Brevet FR3054595A1 — publié le 20180202

Compartiment d'une turbine à gaz comprenant un dispositif de détection d'une fuite d'air chaud et procédé de détection d'une fuite d'air chaud associé L'invention concerne les turbines à gaz et, plus particulièrement, les systèmes de détection de fuites dans les turbines à gaz industrielles. En particulier, la présente invention concerne un dispositif de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment 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 système pour le rejet des gaz d'échappement. Les turbines à gaz sont conçues avec des systèmes de combustion capables d'injecter du combustible liquide et/ou du combustible gazeux dans le système de combustion, par l'intermédiaire, par exemple, d'injecteurs concentriques. Toutefois, certaines turbines à gaz sont capables de fonctionner alternativement avec du combustible liquide et du combustible gazeux tel que, par exemple, du gaz naturel. Généralement, les turbines à gaz sont installées dans un compartiment de turbine afin d'extraire l'énergie radiante du corps de turbine, ainsi que confiner, diluer et détecter les fuites de gaz. Le corps de la turbine à gaz et l'ensemble des tuyauteries de circulation d'air chaud peuvent être isolées. Le compartiment de turbine à gaz est généralement doté d'un système de détection d'une température élevée capable de déclencher une alarme en fonction de données fournies par une pluralité de capteurs de température disposée à l'intérieur du compartiment de turbine. Ainsi, lorsque la température de l'air à l'intérieur du compartiment de turbine dépasse une valeur de seuil, 3054595 2 une alarme est déclenchée et des mesures de protection sont activées. Toutefois, un tel système de détection d'une température élevée dans le compartiment de turbine ne permet pas de détecter 5 efficacement les fuites d'air chaud. En effet, il est possible de détecter indirectement les fuites d'air chaud, seulement si le seuil est atteint. Or, la valeur de seuil peut être atteinte plus rapidement dans des conditions climatiques particulières, par exemple, en été, ou dans des pays où l'air extérieur est relativement chaud. Par 10 contre, si la température ambiante est basse et la turbine est à une charge réduite il est possible que le seuil d'alarme ne soit pas atteint même avec une fuite d'air chaud. Il existe donc un besoin pour détecter efficacement les fuites d'air chaud dans un compartiment de turbine à gaz. 15 Le but de la présente invention est de proposer un système de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine, et ce même si le seuil de température élevée n'est pas atteint. Selon un aspect, il est proposé un compartiment de turbine à gaz comprenant une turbine à gaz apte à être alimentée 20 alternativement par un combustible liquide et par un combustible gazeux, et comprenant un compresseur comportant un arbre de rotor, une chambre de combustion et apte à recevoir l'air comprimé par le compresseur et une turbine entraînée par des gaz chauds à haute énergie provenant de la chambre de combustion. Ledit compartiment 25 de turbine à gaz comprend un dispositif de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine. Le dispositif de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine calcule une valeur de température attendue dans le compartiment de turbine et détecte une fuite d'air chaud en 30 fonction de ladite valeur de température attendue dans le compartiment de turbine. Avantageusement, le dispositif de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine comprend un module de calcul de ladite valeur de température attendue dans le 3054595 3 compartiment de turbine en fonction de la température ambiante, de la puissance active produite par la turbine à gaz, du rapport de compression du compresseur et de la valeur mesurée de la température entre les roues de la turbine à gaz. 5 Le dispositif de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine comprend, par exemple, un module de calcul d'une valeur de différence entre la valeur calculée de la température attendue avec une valeur de température mesurée à l'intérieur du compartiment de turbine, un module de comparaison 10 de ladite différence avec une valeur de seuil, lorsque ladite différence est supérieure à la valeur de seuil, une fuite d'air chaud est détectée. Selon un mode de réalisation, le compartiment de turbine à gaz comprend une unité de contrôle électronique apte à commander 15 le fonctionnement de la turbine à gaz et ledit dispositif de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine est disposé dans ladite unité de contrôle électronique. Selon un second aspect, l'invention concerne un procédé de détection de fuites d'air chaud dans un compartiment de turbine à 20 gaz comprenant une turbine à gaz apte à être alimentée alternativement par un combustible liquide et par un combustible gazeux, et comprenant un compresseur comportant un arbre de rotor, une chambre de combustion et apte à recevoir l'air comprimé par le compresseur et une turbine entraînée par des gaz chauds à haute 25 énergie provenant de la chambre de combustion. Selon le procédé, on calcule une valeur de température attendue dans le compartiment de turbine et on détecte une fuite d'air chaud en fonction de ladite valeur de température attendue dans le compartiment de turbine. 30 Avantageusement, on calcule ladite valeur de température attendue dans le compartiment de turbine en fonction de la température ambiante, de la puissance active produite par la turbine à gaz, du rapport de compression du compresseur et de la valeur mesurée de la température entre les roues de la turbine à gaz. 3054595 4 Par exemple, on calcule une valeur de différence entre la valeur calculée de la température attendue avec une valeur de température mesurée à l'intérieur du compartiment de turbine, on compare ladite différence avec une valeur de seuil et on détecte une 5 fuite d'air chaud lorsque ladite différence est supérieure à la valeur de seuil. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux 10 dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente, de manière schématique, un compartiment d'une turbine à gaz ; - la figure 2 illustre en détails un dispositif de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine selon la figure 15 1 ; et - la figure 3 illustre un organigramme d'un procédé de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente, de manière schématique, un 20 compartiment 10 de turbine à gaz comprenant une turbine à gaz alimentée alternativement par un combustible liquide et par un combustible gazeux tel que, par exemple, du gaz naturel, provenant respectivement d'un système d'arrivé ou source 11 et 12. Les turbines à gaz sont généralement utilisées dans des centrales 25 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 comprend un compresseur axial 13 comportant un arbre de rotor 14. L'air est introduit par l'entrée 15 du compresseur 13, et comprimé par le 30 compresseur axial 13 puis dirigé vers une chambre de combustion 16. La chambre de combustion 16, également alimentée en combustible gazeux et liquide, produit, lors de la combustion, des gaz chauds à haute énergie aptes à entraîner une turbine 17. Du combustible gazeux peut être acheminé par la source 11 à la 3054595 5 chambre de combustion 16 par un dispositif d'alimentation en combustible gazeux comprenant une entrée reliée au à la source 11 et une sortie reliée à la chambre de combustion 16. De même, du combustible liquide peut être acheminé par la source 12 à la 5 chambre de combustion 16 par un dispositif d'alimentation en combustible liquide qui comprend une entrée reliée à la source et une sortie reliée à la chambre de combustion 16. Dans la turbine 17, l'énergie des gaz chauds est convertie en travail dont une partie est utilisée pour entraîner le compresseur 13, 10 par l'intermédiaire de l'arbre du rotor 14, et dont l'autre partie est utilisée pour entraîner un générateur 18 de production d'électricité, par l'intermédiaire d'un arbre 18a. Les gaz d'échappement sortent ensuite de la turbine par une sortie 19, et peuvent être utilisés pour d'autres applications. 15 La turbine à gaz est installée dans le compartiment de turbine 10 afin d'extraire l'énergie radiante du corps de turbine, ainsi que confiner, diluer et détecter les fuites de gaz. Le compartiment de turbine 10 permet aussi de réduire les nuisances sonores engendrées par la turbine. 20 Le fonctionnement de la turbine à gaz est commandé par une unité de contrôle électronique ou « UCE » 20 comportant un dispositif 22 de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine 10. Tel qu'illustré en détails sur la figure 2, le dispositif 22 de 25 détection de fuites d'air chaud comprend un module 24 de calcul d'une valeur de température attendue Test dans le compartiment de turbine 10, en fonction de la température ambiante Tamb et de l'état thermique et électrique de la turbine, à savoir la puissance active P produite par la turbine à gaz, le rapport de compression CPR du 30 compresseur 13 et la valeur mesurée de la température TR entre les roues (non représentées) de la turbine à gaz et un indice Mc du mode de combustion de la turbine à gaz. La valeur de température attendue Test dans le compartiment turbine est calculée selon l'équation suivante : 3054595 6 Test = f (Tanib,P,CPR,TR,MC) (Eq. 1) Avec : Test, la valeur de la température attendue dans le 5 compartiment turbine à gaz, exprimée en K ; f, la fonction de transfert correspondant au modèle utilisé pour modéliser la température du compartiment d'une turbine à gaz neuve ; Tamb, la valeur de la température ambiante mesurée 10 l'extérieur du compartiment de turbine, exprimée en K ; P, la puissance active produite par la turbine à gaz, exprimée en MW ; CPR, le rapport de compression CPR du compresseur 23 ; TR, la valeur mesurée de la température entre les roues (non 15 représentées), exprimée en K ; et Mc, un indice d'un mode de combustion de la turbine à gaz, fournie par une base de données de la turbine à gaz (non représentée). 20 Le dispositif 22 de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine comprend en outre un module 26 de calcul de la différence AT entre la valeur de température attendue Test dans le compartiment de turbine avec une valeur de température mesurée Tmes à l'intérieur du compartiment de turbine : 25 AT = Test - Tmes (Eq. 2) La différence AT est ensuite comparée, dans un module 28 30 de comparaison, avec une valeur de seuil Si. Si la différence AT est supérieure à la valeur de seuil S 1, une fuite d'air chaud FA est détectée. La valeur de seuil Si peut être adaptée en fonction de l'état de fonctionnement de la turbine à gaz, par exemple dans le cas d'un 3054595 7 mode transitoire en réduction de charge pour prendre en compte une constante de temps thermique, et ainsi affiner le diagnostic de détection de fuites d'air chaud. Le dispositif 22 de détection de fuites d'air chaud dans le 5 compartiment de turbine est installé dans l'unité de contrôle électronique 20 de la turbine à gaz. Tel qu'illustré sur la figure 3, le procédé de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine comprend une première étape 32 d'acquisition des données telles que la valeur de 10 la température ambiante Tamb, la puissance active P produite par la turbine à gaz, le rapport de compression CPR du compresseur 23 et la valeur mesurée de la température TR entre les roues de la turbine à gaz et un indice Mc du mode de combustion de la turbine à gaz. Le procédé de détection de fuites d'air chaud dans le 15 compartiment de turbine comprend en outre une étape 34 de calcul d'une valeur de température attendue Test dans le compartiment de turbine 10, en fonction de la température ambiante Tamb et de l'état thermique et énergétique de la turbine, selon l'équation Eq.1 ci-dessus. 20 Le procédé calcul ensuite, à l'étape 36, la différence AT entre la valeur de température attendue Test dans le compartiment de turbine avec une valeur de température mesurée T.,' à l'intérieur du compartiment de turbine selon l'équation Eq.2 et compare, à l'étape 38, ladite différence AT avec une valeur de seuil Si. 25 Si la différence AT est supérieure à la valeur de seuil 51, une fuite d'air chaud FA est détectée à l'étape 40. Grace à la présente invention, les fuites d'air chaud sont détectées même si le seuil de température élevée n'est pas atteint. En d'autres termes, les fuites d'air chaud sont détectées avant le 30 déclenchement d'une alarme de température élevée dans le compartiment de turbine. De plus, il est possible de détecter à la fois les fuites de l'air de purge, les fuites de l'air du compresseur, et les fuites des gaz chauds issus de la combustion de la turbine. REVENDICATIONS1. Compartiment de turbine à gaz comprenant une turbine à gaz apte à être alimentée alternativement par un combustible liquide et par un combustible gazeux, et comprenant un compresseur (13) comportant un arbre de rotor (14), une chambre de combustion (16) et apte à recevoir l'air comprimé par le compresseur et une turbine (17) entraînée par des gaz chauds à haute énergie provenant de la chambre de combustion, ledit compartiment de turbine à gaz comprenant un dispositif (22) de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine (10), caractérisé en ce que le dispositif (22) de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine (10) calcule une valeur de température attendue (T't) dans le compartiment de turbine (10) et détecte une fuite d'air chaud en fonction de ladite valeur de température attendue (Test) dans le compartiment de turbine. 2. Compartiment de turbine à gaz selon la revendication 1, dans lequel le dispositif (22) de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine (10) comprend un module (24) de calcul de ladite valeur de température attendue (Test) dans le compartiment de turbine (10) en fonction de la température ambiante (Tamb), de la puissance active (P) produite par la turbine à gaz, du rapport de compression (CPR) du compresseur (13), de la valeur mesurée de la température (TR) entre les roues de la turbine à gaz et d'un indice (Mc) du mode de combustion de la turbine à gaz. 3. Compartiment de turbine à gaz selon la revendication 2, dans lequel le dispositif (22) de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine (10) comprend module (26) de calcul d'une valeur de différence (AT) entre la valeur calculée de la température attendue (Test) avec une valeur de température mesurée (Tores) à l'intérieur du compartiment de turbine, un module (28) de comparaison de ladite différence (AT) avec une valeur de seuil (Si), 3054595 9 lorsque ladite différence (AT) est supérieure à la valeur de seuil (S1), une fuite d'air chaud (FA) est détectée. 4. Compartiment de turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une unité de contrôle 5 électronique (20) apte à commander le fonctionnement de la turbine à gaz, ledit dispositif (22) de détection de fuites d'air chaud dans le compartiment de turbine (10) étant disposé dans ladite unité de contrôle électronique (20). 5. Procédé de détection de fuites d'air chaud dans un 10 compartiment de turbine à gaz comprenant une turbine à gaz apte à être alimentée alternativement par un combustible liquide et par un combustible gazeux, et comprenant un compresseur (13) comportant un arbre de rotor (14), une chambre de combustion (16) et apte à recevoir l'air comprimé par le compresseur et une turbine (17) 15 entraînée par des gaz chauds à haute énergie provenant de la chambre de combustion, caractérisé en ce que l'on calcule une valeur de température attendue (T't) dans le compartiment de turbine (10) et on détecte une fuite d'air chaud en fonction de ladite valeur de température attendue (Test) dans le compartiment de 20 turbine. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on calcule ladite valeur de température attendue (Test) dans le compartiment de turbine (10) en fonction de la température ambiante (Tamb), de la puissance active (P) produite par la turbine à gaz, du rapport de 25 compression (CPR) du compresseur (13), de la valeur mesurée de la température (TR) entre les roues de la turbine à gaz et d'un indice (Mc) du mode de combustion de la turbine à gaz. 7. Procédé selon la revendication la revendication 6, dans lequel on calcule une valeur de différence (AT) entre la valeur 30 calculée de la température attendue (Test) avec une valeur de température mesurée (T.,') à l'intérieur du compartiment de turbine, on compare ladite différence (AT) avec une valeur de seuil (Si), et on détecte une fuite d'air chaud (FA) lorsque ladite différence (AT) est supérieure à la valeur de seuil (Si).