Brevet FR3110197A1 — publié le 20211119

Ce système de purge d’un combustible contenant de l’hydrogène comporte une turbine à gaz. La turbine à gaz comporte au moins une chambre de combustion (20) munie d’au moins un injecteur (52) du combustible, une section d’échappement et un circuit de gaz chauds allant de la chambre de combustion (20) à la section d’échappement. Le système comporte au moins un point d’injection (A, A’) d’air et/ou de gaz inerte disposé sur le circuit de gaz chauds. Figure pour l’abrégé : Fig. 5 SYSTEME DE PURGE D’UN COMBUSTIBLE AU GAZ REACTIF La présente invention se rapporte à un système de purge d’un combustible, en particulier à base de gaz réactif tel que l’hydrogène (plus précisément le dihydrogène), utilisé pour alimenter une turbine à gaz. L’invention appartient au domaine des systèmes de combustion et notamment les turbines à gaz comprenant des chambres de combustion et des passages d’air chaud pour les gaz de combustion. Une turbine à gaz est en général composée principalement d’une section de compression d’air comprenant un ou plusieurs étages de compression. La majeure partie de l’air comprimé est mélangée au combustible gazeux ou liquide injecté à travers des injecteurs dans au moins une chambre de combustion pour être brûlé. Typiquement, les systèmes de combustion sont de type annulaire ou comprenant plusieurs chambres de combustion, en communication avec l’air provenant du compresseur. Le flux de gaz chauds généré dans la combustion passe ensuite par des cavités de gaz chauds jusqu’à une turbine de détente comprenant un ou plusieurs étages de détente avant de s’évacuer vers une section d’échappement ou une chaudière de récupération. Le passage dans la section turbine, provoque la rotation permettant ainsi de récupérer l’énergie mécanique dans le rotor. Une partie de l’énergie de rotation est utilisée pour faire tourner la section rotor du compresseur et l’alternateur. En raison des températures extrêmes, de la vitesse des gaz chauds et de la vitesse du rotor, il est nécessaire d’atténuer les contraintes thermiques par le refroidissement interne des aubes. La turbine de détente est composée d’au moins une rangée ou un étage d’aubes montées fixes par rapport au rotor. Il est connu que les aubes soient creuses, de sorte que la cavité de ces aubes permet de créer un circuit de refroidissement interne permettant d’envoyer de l’air comprimé provenant du compresseur vers les aubes fixes. Chacune de ces aubes de comprend un profil aérodynamique avec un côté soumit à la pression du flux et un côté d’aspiration reliés par des bords de fuite. Le document US-A-5 491 970 décrit des chambres de combustion permettant de réduire les émissions d’oxyde d’azote ou monoxyde de carbone, comportant des injecteurs pour un mélange fuel/air, pour un mode de combustion en basse charge (mode diffusion) ou en pleine charge (mode pré-mélange). Le document US-A-2018 187893 décrit également une chambre de combustion, comprenant plusieurs étages de combustion, une zone de combustion primaire ou section primaire et une zone de combustion secondaire ou section secondaire, disposée axialement dans le sens du flux de gaz de combustion en aval de la section primaire. La section secondaire comprend une entrée additionnelle pour un mélange air/fuel. Le document US-A-2015 096306 décrit la section compresseur et la section turbine d’une turbine à gaz, comprenant des rangées d’aubes mobiles montées sur le rotor de la turbine, espacées et séparées par des aubes fixes montées sur le stator, l’ensemble de ces aubes pouvant être refroidies. Par ailleurs, l’utilisation d’un mélange de combustibles gazeux tel que le gaz naturel peut comprendre une fraction de gaz réactif, tel que l’hydrogène présente un certain nombre d’avantages, notamment un mélange plus riche et la réduction des émissions de dioxyde de carbone. Par exemple, un mélange de combustibles avec 30% d’hydrogène permet la réduction de 10% des émissions de dioxyde de carbone. En particulier, lors du démarrage d’une turbine suite à un faux départ, avec un combustible ou mélange de combustibles pouvant contenir un pourcentage d’hydrogène pouvant aller jusqu’à 100% ou contenant une fraction de gaz réactif tel que l‘hydrogène*, il est nécessaire de réaliser une opération de purge de la conduite d’alimentation en combustible ainsi que dans les cavités de la section turbine, afin de chasser le combustible non brûlé. En effet, la fraction d’hydrogène dans le combustible peut former un mélange air-carburant qui peut avoir une énergie minimale d’inflammation plus basse que le gaz naturel et peut s’enflammer facilement. Ainsi en cas de faux départ, le mélange air-combustible stagnant passant par le système de combustion et en aval de celui-ci présente un risque élevé d’accumulation et d’explosion, et la déflagration peut endommager des équipements situés en aval de la section de détente, tels que les conduits d’échappement, voire la chaudière de récupération dans le cas d’un cycle combiné. En particulier, lorsque l’hydrogène se trouve à pression et à température ambiantes, son domaine d’explosivité dans l’air est compris entre 4% et 75%, et son énergie minimale d’inflammation varie en fonction de la concentration en hydrogène et en oxygène ainsi que de la stœchiométrie du mélange (pour chaque molécule d’hydrogène, il y a une demi-molécule d’oxygène). En revanche, la température d’auto-inflammation à partir de laquelle l’hydrogène s’enflamme spontanément est d’environ 585°C/858K et est donc plus élevée que celle de la plupart des autres gaz inflammables. L’inflammation d’un nuage de gaz réactif peut créer une libération soudaine d’énergie entraînant la propagation d’un front de flamme et une onde de surpression. Le régime d’explosion théorique de l’hydrogène dans l’air dépendra essentiellement de sa concentration dans le comburant, par exemple une concentration allant de 4 à 8%, tandis que la déflagration sera atteinte à partir de 8% et la détonation pourra, dans certaines configurations, se produire à partir de 11%. Toutefois, l’utilisation d’une fraction d’hydrogène pose des défis importants de conception pour l’adaptation des équipements. C’est notamment le cas lorsque le mélange de gaz se trouve confiné dans les cavités de la turbine en aval de la combustion, en raison de sa capacité élevée de diffusion dans l’air, en particulier lorsqu’il est poussé par l’air comprimé provenant de la section de compression. Ainsi, en cas d’utilisation de l’hydrogène dans un mélange de combustibles pour le démarrage d’une turbine à gaz, les points suivants sont à considérer : limiter l’énergie accumulée dans un volume de gaz en aval de la combustion et notamment à l’échappement, - modifier le pouvoir calorifique inférieur (LHV, en anglais « Lower Heating Value ») et le pouvoir calorifique supérieur (HHV, en anglais « Higher Heating Value »’) du mélange, - s’extraire du domaine d’inflammabilité - augmenter la température d’auto-inflammation, - renforcer la résistance des équipements à une explosion. Afin de réduire les risques associés à la présence d’un volume de gaz explosif dans les cavités de la turbine, plusieurs approches ont été proposées, à savoir : - la prise en compte, dans la conception des équipements, de l’énergie libérée lors d’une éventuelle déflagration, - la dilution de l’hydrogène en aval de la combustion avec de l’air ou un gaz inerte ou un gaz inhibiteur de combustion, - la diminution de la quantité de combustible lors du démarrage, - l’allumage de la flamme à une vitesse permettant la purge du gaz par une -augmentation du débit d’air et du balayage des cavités de la turbine. L’approche la plus simple et économique consiste à diluer le mélange d’hydrogène avec de l’air ou un gaz inerte, afin de modifier le LHV et le HHV du mélange. Cependant, cette solution nécessite des moyens pour l’injection de gaz inerte dans les cavités et passages de gaz chauds en aval de la combustion. L’objectif de l’invention est de permettre la dilution d’un mélange de combustibles réactif, contenant par exemple une fraction d’hydrogène, de façon à modifier le LHV et le HHV du mélange et purger le combustible réactif éventuellement présent dans le circuit de gaz chauds d’une turbine à gaz, notamment en cas de faux départ, sans nécessiter de créer des passages pour un débit d’air ou de gaz inerte supplémentaire. Dans ce but, la présente invention propose un système de purge d’un combustible réactif contenant de l’hydrogène, comportant une turbine à gaz, la turbine à gaz comportant au moins une chambre de combustion munie d’au moins un injecteur du combustible, une section d’échappement et un circuit de gaz chauds allant de la chambre de combustion à la section d’échappement à travers une turbine de détente, remarquable en ce qu’il comporte au moins un point d’injection d’air et/ou de gaz inerte et/ou d’inhibiteur de combustion disposé sur le circuit de gaz chauds. Ainsi, la solution proposée permet d’ajouter dans les cavités de la chambre de combustion et en aval de celle-ci un système de purge utilisant un débit d’air et/ou de gaz inerte et/ou un inhibiteur de combustion supplémentaire. En particulier, l’invention cherche à créer un débit d’air et/ou de gaz inerte et/ou d’inhibiteur de combustion dans des conditions optimales, afin d’assurer au maximum la dilution de la fraction de gaz réactif tel que l’hydrogène dans le mélange. Cette dilution peut être assurée par la répartition et/ou la localisation du ou des points d’injection sur le circuit des gaz chauds. Au moins deux sections d’injection d’air et/ou de gaz inerte et/ou d’inhibiteur de combustion peuvent être considérées : une injection en aval de la flamme, afin d’éviter les perturbations dans la combustion et une injection en entrée la section d’échappement à la sortie de la turbine de détente. De préférence, pour améliorer l’efficacité de la dilution, les deux injections doivent se faire dans des flux inversés. Ainsi, dans un mode particulier de réalisation, l’au moins un point d’injection est situé en aval de l’au moins un injecteur du combustible de préférence une injection en aval de la zone de flamme. Dans ce mode particulier de réalisation, l’au moins un point d’injection peut être situé en entrée de la section d’échappement. Dans un autre mode particulier de réalisation, dans lequel la turbine de détente comporte en outre un circuit de refroidissement à aubes fixes situé sur le circuit de gaz chauds, l’au moins un point d’injection est situé sur ce circuit de refroidissement. Dans un autre mode particulier de réalisation, le système de purge comporte en outre une couronne de distribution placée à l’intérieur d’un échappement en aval de la section d’échappement, l’au moins un point d’injection étant situé sur la couronne de distribution. Dans tous ces modes particuliers de réalisation, l’au moins un point d’injection du système de purge peut être relié à une source externe d’alimentation. Le gaz inerte utilisé par le système de purge peut être l’azote ou le dioxyde de carbone ou la vapeur d’eau. Le gaz inhibiteur de combustion utilisé par le système de purge peut être le bromométhane, le tétrachlorométhane, ou un hydrocarbure halogène voire un hydrofluocarbure. Dans un autre mode de réalisation le dit au moins point d’injection peut comporter un mélange de : air, gaz inerte, gaz inhibiteur de combustion. La dilution du mélange combustible avec l’air ou avec un gaz inerte tel que le dioxyde de carbone, l’azote ou la vapeur d’eau peut permettre de modifier ou d’abaisser la limite inférieure d’explosivité (LEL, en anglais « Lower Explosive Level »), minimiser le volume de gaz inerte à utiliser et améliorer l’économie du procédé. En revanche, si on souhaite traiter le problème de la détonation (car il est possible d’avoir un risque d’accumulation avec une dilution non homogène), il est préférable de combiner l’utilisation de l’air et d’un gaz inerte, afin que le gaz inerte serve à supprimer le caractère détonant d’un mélange combustible. Tandis que l’utilisation d’un inhibiteur de combustion peut permettre d’arrêter la propagation d’une éventuelle déflagration détonation. Le système peut comprendre plusieurs points d’injection disposés à différents endroits du circuit de gaz chauds. D’autres aspects et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d’exemples nullement limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : est un graphique représentant des courbes de détonation et d’inflammabilité pour un mélange combustible d’air et d’hydrogène en fonction d’un pourcentage ajouté de gaz inerte dans un mode particulier de réalisation du système de purge conforme à l’invention où le gaz inerte ajouté est l’azote. est un graphique représentant des courbes de détonation et d’inflammabilité pour un mélange combustible d’air et d’hydrogène en fonction d’un pourcentage ajouté de gaz inerte dans un mode particulier de réalisation du système de purge conforme à l’invention où le gaz inerte ajouté est le dioxyde de carbone. est une vue schématique en section longitudinale d’une turbine à gaz classique avec ses principaux composants et le circuit de gaz chauds. est une vue schématique d’un détail des passages de gaz chaud dans la turbine de détente. est une vue schématique illustrant un premier mode de réalisation de l’invention. est une vue schématique illustrant un deuxième mode de réalisation de l’invention. est une vue schématique illustrant un troisième mode de réalisation de l’invention. Description de mode(s) de réalisation Sur le graphique de la figure 1, l’axe des abscisses est le pourcentage en volume d’azote ajouté dans un mélange combustible d’air et d’hydrogène dont le pourcentage en volume d’hydrogène est indiqué sur l’axe des ordonnées. La courbe en traits continus représente la limite de la zone d’inflammabilité et la courbe en pointillés représente la limite de la zone de détonation. Au point D, le mélange combustible comprend 30% en volume d’hydrogène et 70% en volume d’air. On voit au point C qu’on peut sortir de la zone de détonation si on réduit la concentration d’hydrogène à 13% en volume, par l’ajout de 58% en volume d’azote, auquel cas le mélange comprend 29% en volume d’air. Sur le graphique de la figure 2, l’axe des abscisses est le pourcentage en volume de dioxyde de carbone ajouté dans un mélange combustible d’air et d’hydrogène dont le pourcentage en volume d’hydrogène est indiqué sur l’axe des ordonnées. La courbe en traits continus représente la limite de la zone d’inflammabilité et la courbe en pointillés représente la limite de la zone de détonation. Au point D, le mélange combustible comprend 30% en volume d’hydrogène et 70% en volume d’air. On voit au point C qu’on peut sortir de la zone de détonation si on réduit la concentration d’hydrogène à 13% en volume, par l’ajout de 30% en volume de dioxyde de carbone, auquel cas le mélange comprend 57% en volume d’air. La figure 3 représente schématiquement une vue en section longitudinale d’une turbine à gaz 10 classique. Les principaux composants de la turbine à gaz 10 sont les suivants : une section de compression 12 comportant un compresseur 16, une entrée d’air 14 et une sortie d’air comprimé 38 ; une section du système de combustion 18, d’où s’échappe flux de gaz de combustion appelés gaz chauds 40; une section ou turbine de détente 22 comprenant des aubes fixes et des aubes mobiles montées sur un rotor 26 d’axe de rotation 28, le rotor 26 reliant la section de compression 12, la turbine de détente 22 et une ou plusieurs chambres de combustion 20, le flux des gaz chauds 40 traversant les étages de la turbine de détente 24 (dans la section de détente 22) jusqu’à l’entrée d’une section d’échappement 30. La figure 4 montre un détail de la partie supérieure de la turbine de détente 24 traversée par les gaz chauds 40. Des étages d’aubes 32A, 32B et 32C sont fixés sur le stator tandis que des aubes mobiles 34A, 34B et 34C sont fixées sur le rotor 26 illustré sur la figure 3. Ainsi, un passage et des cavités de gaz chauds sortant de la chambre de combustion 20 illustrée sur la figure 3 sont formés en amont de la section d’échappement 30 illustrée sur la figure 3. La figure 5 illustre un premier mode de réalisation de l’invention, où le système de purge comporte un point d’injection « A et A’» d’air et/ou de gaz inerte et/ou d’inhibiteur de combustion dans le système de combustion de préférence an aval de la zone de flame ou de combustion dans la chambre à combustion. On considère un combustible contenant une part prédéterminée d’hydrogène. Le système de purge conforme à l’invention comporte une turbine à gaz du type de la turbine à gaz 10 décrite plus haut en référence à la figure 3. En particulier, la turbine à gaz 10 comporte au moins une chambre de combustion 20 munie d’au moins un injecteur 52 du combustible susmentionné. La turbine à gaz 10 comporte également une section d’échappement 30 (voir figure 3) et un circuit de gaz chauds 40 allant de la chambre de combustion 20 à la section d’échappement 30. La chambre de combustion 20 illustrée en figure 5 est typiquement limitée, d’une part, en entrée, par un couvercle 51 où se trouvent des connexions d’entrée pour des injecteurs 52 de combustible et d’autre part, en sortie, par une pièce de transition 53 débouchant vers les étages de la turbine de détente 24 (non représentée sur la figure 5, mais visible sur la figure 3). A l’intérieur de la chambre de combustion 20, une chemise (en anglais « liner ») 56 permet le passage d’air comprimé 57 provenant du compresseur 16 (illustré sur la figure 3) vers l’arrière des injecteurs 52 de combustible. A l’intérieur de la chambre de combustion 20 peuvent se former en fonctionnement une zone de combustion 54 et une zone de dilution 55. Les références A et A’ désignent dans ce premier mode de réalisation au moins un point d’injection d’air et/ou de gaz inerte et/ou d’inhibiteur de combustion. Ce point d’injection se trouve sur le circuit de gaz chauds, juste en aval de la zone où est censée se trouver la flamme en cas d’allumage au démarrage. Les points d’injection A et A’ sont donc situés en aval des injecteurs 52 de combustible. Dans le mode particulier de réalisation de la figure 5, les points d’injection A et A’ se situent au niveau de la zone de combustion 54. Ainsi, la turbine à gaz étant équipée d’un contrôleur (non représenté), celui-ci permet l’ouverture de la vanne de contrôle de débit de gaz réactif permettant le démarrage du système de combustion. En parallèle de ce démarrage, le contrôleur assure également que le système de purge soit actif, soit avant soit au même moment, pour une injection d’air et/ou de gaz inerte créant un flux F qui se mélange avec le combustible à base d’hydrogène se trouvant dans la chambre de combustion 20 et dans le circuit de gaz chauds de la turbine. La figure 6 illustre un deuxième mode de réalisation de l’invention, dans lequel la turbine à gaz comporte un circuit de refroidissement à aubes fixes. Dans ce deuxième mode de réalisation, l’injection d’air et/ou de gaz inerte peut être faite à travers le circuit de refroidissement. Il suffit pour cela de disposer au moins un point d’injection d’air et/ou de gaz inerte sur le circuit de refroidissement 50. Le circuit de refroidissement 50 comporte une pluralité d’aubes fixes, dont celles désignées par les références S1N et S2N sur la figure 6. Ces aubes sont fixées au stator au niveau du passage et des cavités de gaz chauds 40. De plus, la source à injecter dans le circuit de refroidissement peut être de l’air prélevé dans le compresseur 16 ou une source externe 60 d’air et/ou de gaz inerte et/ou d’inhibiteur de combustion. La figure 7 illustre un troisième mode de réalisation de l’invention, dans lequel la turbine à gaz comporte une couronne de distribution 75 placée à l’intérieur de la section d’échappement 74 situé immédiatement en aval de la turbine de détente 24. Dans ce troisième mode de réalisation, l’injection d’air et/ou de gaz inerte et/ou d’inhibiteur de combustion peut être faite à travers la couronne de distribution 75. Pour cela, il suffit de disposer au moins un point d’injection sur la couronne de distribution 75. De plus, la source à injecter dans la couronne de distribution 75 peut être une source externe 77 d’air et/ou de gaz inerte et/ou d’inhibiteur de combustion. Dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, à titre d’exemples non limitatifs, le gaz inerte utilisé pour la purge peut être l’azote, ou le dioxyde de carbone, ou encore la vapeur d’eau. Bien entendu, dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, le volume et le débit d’air et/ou de gaz inerte et/ou d’inhibiteur de combustion choisi à injecter dépendent de la fraction d’hydrogène dans le combustible et du volume de combustible injecté pour du faux démarrage, ou encore du volume dans le circuit de gaz chauds de la turbine. De plus, les trois modes de réalisation décrits peuvent se combiner afin de fournir une solution efficace permettant de mélanger l’air et/ou le gaz inerte au combustible comprenant une fraction d’hydrogène. Système de purge d’un combustible contenant de l’hydrogène, comportant une turbine à gaz (10), ladite turbine à gaz (10) comportant au moins une chambre de combustion (20) munie d’au moins un injecteur (52) dudit combustible, une section d’échappement (30) et un circuit de gaz chauds (40) allant de ladite chambre de combustion (20) à ladite section d’échappement (30), caractérisé en ce qu’il comporte au moins un point d’injection (A, A’, 50, 75) d’air et/ou de gaz inerte et/ou d’inhibiteur de combustion disposé sur ledit circuit de gaz chauds. Système de purge selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un point d’injection (A, A’) est situé en aval de la zone de combustion dudit au moins un injecteur (52) dudit combustible. Système de purge selon la revendication 1, comportant en outre un circuit de refroidissement à aubes fixes (S1N, S2N) situé sur ledit circuit de gaz chauds (40), caractérisé en ce que ledit au moins un point d’injection (50) est situé sur ledit circuit de refroidissement (24). Système de purge selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une couronne (75) de distribution placée à l’intérieur d’un échappement (74) en aval de ladite section d’échappement (30), ledit au moins un point d’injection étant situé sur ladite couronne (75) de distribution. Système de purge selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit au moins un point d’injection est relié à une source externe (60 ; 77) d’alimentation. Système de purge selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit gaz inerte est l’azote. Système de purge selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit gaz inerte est le dioxyde de carbone. Système de purge selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit gaz inerte est la vapeur d’eau.