destinés à cheminer sur les rails de guidage 10. Par exemple, chaque 5 gaine comporte, de chaque côté, et donc pour chaque rail de guidage, deux galets placés à l'avant et à l'arrière, en considérant le sens de déplacement des gaines, au montage. Ces galets peuvent être intégrés ou rapportés à la gaine amovible. Ainsi le treuil a pour but de contrôler la vitesse de descente (en 10 raison de la pente) lors de la mise en place de la gaine amovible 8 ou 9 sur la gaine en T. A l'inverse le treuil permet de retirer les gaines 8 ou 9 lors du changement de gaine. Toutefois, d'autres moyens peuvent être utilisés pour assurer cette fonction, par exemple des moteurs à roues, voire une roue freinée pour la descente, ou tout autre moyen 15 équivalent. On voit enfin sur la figure 2 que les rails 10 comportent une portion transversale linéaire 10a assurant le guidage transversal des galets et une portion inclinée d'extrémité 10b qui constitue une rampe de guidage des gaines vers un siège prévu à un extrémité de la 20 première section. En d'autres termes, la deuxième section 10b du rail est configurée de sorte que lors de son guidage sur cette deuxième partie, une gaine, se déplace vers le bas de manière à venir en appui contre la première section de la gaine de dérivation et, lors du démontage de la 25 gaine, cette deuxième partie 10b provoque un décalage de la gaine par rapport à la gaine de dérivation suffisant pour autoriser son déplacement latéral. Comme représenté en figure 1 des joint d'expansion ou d'étanchéité, tels que 15 et/ou des gaines, telles que 16, doivent être 30 déplacés ou comprimés afin d'assurer le mouvement de gaines amovibles On va maintenant décrire, en référence aux figures 4 à 8, les principales étapes à mettre en oeuvre pour modifier la configuration du 3037098 8 système d'échappement qui vient d'être décrit pour le faire fonctionner soit en mode simple cycle, soit en mode cycle combiné. On considérera par exemple qu'il s'agit de passer d'un mode de fonctionnement en cycle combiné vers un mode de fonctionnement en 5 cycle simple. En référence à la figure 4, on désolidarise mécaniquement tout d'abord l'une des parties du joint d'expansion 15 monté du côté de la chaudière, en l'espèce la partie droite, et l'on comprime cette portion de joint. 10 Lors de l'étape suivante (figure 5), on désolidarise mécaniquement la première gaine pleine montée sur la première section de sortie de la gaine de dérivation et l'on soulève la gaine 18 avec des moyens de levage (treuil, élingues...). On fait ensuite glisser la gaine 8 sur les rails (flèche F'). En début de course, les galets 14 15 circulent le long de la partie 10b en rampe du rail 10 de sorte que la gaine 8 est soulevée de manière à pouvoir ensuite être déplacée en translation. Lors de l'étape suivante (figure 6), on désolidarise mécaniquement et on lève la gaine ouverte 9 située du côté de la 20 chaudière à aide d'un moyen de levage. On entrepose cette gaine à proximité. On redresse ensuite la première gaine que l'on met en place du côté de la chaudière (figure 7). La deuxième gaine 9 est ensuite positionnée verticalement puis est couchée sur le rail à l'aide d'un 25 moyen de levage (figure 8). A l'aide du treuil et de la pente du rail, cette gaine est ensuite déplacée par translation naturelle, par gravité avec une vitesse contrôlée par le treuil, le long de la première partie 10a du rail jusqu'à ce qu'elle atteigne la deuxième partie 10b pour venir en appui sur la première section de la gaine de dérivation. 30 Les gaines sont ensuite assemblées mécaniquement, les joints et le gaines sont refixés sur les gaines amovibles. Comme illustré aux figures 9 à 12, sur lesquelles on a schématiquement représenté la première section 6 de raccordement à la cheminée, et sur laquelle une gaine a été schématisée par ses deux 3037098 9 galets 14a et 14b, le système d'échappement comprend, de chaque côté de la première section, deux rails de guidage A et B qui s'étendent parallèlement et de manière globalement inclinée de manière à former une pente descendante vers la première section. 5 , Chaque rail de guidage A et B comporte une portion transversale linéaire 10a et une rampe d'extrémité 10b. L'un des galets, à savoir le galet référencé 14a est destiné à circuler sur un premier rail A tandis que l'autre galet 14b est destiné à circuler sur l'autre rail B. 10 Bien entendu, un agencement similaire est prévu de l'autre côté (non représenté) de la première section 6. Pour positionner une gaine sur la première section, on amène la gaine dans une position verticale contre une butée 17, à l'aide d'un moyen de levage de telle sorte que le premier galet 14a repose sur le 15 premier rail A (figure 9). La butée ayant pour but d'assurer un pivot. On incline alors la gaine de sorte que le deuxième galet 14 repose sur l'autre rail B (figure 10). A l'aide du treuil et sous l'effet de la gravité, on déplace les galets 14a et 14b le long des portions linéaires 10a respectives des 20 rails A et B (figure 11) jusqu'à ce que les galets atteignent les rampes d' extrémité 10b. Le déplacement de la gaine est alors guidé le long des rampes jusqu'à venir en appui sur la première section et une butée 18 (figure 12). La butée 18 représente une fin course basse pour assurer une 25 position de sécurité. A l'inverse, lors de la remonté une butée 19 de fin course haute et positionnée pour assurer une position de sécurité de l'une de gaine amovibles 8 ou 9. On notera enfin que l'invention n'est pas limitée aux modes de 30 réalisation décrits précédemment en référence aux figures 1 à 12. En effet, le système d'échappement peut comprendre un système de rails 10 avec une pente globale nulle tout en conservant ses parties spécifiques 10a et 10b. De plus, comme le montre la figure 13, qui illustre trois positions possibles I, II et III pour la deuxième 3037098 10 section de sortie, le système de rails ainsi que sa cinématique peut être mis en oeuvre d'un côté ou de l'autre de la gaine en T, grâce à la symétrie du système et de ses assemblages. REVENDICATIONS1. Système d'échappement pour turbine à gaz comprenant une gaine (4) de dérivation des gaz d'échappement de la turbine comportant une section (E) d'entrée de gaz apte à recevoir les gaz d'échappement de la turbine, une première section (6) de raccordement à un collecteur d'échappement (2) des gaz et une deuxième section (7) de raccordement à une chaudière de récupération de chaleur, et des gaines amovibles (8,9) respectivement ouvertes et pleines, venant sélectivement se monter dans les première et deuxième sections, pour faire fonctionner le système d'échappement en mode cycle simple ou en mode cycle combiné, caractérisé en ce que la gaine de dérivation comporte un ensemble d'au moins un rail (10) de guidage des gaines amovibles apte à guider les gaines en appui sur la gaine de dérivation. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel l'ensemble de rails est prévu sur la première section (6), chaque rail comportant une première partie (10a) rectiligne de guidage en translation d'une gaine amovible selon une direction essentiellement transversale par rapport à la première section, et une deuxième partie (10b) en rampe pour guider la gaine amovible en appui contre la première section. 3. Système selon la revendication 2, comprenant de chaque côté de la première section (6) de raccordement au collecteur d'échappement, une paire de rails s'étendant de manière générale parallèlement et disposés l'un au-dessus de l'autre, chaque rail comprenant ladite partie rectiligne et ladite partie en rampe et étant destiné à recevoir un galet (14) latéral porté par chaque gaine amovible. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel ladite partie rectiligne des rails est inclinée en pente de manière à converger vers la première section. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la gaine de dérivation est équipée d'un treuil (12) de commande du déplacement d'une gaine amovible le long de l'ensemble de rails. 3037098 12 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque gaine amovible est dotée d'un organe (11) de fixation d'un appareil de levage ou d'un treuil. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 5 comportant un ensemble de joints d'étanchéité et/ou de gaines complémentaires (15, 16) venant se positionner contre une partie au moins des gaines amovibles. 8. Procédé de commande d'un système d'échappement d'une turbine à gaz, ledit système d'échappement comprenant un gaine (4) de 10 dérivation des gaz d'échappement de la turbine comportant une section d'entrée (E) de gaz apte à recevoir les gaz d'échappement de la turbine, une première section (6) de raccordement à un collecteur d'échappement des gaz et une deuxième section (7) de raccordement à une chaudière de récupération de chaleur, et des gaines amovibles 15 (8,9), respectivement ouvertes et pleines, caractérisé en ce que l'on configure le système d'échappement en mode cycle simple en montant une gaine ouverte sur une sortie de la première section en déplaçant ladite gaine en translation sur au moins un rail (10) jusqu'à une position de montage de ladite gaine et une gaine pleine sur une sortie 20 de la deuxième section. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on configure le système d'échappement en mode cycle combiné en montant la gaine pleine sur la sortie de la première section en déplaçant ladite gaine en translation sur le rail jusqu'à ladite position de montage et la gaine 25 ouverte sur la sortie de la deuxième section. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel avant l'étape de montage d'une gaine sur la sortie de la première section, on comprime un joint d'expansion et/ou l'on déplace une gaine complémentaire contre lequel vient en appui ladite gaine.