Brevet FR3072126A1 — publié le 20190412

Systèmes d'alimentation en combustible liquide d'un système de combustion, notamment d'une turbine à gaz, comprenant un dispositif de génération d'une émulsion et de répartition du débit d'émulsion L'invention concerne les systèmes de combustion et, plus particulièrement, les systèmes d'alimentation en combustible liquide d'un système de combustion, notamment utilisés dans les chaudières ou les turbines de génération d'électricité. En particulier, la présente invention concerne les systèmes d'alimentation configurés pour générer une émulsion à l'entrée du système de combustion. Par « émulsion », on entend un milieu hétérogène constitué par la dispersion, sous forme de petites gouttelettes d'un premier liquide dans un second liquide en phase continue. Les deux liquides sont en situation normale non miscibles comme par exemple, de l'eau et de l'huile, mais vont, par des opérations spécifiques (agitation, mélange, ajout de principes actifs), réussir à avoir un aspect macroscopiquement homogène mais macroscopiquement hétérogène. De manière générale, un système de combustion comprend une ou plusieurs chambres à combustion comportant chacune un ou plusieurs injecteurs configurés pour injecter des combustibles gazeux ou liquide dans la chambre à combustion. Un système d'alimentation de combustible comprend, généralement, une pompe disposée entre une source de combustible et les injecteurs et permettant la mise sous pression du combustible afin de contrer la perte de charge du système et la contre pression présente dans la chambre à combustion. Le système d'alimentation 2 comprend également un système de filtration pour séparer les particules ou contaminants du combustible et au moins un dispositif de répartition du débit de combustible dans les chambres combustion, ainsi que des dispositifs d'isolation, tels que de vannes 5 automatiques, afin d'isoler le système de la combustion. Pour obtenir une combustion efficace, il est nécessaire d'ajouter des adjuvants dans la chambre à combustion ou dans le système d'alimentation de combustible. Par exemple, l'injection d'eau ou de vapeur permet de réduire les émissions d'oxyde d'azote 10 dans une quantité égale d'eau et de fioul, alors que les additifs à base de magnésium permettent d'inhiber la corrosion vanadique présente dans le combustible liquide lors de la combustion dans la chambre à combustion dans un rapport en masse de Manganèse sur Vanadium égal à 3. 15 L'introduction de ces adjuvants nécessite certaines conditions de débit et/ou de suspension dans le combustible. Afin d'assurer un mélange homogène de deux liquides non miscibles tout en ayant un aspect macroscopiquement homogène mais macroscopiquement hétérogène, il est intéressant de créer une 20 émulsion. Pour cela, l'une des substances est dispersée dans la seconde sous forme de petites gouttelettes et un émulsifiant sera ajouté afin que le mélange reste stable. Un émulsifiant est généralement un tensioactif ou un agent de surface. 25 La principale difficulté des émulsions est leur stabilité dans le temps. Afin de garantir une émulsion stable dans le temps, il est connu de réduire la taille des particules dans la phase discontinue. Toutefois, plus la taille est petite, plus l'énergie nécessaire pour 30 l'obtenir est importante. 3 On connaît de nombreux dispositifs capables de réaliser une émulsion, par exemple un agitateur, un homogénéisateur haute pression, un moulin colloïdal ou encore un turbo émulsionneur. L'homogénéisateur haute pression permet d'obtenir des 5 tailles de particules inférieures à 500 nm. Pour cela, il comprend une pompe à pistons plongeurs qui va pousser le fluide à émulsionner à travers un orifice réglable, appelé groupe homogénéisant. Plus le diamètre de l'orifice est faible, plus la pression est élevée. Au passage de cet obstacle, le fluide subit 10 différentes contraintes telles que la turbulence, la cavitation, le cisaillement qui vont alors engendrer la dislocation des particules du fluide de la phase discontinue. On peut se référer au document JP 2006 009 631 qui décrit un dispositif de mélange de structure simple capable de générer une 15 émulsion d'un mélange fioul liquide/eau et permettant de réduire les émissions d'oxyde d'azote dans la combustion d'un moteur Diesel. Le dispositif de mélange est disposé en amont d'un réservoir de mélange connecté aux injecteurs. Il est également connu d'utiliser des mélangeurs statiques ou 20 des vannes de mélange afin de réaliser une émulsion. Toutefois, la stabilité de l'émulsion de tels mélangeurs statiques n'est pas satisfaisante. De plus, les vannes de mélange doivent être disposées à l'entrée de chaque chambre à combustion et nécessitent un débit constant d'air comprimé, ce qui augmente l'encombrement du 25 système d'alimentation en combustible. Il existe donc un besoin pour créer une émulsion efficace et stable dans le temps permettant l'alimentation en ligne d'un système de combustion. Le but de la présente invention est de proposer un système 30 d'alimentation de combustible capable de créer une émulsion en 4 ligne de liquides non miscibles, tels qu'un hydrocarbure et au moins une solution aqueuse comprise, par exemple, entre 1% et 10% du débit total, de préférence égal à 5% du débit total. Un autre but de la présente invention est de simplifier les 5 procédés de création d'émulsion actuels tout en garantissant une répartition homogène du débit de l'émulsion dans chacune des chambres de combustion et capable de limiter la dispersion des caractéristiques de l'émulsion dans chaque débit permettant ainsi d'assurer les effets du mélange hydrosoluble dans chaque chambre à 10 combustion. La présente invention a pour objet un système d'alimentation en combustible liquide pour un système à combustion, notamment d'une turbine à gaz, comprenant au moins un réservoir de stockage de combustible liquide apte à alimenter au moins un injecteur relié 15 à une chambre de combustion du système à combustion. Ledit système d'alimentation comprend une première section de tuyauterie disposée en aval du réservoir et une deuxième section de tuyauterie disposée en aval de la première section de tuyauterie et en amont dudit injecteur. Ladite première section de tuyauterie 20 comprend au moins un moyen de mise sous pression, tel que par exemple une pompe, et au moins un point d'injection ou entrée d'un produit hydrosoluble, tel que par exemple de l'eau ou en base hydrosoluble tel qu'un additif. Le produit hydrosoluble est, par exemple, dans un volume compris entre 1% et 10% du débit total 25 dans la première section de tuyauterie, de préférence égal à 5% dudit débit total. La deuxième section de tuyauterie comprend un dispositif de mélange et de répartition de débit et le régime en amont dudit dispositif est configuré pour créer une émulsion et répartir le débit 30 d'émulsion vers au moins un conduit relié audit injecteur. 5 La première section de tuyauterie est configurée pour obtenir un régime du débit en entrée du dispositif de mélange et de répartition de débit ayant un nombre de Reynolds supérieur ou égal à 2000, compris entre 2000 et 3000 (régime transitoire), ou 5 supérieur à 3000 (régime turbulent). Ainsi, la variabilité de la concentration du produit hydrosoluble dans l'émulsion de l'hydrocarbure est de maximum +30% entre les différents débits d'émulsion des conduits car la première section est configurée pour assurer un régime transitoire 10 ou turbulent à l'entrée du premier dispositif de mélange et répartition. Le nombre de Reynolds est un nombre sans dimension utilisé en mécanique des fluides pour caractériser un écoulement, en particulier la nature de son régime (laminaire, transitoire, 15 turbulent). Le nombre de Reynolds représente le rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses. Selon un mode de réalisation, le diamètre de la première section de tuyauterie, notamment la partie située entre le point d'injection et le dispositif de mélange est dimensionné pour avoir 20 un régime du débit en entrée du dispositif de mélange et de répartition de débit ayant un nombre de Reynolds supérieur ou égal à 2000. Le nombre de Reynolds associé à l'écoulement d'un fluide dans une conduite est calculé en fonction de la masse volumique, de 25 la viscosité et de la vitesse moyenne dudit fluide et du diamètre de la conduite. De même, de manière générale, un régime turbulent peut être obtenu par la rugosité des parois de la tuyauterie, par le mode d'injection dans la section de la tuyauterie du produit en base 30 soluble, ou par les caractéristiques de l'injecteur. 6 Selon un autre mode de réalisation, la première section de tuyauterie comprend un deuxième dispositif de mélange disposé en aval du point d'injection du produit hydrosoluble ou à base hydrosoluble, entre ledit point d'injection et la deuxième section, et 5 notamment en amont du premier dispositif de mélange et de répartition. Le deuxième dispositif de mélange contribue à la formation d'une pré-émulsion et permet de contrôler le régime du débit en entrée du premier dispositif de mélange et de répartition. Le deuxième dispositif de mélange peut être, par exemple, 10 une pompe à engrenages ou encore un mélangeur statique. Avantageusement, le point d'injection du produit hydrosoluble, est situé en aval du moyen de mise sous pression et en amont de la deuxième section de tuyauterie. Par exemple, la deuxième section de tuyauterie comprend un 15 système d'arrêt, par exemple, un clapet anti-retour en amont de l'injecteur, afin d'isoler le système d'alimentation du système de combustion lorsque la pression dans le système d'alimentation est inférieure à la pression statique dans le système de combustion. Selon un mode de réalisation, la deuxième section de 20 tuyauterie comprend une pluralité de conduits alimentant chacun une chambre de combustion par l'intermédiaire d'un injecteur, la pluralité de conduits étant reliée au premier dispositif de mélange et de répartition de débit afin d'assurer une répartition homogène du débit de l'émulsion dans chacune des chambres de combustion et de 25 maintenir une concentration satisfaisante du produit hydrosoluble dans l'émulsion de l'hydrocarbure dans chacun des conduits reliant respectivement un injecteur, ayant une variabilité de maximum plus ou moins 30%. 7 Le premier dispositif de mélange et de répartition de débit peut comprendre une pompe à engrenages et une pluralité de sorties vers les différentes chambres à combustion. Selon un second aspect, l'invention concerne un système de 5 génération d'électricité, tel que par exemple une chaudière ou une turbine à gaz, comprenant un système de combustion et au moins un système d'alimentation tel que décrit précédemment. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée 10 uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un système de génération d'électricité comprenant un système d'alimentation de carburant selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et 15 - la figure 2 illustre un système de génération d'électricité comprenant un système d'alimentation de carburant selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Tel qu'illustré sur la figure 1, un système de génération d'électricité, telle qu'une chaudière ou une turbine à gaz, référencé 20 10 dans son ensemble, comprend un système d'alimentation en combustible liquide 12 et un système de combustion 14 relié au système d'alimentation en combustible 12. Le système d'alimentation en combustible 12 comprend un réservoir de stockage 16 de combustible liquide, une première 25 section de tuyauterie 18 disposée en aval du réservoir 16 et une deuxième section de tuyauterie 20 disposée en aval de la première section de tuyauterie 18. La première section de tuyauterie 18 comprend des moyens de traitement du combustible (non représentés), des moyens de 30 filtration (non représentés), et au moins un moyen de mise sous 8 pression 22, tel que par exemple une pompe. Un point d'injection ou entrée 24 d'un produit hydrosoluble, tel que par exemple de l'eau ou en base hydrosoluble tel qu'un additif est situé en aval du moyen de mise sous pression 22 et en amont de la deuxième section de 5 tuyauterie 20. La première section de tuyauterie 18 a un diamètre D permettant d'obtenir un régime d'un nombre de Reynolds Re d'au moins 2000, de préférence compris entre 2000 et 3000 (régime transitoire), et par exemple supérieur à 3000 (régime turbulent). 10 Le nombre de Reynolds Re est un nombre sans dimension utilisé en mécanique des fluides pour caractériser un écoulement, en particulier la nature de son régime (laminaire, transitoire, turbulent). Le nombre de Reynolds représente le rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses. 15 Le nombre de Reynolds associé à l'écoulement d'un fluide dans la première section de tuyauterie 18 est calculé en fonction de la masse volumique la, de la viscosité ri et de la vitesse moyenne V dudit fluide et du diamètre D de la première section de tuyauterie 18 selon l'équation suivante : 20 Re- ,u.V.D Eq. 1 11 L'équation Eq.1 s'écrit aussi de la manière suivante : Re= Rv2 V 11(D) Telle qu'illustrée sur la figure 1, la deuxième section de 25 tuyauterie comprend un dispositif 26 de mélange et de répartition de débit configuré pour créer une émulsion et répartir le débit d'émulsion vers une pluralité de conduits 28 munis chacun d'un 9 système d'arrêt 30, par exemple, un clapet anti-retour afin d'isoler le système d'alimentation 12 du système de combustion 24 lorsque la pression dans le système d'alimentation 12 est inférieure à la pression statique dans le système de combustion 14. 5 Tel qu'illustré, le système de combustion 14 comprend une pluralité de chambres de combustion 32 reliées chacune à un conduit 28 de la deuxième section 20 du système d'alimentation 12 par l'intermédiaire d'un injecteur 34. On notera que l'invention n'est pas limitée à une pluralité de 10 conduits 28, d'injecteurs 34 et de chambres de combustion 32 et pourrait concerner un unique conduit relié à une unique chambre de combustion par un unique injecteur. La deuxième section de tuyauterie 20 est disposée en amont des injecteurs 34. Ainsi, lorsque le système d'alimentation 12 est en 15 fonctionnement, le produit hydrosoluble est injecté par l'entrée 24 dans la première section 18, le mélange est ensuite transféré par la pression générée par la pompe 22 vers le dispositif de mélange et de répartition 26. Le dispositif de mélange et de répartition 26 assure la formation d'une émulsion stable et une répartition du débit vers 20 les différents injecteurs 34 via les différents conduits 28. En d'autres termes, le régime en amont dudit dispositif de mélange et de répartition 26 est configuré pour créer une émulsion et répartir le débit d'émulsion vers au moins les conduits 28. La variabilité de la concentration du produit hydrosoluble 25 dans l'émulsion de l'hydrocarbure est de maximum +-30% entre les différents débits d'émulsion des conduits 28, car la première section 18 est configurée pour assurer un régime transitoire ou turbulent à l'entrée du dispositif de mélange et répartition 26. Le dispositif de mélange et de répartition 26 est, par 30 exemple, un diviseur de débit comportant au moins une chambre de 10 répartition (non représentée) intégrant des engrenages internes de répartition de débit. Un tel dispositif de mélange et répartition permet d'assurer une répartition homogène de débit vers chaque injecteur du système de combustion, et ainsi obtenir et contrôler 5 plusieurs débits d'émulsion sans augmenter la complexité du système d'alimentation vers les chambres à combustion. L'hydrocarbure liquide et le produit hydrosoluble sont mélangés mécaniquement tout en étant transportés par les engrenages rotatifs pour produire le carburant mélangé. 10 Le système d'alimentation de la figure 2, dans laquelle les mêmes éléments portent les mêmes références, diffère du système d'alimentation de la figure 1 uniquement par le fait que la première section de tuyauterie 18 comprend un deuxième dispositif 36 de mélange disposé en aval du point d'injection 24 du produit 15 hydrosoluble ou à base hydrosoluble, entre ledit point d'injection 24 et la deuxième section 20, notamment le premier dispositif de mélange et de répartition 26. Le deuxième dispositif 36 de mélange contribue à la formation d'une pré-émulsion et permet de contrôler le régime du débit en entrée du premier dispositif de mélange et de 20 répartition 26. Le deuxième dispositif de mélange 36 peut être, par exemple, une pompe à engrenages ou encore un mélangeur statique. Ainsi, on peut assurer un régime d'une valeur de Reynolds Re supérieur à 2000 sans adapter le diamètre de la première section de 25 tuyauterie 18 en aval du moyen de mise sous pression 22. Ainsi le deuxième dispositif de mélange 36 permet d'assurer un premier mélange de l'hydrocarbure et du produit hydrosoluble et créer un régime d'une valeur de Reynolds Re supérieur à 2000 en amont du premier dispositif de mélange et répartition 26. Ainsi, la variabilité 30 de la concentration du produit hydrosoluble dans l'émulsion de 11 l'hydrocarbure est de maximum +-30% entre les différents débits d'émulsion des conduits 28 car la première section 18 est configurée pour assurer un régime transitoire ou turbulent à l'entrée du premier dispositif de mélange et répartition 26. 5 De manière générale, la première section de tuyauterie 18 est configurée pour obtenir un régime du débit en entrée du dispositif 26 de mélange et de répartition de débit ayant un nombre de Reynolds supérieur ou égal à 2000, de préférence compris entre 2000 et 3000 (régime transitoire), et par exemple supérieur à 3000 10 (régime turbulent), soit en jouant sur le diamètre de la section de tuyauterie, notamment entre le point d'injection 24 et le premier dispositif de mélange 26, soit en intégrant un deuxième dispositif de mélange 36 entre ledit point d'injection 24 et ledit premier dispositif de mélange 26. 15 Ainsi, grâce à la disposition du dispositif de mélange et de répartition 26 en aval d'une section de tuyauterie configurée pour avoir un régime du débit en entrée du dispositif 26 de mélange et de répartition de débit ayant un nombre de Reynolds supérieur ou égal à 2000, on obtient une émulsion en ligne de liquides non miscibles 20 garantissant une répartition homogène du débit de l'émulsion dans chacune des chambres de combustion et capable de maintenir une concentration satisfaisante du produit hydrosoluble dans l'émulsion de l'hydrocarbure REVENDICATIONS1. Système d'alimentation en combustible liquide (12) pour un système à combustion (14), notamment d'une turbine à gaz, comprenant au moins un réservoir de stockage (16) de combustible liquide apte à alimenter au moins un injecteur (34) relié à une chambre de combustion (32) du système à combustion (14), ledit système d'alimentation (12) comprenant une première section de tuyauterie (18) disposée en aval du réservoir (16) et une deuxième section de tuyauterie (20) disposée en aval de la première section de tuyauterie (18) et en amont dudit injecteur (34), ladite première section de tuyauterie (18) comprenant au moins un moyen de mise sous pression (22), et au moins un point d'injection ou entrée (24) d'un produit hydrosoluble, caractérisé en ce que la deuxième section de tuyauterie (20) comprend un dispositif (26) de mélange et de répartition de débit et en ce que le régime en amont dudit dispositif est configuré pour créer une émulsion et répartir le débit d'émulsion vers au moins un conduit (28) relié audit injecteur (34). 2. Système d'alimentation selon la revendication 1, dans lequel la première section de tuyauterie (18) est configurée pour obtenir un régime du débit en entrée du dispositif (26) de mélange et de répartition de débit ayant un nombre de Reynolds supérieur ou égal à 2000. 3. Système d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première section de tuyauterie (18) est configurée pour obtenir un régime du débit en entrée du dispositif (26) de mélange et de répartition de débit ayant un nombre de Reynolds compris entre 2000 et 3000. 13 4. Système d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première section de tuyauterie (18) est configurée pour obtenir un régime du débit en entrée du dispositif (26) de mélange et de répartition de débit ayant un nombre de Reynolds 5 supérieur ou égal à 3000. 5. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre de la première section de tuyauterie (18), notamment la partie située entre le point d'injection (24) et le premier dispositif de mélange (26) est 10 dimensionné pour avoir un régime du débit en entrée du dispositif (26) de mélange et de répartition de débit ayant un nombre de Reynolds supérieur ou égal à 2000. 6. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première section de tuyauterie 15 (18) comprend un deuxième dispositif (36) de mélange disposé en aval du point d'injection (24) du produit hydrosoluble. 7. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le point d'injection (24) du produit hydrosoluble est situé en aval du moyen de mise sous 20 pression (22) et en amont de la deuxième section de tuyauterie (20). 8. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième section de tuyauterie (20) comprend un système d'arrêt (30) en amont de l'injecteur (34). 25 9. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième section de tuyauterie (20) comprend une pluralité de conduits (28) alimentant chacun une chambre de combustion (32) par l'intermédiaire d'un injecteur (34), la pluralité de conduits (28) étant reliée au premier dispositif de mélange et de répartition de débit (26). 14 10. Système d'alimentation selon la revendication 9, dans lequel le premier dispositif (26) de mélange et de répartition de débit comprend une pompe à engrenages et une pluralité de sorties vers la différentes chambres à combustion. 5 11. Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le produit hydrosoluble est un additif dans un volume compris entre 1% et 10% du débit total dans la première section de tuyauterie (18). 12. Système de génération d'électricité comprenant un 10 système de combustion (14) et au moins un système d'alimentation (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes.