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WO2012004254A1 - Dispositif d'evacuation de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation en combustible gazeux d'une turbine à gaz et procede associe - Google Patents

Dispositif d'evacuation de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation en combustible gazeux d'une turbine à gaz et procede associe Download PDF

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Publication number
WO2012004254A1
WO2012004254A1 PCT/EP2011/061298 EP2011061298W WO2012004254A1 WO 2012004254 A1 WO2012004254 A1 WO 2012004254A1 EP 2011061298 W EP2011061298 W EP 2011061298W WO 2012004254 A1 WO2012004254 A1 WO 2012004254A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gaseous fuel
combustion chamber
zone
upstream
gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/061298
Other languages
English (en)
Inventor
Agnès BIDARD
Christian Solacolu
Original Assignee
Ge Energy Products France Snc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ge Energy Products France Snc filed Critical Ge Energy Products France Snc
Publication of WO2012004254A1 publication Critical patent/WO2012004254A1/fr

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/22—Fuel supply systems
    • F02C7/232—Fuel valves; Draining valves or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/002—Cleaning of turbomachines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/22—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being gaseous at standard temperature and pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/26—Starting; Ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/85—Starting

Definitions

  • the present invention relates to gas turbines.
  • the present invention relates to a device for evacuating gas leaks in a device for supplying gaseous fuel to a gas turbine.
  • Gas turbines generally comprise an air intake system, a compressor with one or more compression stages with an air flow regulating device, an internal combustion system, an expansion turbine mechanically connected to the compressor, and a conduit for rejection and exhaust.
  • Gas turbines are designed with combustion systems capable of injecting liquid fuel or gaseous fuel into the combustion system via concentric injectors. Most thermal installations using combustion turbines are powered by gaseous fuels.
  • the present invention relates to gas turbines fueled by gaseous fuel with a simp cycle or combined cycles.
  • the combined cycles result from the combination of a cycle of a gas turbine and a cycle of a steam turbine.
  • the present invention relates to the transient operation of a gas turbine, particularly the start and stop phases of the gas turbine.
  • a launch engine which fulfills the function of starter.
  • the different fluids necessary for the operation of the turbine arrive by independent circuits.
  • the intake circuit of the ambient air capable of being compressed in the compressor and an atomization air circuit of a liquid fuel after entering the combustion chamber.
  • the fuel is conveyed via a feed circuit.
  • the starting and stopping phases of the turbine must be done under safety conditions taking into account possible gas fuel leaks between the gaseous fuel supply system and the combustion chambers of the turbine, generate a possible explosive mixture in the turbine, the exhaust or the boiler in the case of a combined cycle.
  • the volumes of the exhaust and the combustion chamber must be swept five times with an air flow of at least 8% of the flow rate. normal air.
  • the gas turbine is rotated without fuel supply; an additional fan can also be integrated on the fluid flow line.
  • the purge time is long and slows the synchronization time of the generator to the network.
  • US patent application 2009/0145 104 discloses a device for feeding a combined cycle turbine comprising a purge device for igniting the turbine long after purging without having to purge again.
  • a purge device for igniting the turbine long after purging without having to purge again.
  • three isolation valves are mounted in series upstream of the turbine, so as to prevent the propagation of any gas fuel leakage to the combustion chambers after the purging of the supply installation.
  • Measuring devices can detect the presence of gas mixture leaks, in which case the purge of the exhaust and combustion chambers would be triggered.
  • the risk of propagation of possible gaseous fuel leaks to the turbine depends on the leaktightness of the isolation valves, their degradation and the accuracy of the leakage measuring equipment.
  • US Patent Application No. 58 19539 discloses a fuel detection system in a recovery boiler for operating suction when gaseous fuel is detected in the boiler.
  • such solutions are not sufficiently reliable, and require the purge of the combustion chambers and the exhaust in case of presence of gaseous fuel.
  • an object of the present invention is to solve the problems mentioned above.
  • an object of the present invention is to limit the start-up time of a gas turbine by preventing the propagation of possible gaseous fuel leaks in the turbine, while proposing an installation that is easy to implement.
  • a device for evacuating gas leaks in a device for supplying gaseous fuel to a gas turbine or a steam generating boiler comprising a combustion chamber capable of being supplied with fuel. gaseous fuel, at least one means for regulating the flow of gaseous fuel in the combustion chamber and means for regulating the pressure of the gaseous fuel mounted upstream of the flow control means, so as to form an upstream zone of the combustion chamber.
  • the evacuation device may comprise a vacuum valve (or venting valve) located in the zone upstream of the combustion chamber, so as to create a vacuum in the zone when the vacuum valve opens. .
  • a vacuum valve or venting valve located in the zone upstream of the combustion chamber, so as to create a vacuum in the zone when the vacuum valve opens.
  • the evacuation device comprises a gaseous fuel suction means remaining in the zone upstream of the combustion chamber.
  • the suction means is operable when opening the vacuum valve and may be, for example, a vacuum pump.
  • the evacuation device may comprise means for measuring the depression in the zone upstream of the combustion chamber.
  • the evacuation device comprises automatic purge start means triggering the propagation of an air flow in the combustion chamber capable of being activated when the pressure measured by the pressure measuring means is lower. at a threshold value.
  • the device may comprise at least one isolating valve mounted upstream of the means for regulating the pressure of the gaseous fuel.
  • the evacuation device comprises at least one means for detecting any gas leaks in the gaseous fuel supply device, said detection means being located upstream of the zone between the combustion chamber and the combustion medium. suction.
  • a method of evacuating gas leaks in a gaseous fuel supply device of a gas turbine or a steam generating boiler comprising a combustion chamber capable of being powered. in gaseous fuel, at least one means for regulating the flow of the gaseous fuel in the combustion chamber and means for regulating the pressure of the gaseous fuel mounted upstream of the flow control means, so as to form an upstream zone of the combustion chamber, according to which when the turbine is stopped,
  • the flow and pressure regulating valves of the gaseous fuel are closed, and a vacuum valve is opened in the zone upstream of the combustion chamber, so as to create a depression in said zone.
  • a gaseous fuel suction means is used which remains in the zone upstream of the combustion chamber when the vacuum valve is opened and vented.
  • the opening of the flow control means can be actuated one after the other in order to evacuate any gas gas leaks present in the transport lines located between the injectors of the combustion chamber and the means flow control to the outside environment.
  • the pressure in the zone upstream of the combustion chamber is verified by measuring means.
  • FIG. 1 shows, schematically, a gas turbine
  • FIG. 2 illustrates, schematically, a device for supplying gaseous fuel to the gas turbine.
  • FIG. 1 schematically represents a gas turbine 1 fed with a gaseous fuel, for example natural gas, coming, for example, from a tank 2.
  • gas turbines are generally used in power plants to drive generators and generate electrical energy or mechanical servocontrol (compressor, pumping station, etc).
  • the gas turbine 1 comprises an axial compressor 3 with a rotor shaft 4.
  • the air is introduced through the inlet 5 of the compressor, and compressed by the axial compressor 3 and then directed to a chamber of combustion 6.
  • the combustion chamber 6, also supplied with gaseous fuel produces, during combustion, high-energy hot gases capable of driving a turbine 7.
  • the gaseous fuel can be conveyed from the tank 2 to the combustion chamber 6 by a gaseous fuel supply device 8 which comprises an inlet connected to the tank 2 and an outlet connected to the combustion chamber 6.
  • the energy of the hot gases is converted into work, part of which is used to drive the compressor 3, via the rotor shaft 4, and the other part is used to drive a generator 9, the production of electricity, via a shaft 10.
  • the exhaust gas then out of the turbine 7 through an outlet 11, and can be used for other applications.
  • FIG. 2 shows in more detail, the device 8 for supplying gaseous fuel to the combustion chamber.
  • the feed device 8 comprises an inlet 12 for receiving the gaseous fuel, and outlets 13 for supplying the combustion chamber 6 with the gaseous fuel, and a routing line 14 connecting the inlet 12 to the outlets 13.
  • the supply line 14 of the gaseous fuel comprises successively, in the direction of circulation of the gaseous fuel: an isolation valve 15 and a vacuum valve 16 connected respectively to the inlet 12 and the external atmosphere EXT, a stop valve 17 (in English: Stop Ratio Valve SRV) mounted downstream of the isolation valve 15, and feed lines 18, for example four, connected in parallel, downstream of the stop valve; 17 and each comprising a gas control valve 19 (in English: Gas Control Valve GCV) mounted upstream of an outlet 13 to the combustion chamber.
  • the isolation valve 15 is a safety valve and is intended to isolate the gaseous fuel supply circuit of the supply circuit of the combustion chamber.
  • the valve 15 thus makes it possible to interrupt the supply of gaseous fuel in the event of problem of operation of the gas turbine, or in case of stopping thereof.
  • the vacuum valve 16 serves to purge the conveyance line 14 when the turbine is stopped and the isolation valve 15 is closed. When the turbine is in operation, the vacuum valve 16 makes it possible to isolate the external environment from the gaseous fuel or any gaseous mixture harmful to the environment.
  • the stop valve 17 also makes it possible to interrupt the supply of gaseous fuel to the combustion chamber, but above all it makes it possible to control the pressure of the gaseous fuel in the conveyance line 1 8, between the stop valve 17 and control valves 19.
  • the control valves 19 determine the amount of gaseous fuel delivered by the supply line 13 to the combustion chamber 6. It is considered in the remainder of the description that the valves 19 are valves for which the flow of gas passing through them is proportional to the degree of opening of the valves or the pressure of the gaseous fuel upstream of the valves 19, that is, the gas flow rate is proportional to the degree of opening of the valve 19 for a constant gas pressure , or that the gas flow rate is proportional to the pressure of the gas, for a degree of opening of the valve 19 constant.
  • the quantity of gaseous fuel supplying the combustion chamber is thus controlled by the control opening of the control valves 19 or by the opening control of the shut-off valve 1 7.
  • the valves 19 can be, for example, controlled valves according to a hydraulic / electrical techno logy. Such a technology indeed allows a fast and accurate positioning of the valve to adjust the flow of gaseous fuel.
  • the valves 19 may be sonic type.
  • the device for supplying gaseous fuel 8 is intended to determine and control the quantity of gaseous fuel delivered to the combustion chamber, in particular to enable the gas turbine to operate under the conditions in which it has a high yield, and limited aging.
  • the feed device 8 comprises a device 20 for evacuating possible gaseous fuel leaks between the stop valve 17 and the control valves 1 9.
  • the zone situated between the stop valve 17 and the control valves 19 is called, in the following description, inter-chamber zone 21.
  • the evacuation device 20 comprises a vacuum valve 22 and a suction means 23 situated downstream of the vacuum valve 22 and connected to the external atmosphere EXT.
  • Differential pressure measuring means 24 are located in the inter-chamber zone 21, so as to determine whether the evacuation device 20 creates a sufficient vacuum to evacuate any gaseous fuel leaks towards the chamber. external environment.
  • the supply device 8 comprises, for this purpose, an electronic control unit 25.
  • the control unit 25 allows on the one hand to determine the amount of gaseous fuel to be delivered to the combustion chamber, in particular according to the characteristics gaseous fuel provided by various measuring means 26, 27, 28.
  • the control unit 25 also controls the valves 17 and 19, for example their opening and closing, or even their degree of opening.
  • the valves 17 and 19 are controlled by the power control supplied by the control unit 25.
  • the control unit 25 can therefore deliver to the combustion chamber, the quantity of gaseous fuel determined, via the valve 1 7 (which controls the pressure of the gaseous fuel upstream of the valves 19) and / or by the intermediate of the degree of opening of the valves 19.
  • the control unit 25 receives information relating to the gaseous fuel and the operation of the turbine.
  • the control unit 25 receives as input the speed of rotation of the turbine, provided by a measuring means (not shown), the temperature of the gaseous fuel delivered by a temperature sensor 27 mounted between the isolation valve. 15 and the shut-off valve 17, and characteristics of the gaseous fuel (for example the Wobbe index) by a measuring means 26 (for example of the Wobbe index) mounted upstream of the isolation valve. 15.
  • the control unit 25 can also receive the data provided by a pressure sensor 28, mounted between the shut-off valve 17 and the supply lines 1 8. In particular, the control unit 25 can check, from the pressure measured by the sensor 28 if the control of the shutoff valve 17 makes it possible to obtain the desired gas fuel pressure.
  • the control unit 25 can also receive the differential pressure measurements made by the measuring means 24.
  • control unit 25 comprises a means 29 for comparing the differential pressure in the inter-chamber zone 21 with a threshold value S. If the value of the differential pressure is lower than the threshold value S, an automatic purge start means 30 triggers the propagation of an air flow in the combustion chamber 6 and in the exhaust line 11.
  • the control unit 25 also controls the closing and opening of the isolation and vacuum valves 1 6 and the vacuum valve 22.
  • the starting phase corresponds substantially to the stage during which the flames are obtained in the combustion chamber and during which a rotation speed of the turbine approximately equal to 10% of the nominal speed (in continuous operation) is reached.
  • the end of the start - up phase corresponds to the moment when the turbine reaches its nominal speed.
  • the stopping phase of the turbine corresponds to extinguishing the flames in the combustion chamber and at a speed less than or equal to 30% of the nominal speed. It is therefore important to avoid the formation of an explosive mixture in the gas turbine after the stopping phase of the gas turbine.
  • the isolation valve 15, the shutoff valve 17 and the control valves 19 are open in order to supply the turbine with gaseous fuel. Their degree of opening is proportional to the flow rate of gaseous fuel or to the pressure upstream of the control valves 19.
  • the second isolation valve 16 is closed in order to prevent the discharge, for example of methane, into the atmosphere.
  • the vacuum valve 22 is also closed in order to avoid creating a depression in the inter-chamber zone 21 and to discharge the fuel to the outside.
  • valves 15, 17 and 19 are automatically closed and the valves 16 and 22 are open.
  • the opening of the vacuum valve 22 allows the actuation of the suction means 23, such as for example a vacuum pump and to create a vacuum in the inter-chamber zone 21 in order to evacuate any leaks in the chamber. gas to the outside environment.
  • the depression created by the opening of the vacuum valve 22 is measured by the pressure sensors 24 located at the inter-chamber zone 21.
  • the discharge device 20 comprises in the pipe connecting the vacuum valve 22 to the suction means 23 detection means 23a connected to the control unit 25 for detecting any gas leaks.
  • the detection means 23 for possible gas leaks are situated between the inter-chamber zone 21 and the suction means 23.
  • These detection means 23a comprise detection sensors. gas, advantageously three in order to obtain accurate detection of gas leaks. It will be noted that the detecting means 23 a could possibly be located in the inter-chamber zone 2 1.
  • the detection means 23a are able to determine the time required for the suction of the gases in each feed line 1 3 until a decrease in the gas concentration in each feed line 13.
  • the evacuation device 20 is capable of drawing gases up to 240 ° C.
  • This provides a device for evacuating gaseous fuel leaks limiting the propagation of gas leaks to the turbine during the start and stop phases.
  • a device for evacuating gaseous fuel leaks limiting the propagation of gas leaks to the turbine during the start and stop phases.
  • such a device makes it possible to accelerate the start of the gas turbine without waiting for a purge time.
  • the detection means 23a are capable of indicating the time required in each feed line 13 to reduce the gas concentration in the feed lines to a corresponding non-hazardous level threshold concentration value.
  • Such a gas evacuation device can significantly reduce the residual gas in the ducts. supplying gaseous fuel to a gas turbine or steam generating boiler after an incident or loss of flame.
  • leak evacuation device described above could also be applied to steam generating boilers, in particular to steam generating boiler burners.

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Abstract

Dispositif d' évacuation (20) de fuites de gaz dans un dispositif d' alimentation (8) en combustible gazeux d'une turbine à gaz (1), ou d'une chaudière génératrice de vapeur comprenant une chambre de combustion (6) apte à être alimentée en combustible gazeux, au moins un moyen de régulation du débit (19) du combustible gazeux dans la chambre de combustion et un moyen de régulation de la pression (17) du combustible gazeux monté en amont du moyen de régulation du débit ( 19) de manière à former une zone (21) en amont de la chambre de combustion (6). Le dispositif d' évacuation comprend une vanne de dépression (22) située dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion (6), de manière à créer une dépression dans ladite zone (21) lors de l'ouverture de la vanne de dépression (22), un moyen d' aspiration (23) de combustible gazeux restant dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion et au moins un moyen de détection (23a) d' éventuelles fuites de gaz dans le dispositif d' alimentation (8) en combustible gazeux.

Description

Dispositif d'évacuation de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation en combustible gazeux d'une turbine à gaz et procédé associé
La présente invention concerne les turbines à gaz. En particulier, la présente invention concerne un dispositif d' évacuation de fuites de gaz dans un dispositif d ' alimentation en combustible gazeux 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 conduit pour le rej et des gaz d' échappement. Les turbines à gaz sont conçues avec des systèmes de combustion capables d' inj ecter du combustible liquide ou du combustible gazeux dans le système de combustion, par l 'intermédiaire d ' inj ecteurs concentriques . La plupart des installations thermiques utilisant des turbines à combustion sont alimentées par des combustibles gazeux.
La présente invention concerne les turbines à gaz alimentées par un combustible gazeux à simp le cycle ou à cycles combinés. Les cycles combinés résultent de la combinaison d'un cycle d 'une turbine à gaz et d'un cycle d'une turbine à vapeur.
Par ailleurs, la présente invention concerne le fonctionnement transitoire d 'une turbine à gaz, notamment les phases de démarrage et d' arrêt de la turbine à gaz. Lors de la mise en route de la turbine à gaz, on utilise un moteur de lancement qui remplit la fonction de démarreur. Les différents fluides nécessaires au fonctionnement de la turbine, arrivent par des circuits indépendants. On distingue ainsi le circuit d ' admission de l ' air ambiant apte à être comprimé dans le compresseur, et un circuit d' air d' atomisation d'un combustible liquide après son entrée dans la chambre de combustion. Le combustible est acheminé via un circuit d' alimentation. Cependant, les phases de démarrage et d' arrêt de la turbine doivent se faire dans des conditions de sécurités prenant en compte d' éventuelles fuites de combustible gazeux entre le système d' alimentation en combustible gazeux et les chambres de combustion de la turbine, pouvant engendrer un éventuel mélange explosif dans la turbine, l ' échappement ou la chaudière dans le cas d'un cycle combiné. Actuellement, selon les normes en vigueur, avant l ' allumage de la turbine, les vo lumes de l ' échappement et de la chambre de combustion doivent être balayés cinq fois avec un débit d' air d' au moins 8% du débit d' air normal. A cet effet, la turbine à gaz est mise en rotation sans approvisionnement en combustible ; un ventilateur supplémentaire peut également être intégré sur la ligne d' écoulement du fluide. Cependant, le temps de purge est long et ralentit le temps de synchronisation du générateur au réseau.
II existe différents systèmes permettant d' accélérer le temps de démarrage de la turbine en réduisant le risque de fuite de combustible gazeux dans la turbine. La demande de brevet US 2009/0145 104 décrit un dispositif d' alimentation d 'une turbine en cycle combiné comprenant un dispositif de purge permettant d' allumer la turbine longtemps après la purge sans devoir purger à nouveau. A cet effet, trois vannes d' iso lation sont montées en série en amont de la turbine, de manière à empêcher la propagation d' éventuelles fuites de combustible gazeux vers les chambres de combustion après la purge de l' installation d' alimentation. Des appareils de mesure permettent de détecter la présence de fuites de mélange gazeux, auquel cas la purge de l ' échappement et des chambres de combustion serait déclenchée. Cependant, le risque de propagation d' éventuelles fuites de combustible gazeux vers la turbine dépend de l ' étanchéité des vannes d'iso lation, de leur dégradation et de la précision de l ' appareillage de mesure de fuite.
La demande de brevet US58 19539 décrit un système de détection de combustible dans une chaudière de récupération afin d' actionner une aspiration lorsque du combustible gazeux est détecté dans la chaudière. Cependant, de telles so lutions ne sont pas suffisamment fiables, et nécessitent la purge des chambres de combustion et de l ' échappement en cas de présence de combustible gazeux.
Afin d' éviter la propagation d' éventuelles fuites de combustible gazeux vers la turbine, il est nécessaire d' évacuer la fuite de combustible en amont de la connexion à la turbine . Une so lution consisterait à réaliser un bouchon de fluide gazeux inerte, tel que par exemple, de l ' azote ou de l ' air comprimé dans une zone d 'inter- chambre située en amont des chambres de combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Cependant, une telle solution est difficile à mettre en œuvre.
Le but de la présente invention est de résoudre les problèmes cités précédemment. Notamment, un but de la présente invention est de limiter le temps de démarrage d'une turbine à gaz en évitant la propagation d' éventuelles fuites de combustible gazeux dans la turbine, tout en proposant une installation facile à mettre en œuvre.
Selon un aspect, il est proposé un dispositif d' évacuation de fuites de gaz dans un dispositif d' alimentation en combustible gazeux d'une turbine à gaz ou d 'une chaudière génératrice de vapeur, comprenant une chambre de combustion apte à être alimentée en combustible gazeux, au moins un moyen de régulation du débit du combustible gazeux dans la chambre de combustion et un moyen de régulation de la pression du combustible gazeux monté en amont du moyen de régulation du débit, de manière à former une zone en amont de la chambre de combustion.
Le dispositif d' évacuation peut comprendre une vanne de dépression (ou mise à l ' évent) située dans la zone en amont de la chambre de combustion, de manière à créer une dépression dans ladite zone lors de l 'ouverture de la vanne de dépression.
Ainsi, lors de l' arrêt de la turbine à gaz, la zone située en amont de la chambre de combustion est automatiquement purgée, ce qui évite la propagation d' éventuelles fuites de combustible gazeux vers la turbine et permet un allumage de la turbine, sans purge de l ' échappement. Avantageusement, le dispositif d' évacuation comprend un moyen d' aspiration de combustible gazeux restant dans la zone en amont de la chambre de combustion.
Par exemple, le moyen d' aspiration est apte à s ' actionner lors de l 'ouverture de la vanne de dépression et peut être, à titre d' exemple, constitué d'une pompe à vide.
Le dispositif d' évacuation peut comprendre des moyens de mesure de la dépression dans la zone en amont de la chambre de combustion.
De manière préférentielle, le dispositif d' évacuation comprend des moyens de démarrage automatique de purge déclenchant la propagation d'un flux d' air dans la chambre de combustion apte à s ' activer lorsque la pression mesurée par les moyens de mesure de pression est inférieure à une valeur seuil.
Le dispositif peut comprendre au moins une vanne d' iso lation montée en amont du moyen de régulation de la pression du combustible gazeux.
Avantageusement, le dispositif d' évacuation comprend au moins un moyen de détection d' éventuelles fuites de gaz dans le dispositif d' alimentation en combustible gazeux, ledit moyen de détection étant situé en amont de la zone entre la chambre de combustion et le moyen d' aspiration.
Selon un autre aspect, il est également proposé un procédé d' évacuation de fuites de gaz dans un dispositif d ' alimentation en combustible gazeux d'une turbine à gaz ou d'une chaudière génératrice de vapeur comprenant une chambre de combustion apte à être alimentée en combustible gazeux, au moins un moyen de régulation du débit du combustible gazeux dans la chambre de combustion et un moyen de régulation de la pression du combustible gazeux monté en amont du moyen de régulation du débit, de manière à former une zone en amont de la chambre de combustion, selon lequel lorsque la turbine est à l ' arrêt,
on ferme les vannes de régulation de débit et de pression du combustible gazeux, et on ouvre une vanne de dépression située dans la zone en amont de la chambre de combustion, de manière à créer une dépression dans ladite zone.
Avantageusement, on actionne un moyen d' aspiration de combustible gazeux restant dans la zone en amont de la chambre de combustion lors de l ' ouverture de la vanne de dépression et mise à l ' évent.
On peut actionner l ' ouverture des moyens de régulation du débit l 'un après l ' autre afin d' évacuer les éventuelles fuites de gaz de gaz présent dans des lignes d' acheminement situées entre les inj ecteurs de la chambre de combustion et les moyens de régulation du débit vers l ' environnement extérieur.
On peut en outre déterminer le temps d' ouverture des moyens de régulation du débit en fonction de la quantité de gaz mesure par des moyens de détection situés en amont de la zone.
De préférence, on vérifie par des moyens de mesure la pression dans la zone en amont de la chambre de combustion.
D ' autres avantages et caractéristiques de l 'invention apparaîtront à l ' examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l' invention nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente, de manière schématique, une turbine à gaz ; et
- la figure 2 illustre, de manière schématique, un dispositif d' alimentation en combustible gazeux de la turbine à gaz .
La figure 1 représente de manière schématique une turbine à gaz 1 alimentée par un combustible gazeux, par exemple du gaz naturel, provenant, par exemple, d'un réservoir 2. Les turbines à gaz sont généralement utilisées dans des centrales 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 1 comprend un compresseur axial 3 avec un arbre de rotor 4. L ' air est introduit par l ' entrée 5 du compresseur, et comprimé par le compresseur axial 3 puis dirigé vers une chambre de combustion 6. La chambre de combustion 6, également alimentée en combustible gazeux, produit, lors de la combustion, des gaz chauds à haute énergie aptes à entraîner une turbine 7. Le combustible gazeux peut être acheminé du réservoir 2 à la chambre de combustion 6 par un dispositif d'alimentation en combustible gazeux 8 qui comprend une entrée reliée au réservoir 2 et une sortie reliée à la chambre de combustion 6.
Dans la turbine 7, l'énergie des gaz chauds est convertie en travail dont une partie est utilisée pour entraîner le compresseur 3, par l'intermédiaire de l'arbre du rotor 4, et dont l'autre partie est utilisée pour entraîner un générateur 9 de production d'électricité, par l'intermédiaire d'un arbre 10. Les gaz d'échappement sortent ensuite de la turbine 7 par une sortie 11, et peuvent être utilisés pour d'autres applications.
La figure 2 représente de manière plus détaillée, le dispositif d'alimentation 8 en combustible gazeux de la chambre de combustion. Le dispositif d'alimentation 8 comprend une entrée 12 pour recevoir le combustible gazeux, et des sorties 13 pour alimenter la chambre de combustion 6 avec le combustible gazeux, et une ligne d'acheminement 14 reliant l'entrée 12 aux sorties 13.
La ligne d'acheminement 14 du combustible gazeux comprend successivement, dans le sens de circulation du combustible gazeux : d'une vanne d'isolation 15 et une vanne de dépression 16 reliées respectivement à l'entrée 12 et à l'atmosphère extérieure EXT, une vanne d'arrêt 17 (en anglais : Stop Ratio Valve SRV) montée en aval de la vanne d'isolation 15, et des lignes d'alimentation 18, par exemple quatre, montées en parallèle, en aval de la vanne d'arrêt 17 et comprenant chacune une vanne de contrôle des gaz 19 (en anglais : Gaz Control Valve GCV) montée en amont d'une sortie 13 vers la chambre de combustion.
La vanne d'isolation 15 est une vanne de sécurité et a pour but d'isoler le circuit d'alimentation en combustible gazeux du circuit d'alimentation de la chambre de combustion. La vanne 15 permet ainsi d'interrompre l'alimentation en combustible gazeux en cas de problème de fonctionnement du la turbine à gaz, ou en cas d' arrêt de celle-ci.
La vanne de dépression 16 permet de purger la ligne d' acheminement 14 lorsque la turbine est arrêtée et que la vanne d'iso lation 15 est fermée. Lorsque la turbine est en fonctionnement, la vanne de dépression 16 permet d' isoler l ' environnement extérieur du combustible gazeux ou de tout mélange gazeux nocif pour l ' environnement.
La vanne d' arrêt 17 permet également d' interrompre l ' alimentation en combustible gazeux de la chambre de combustion, mais permet surtout de contrôler la pression du combustible gazeux dans la ligne d' acheminement 1 8 , entre la vanne d' arrêt 17 et les vannes de contrôle 19.
Les vannes de contrôle 19 déterminent la quantité de combustible gazeux délivrée par la ligne d' alimentation 13 à la chambre de combustion 6. On considère dans la suite de la description que les vannes 19 sont des vannes pour lesquelles le débit de gaz les traversant est proportionnel au degré d' ouverture des vannes ou à la pression du combustible gazeux en amont des vannes 19, c ' est-à-dire que le débit de gaz est proportionnel au degré d' ouverture de la vanne 19 pour une pression de gaz constante, ou que le débit de gaz est proportionnel à la pression du gaz, pour un degré d' ouverture de la vanne 19 constant. La quantité de combustible gazeux alimentant la chambre de combustion est donc commandée par la commande d' ouverture des vannes de contrôle 19 ou par la commande d' ouverture de la vanne d ' arrêt 1 7. Les vannes 19 peuvent être par exemple des vannes commandées selon une techno logie hydraulique/électrique. Une telle technologie permet en effet un positionnement rapide et précis de la vanne pour ajuster le débit de combustible gazeux. En particulier, les vannes 19 peuvent être de type sonique.
Le dispositif d' alimentation en combustible gazeux 8 vise à déterminer et à contrôler la quantité de combustible gazeux délivrée à la chambre de combustion, afin notamment de permettre à la turbine à gaz de fonctionner les conditions dans lesquelles elle présente un rendement élevé, et un vieillissement limité. De plus, le dispositif d' alimentation 8 comprend un dispositif d' évacuation 20 d' éventuelles fuites de combustible gazeux entre la vanne d' arrêt 17 et les vannes de contrôle 1 9. La zone située entre la vanne d' arrêt 17 et les vannes de contrôle 19 est appelée, dans la suite de la description, zone d'inter- chambre 21 .
Ainsi, lors des phases de démarrage ou d' arrêt de la turbine, il est important d' éviter la propagation d' éventuelles fuites de combustible gazeux vers la ligne d' acheminement 13 à la chambre de combustion 6.
Le dispositif d' évacuation 20 comprend à cet effet une vanne de dépression 22 et un moyen d' aspiration 23 situé en aval de la vanne de dépression 22 et relié à l' atmosphère extérieure EXT .
Des moyens de mesure 24 de la différence de pression sont situés dans la zone d' inter-chambre 21 , de manière à déterminer si le dispositif d' évacuation 20 crée une dépression suffisante permettant d' évacuer d' éventuelles fuites de combustible gazeux vers l ' environnement extérieur.
Le dispositif d' alimentation 8 comprend, à cet effet, une unité de contrôle électronique 25. L 'unité de contrôle 25 permet d'une part de déterminer la quantité de combustible gazeux à délivrer à la chambre de combustion, notamment en fonction des caractéristiques du combustible gazeux fournies par divers moyens de mesure 26, 27, 28. De plus, l 'unité de contrôle 25 permet également de contrôler les vannes 17 et 19, par exemple leur ouverture et fermeture, ou bien encore leur degré d' ouverture. Les vannes 17 et 19 sont contrôlées par la commande d' alimentation délivrée par l 'unité de contrôle 25 . L 'unité de contrôle 25 peut donc délivrer à la chambre de combustion, la quantité de combustible gazeux déterminée, par l ' intermédiaire de la vanne 1 7 (qui contrôle la pression du combustible gazeux en amont des vannes 19) et/ou par l 'intermédiaire du degré d' ouverture des vannes 19.
Pour déterminer la commande des vannes 19 et/ou de la vanne 17, l'unité de contrôle 25 reçoit des informations relatives au combustible gazeux et au fonctionnement de la turbine . Ainsi, l 'unité de contrôle 25 reçoit en entrée la vitesse de rotation de la turbine, fournie par un moyen de mesure (non représenté), la température du combustible gazeux délivrée par un capteur de température 27 monté entre la vanne d' iso lation 15 et la vanne d ' arrêt 17, et des caractéristiques du combustible gazeux (par exemple l ' indice de Wobbe) par un moyen de mesure 26 (par exemple de l ' indice de Wobbe) monté en amont de la vanne d' iso lation 15. L 'unité de contrôle 25 peut également recevoir les données fournies par un capteur de pression 28 , monté entre la vanne d ' arrêt 17 et les lignes d' alimentation 1 8. En particulier, l 'unité de contrôle 25 peut vérifier, à partir de la pression mesurée par le capteur 28 si la commande de la vanne d' arrêt 17 permet bien d' obtenir la pression de combustible gazeux voulue.
L 'unité de contrôle 25 peut également recevoir les mesures de pression différentielles effectuées par les moyens de mesure 24.
Plus précisément, l 'unité de contrôle 25 comprend un moyen de comparaison 29 de la pression différentielle dans la zone d'inter- chambre 21 avec une valeur seuil S . Si la valeur de la pression différentielle est inférieure à la valeur seuil S, un moyen de démarrage automatique de purge 30 déclenche la propagation d'un flux d' air dans la chambre de combustion 6 et dans la ligne d' échappement 1 1 .
L 'unité de contrôle 25 permet également de contrôler la fermeture et l ' ouverture des vannes d' isolation 15 et de dépression 1 6 et de la vanne de dépression 22.
La phase de démarrage correspond sensiblement à l ' étape durant laquelle on obtient les flammes dans la chambre de combustion et durant laquelle on atteint une vitesse de rotation de la turbine environ égale à 10% de la vitesse nominale (en fonctionnement continu) . La fin de la phase de démarrage correspond à l 'instant où la turbine a atteint sa vitesse nominale.
La phase d' arrêt de la turbine correspond à l ' extinction des flammes dans la chambre de combustion et à une vitesse inférieure ou égale à 30% de la vitesse nominale. Il est donc important d'éviter la formation de mélange explosif dans la turbine à gaz après la phase d'arrêt de la turbine à gaz.
Lors du fonctionnement de la turbine à gaz 1, la vanne d'isolation 15, la vanne d'arrêt 17 et les vannes de contrôle 19 sont ouvertes afin d'alimenter la turbine en combustible gazeux. Leur degré d'ouverture est proportionnel au débit de combustible gazeux ou à la pression en amont des vannes de contrôle 19. La seconde vanne d'isolation 16 est fermée afin d'éviter le rejet, par exemple de méthane, dans l'atmosphère. Enfin, la vanne de dépression 22 est également fermée afin d'éviter de créer une dépression dans la zone d'inter-chambre 21 et d'évacuer le combustible vers l'extérieur.
Lors de l'arrêt de la turbine 1, les vannes 15, 17 et 19 sont automatiquement fermées et les vannes 16 et 22 sont ouvertes.
L'ouverture de la vanne de dépression 22 permet l'actionnement du moyen d'aspiration 23, tel que par exemple une pompe à vide et de créer une dépression dans la zone d'inter-chambre 21 afin d'évacuer les éventuelles fuites de gaz vers l'environnement extérieur. La dépression créée par l'ouverture de la vanne de dépression 22 est mesurée par les capteurs de pression 24 situé au niveau de la zone d'inter-chambre 21.
En d'autres termes, lorsque la vanne d'arrêt 17 et les vannes de contrôle 19 sont fermées après la perte de flammes, on déclenche l'ouverture de la vanne de dépression 22 et le démarrage du moyen d'aspiration 23, puis, afin d'évacuer la quantité de gaz accumulé entre les vannes de contrôle 19 et les lignes d'alimentation 13, les vannes de contrôle 19 s'ouvrent l'une après l'autre. Le gaz restant dans ces lignes d'acheminent 13 est alors aspiré par le moyen d'aspiration 23 et évacué vers l'environnement extérieur. Ainsi, on évite d'éventuels problèmes au démarrage de la turbine en réduisant la quantité de gaz restant dans le système.
Lorsque l'unité de contrôle 25 détecte un disfonctionnement du dispositif d'évacuation 20, le cycle habituel de purge de la chambre de combustion 6 et de la ligne d'échappement 11 est mis en route. Le dispositif d' évacuation 20 comprend dans la conduite reliant la vanne de dépression 22 au moyen d ' aspiration 23 des moyens de détection 23 a reliés à l 'unité de contrôle 25 afin de détecter d' éventuelles fuites de gaz. Tel qu' illustré dans la figure 2, les moyens de détection 23 a d' éventuelles fuites de gaz sont situés entre la zone d'inter-chambre 21 et le moyen d ' aspiration 23. Ces moyens de détection 23 a comprennent des capteurs de détection de gaz, avantageusement au nombre de trois afin d' obtenir une détection précise des fuites de gaz. On notera que les moyens de détections 23 a pourraient éventuellement se situer dans la zone d'inter-chambre 2 1 . Les moyens de détection 23 a sont capables de déterminer le temps nécessaire à l ' aspiration des gaz dans chaque ligne d' alimentation 1 3 jusqu' à une baisse de la concentration en gaz dans chaque ligne d' alimentation 13.
On notera que le dispositif d' évacuation 20 est capable d' aspirer des gaz jusqu' à 240° C .
On obtient ainsi un dispositif d' évacuation de fuites de combustible gazeux limitant la propagation de fuites de gaz vers la turbine pendant les phases de démarrage et d' arrêt. De plus, un tel dispositif permet d' accélérer le démarrage de la turbine à gaz, sans attendre un temps de purge.
Après la fermeture des vannes 17 et 19 pendant la phase d ' arrêt et la perte de flammes dans les chambres de combustion par manque de combustible, une quantité non négligeable de gaz combustible peut être présente dans les tuyaux et le collecteur entre les vannes de régulation 19 et les inj ecteurs . En ouvrant, pendant la phase de dépression dans la zone 21 , les vannes 19 une par une, on peut aspirer et éliminer cette quantité de gaz de la turbine. Les moyens de détection 23 a sont capables d' indiquer le temps nécessaire dans chaque ligne d' alimentation 13 pour réduire la concentration du gaz dans les lignes d' alimentation jusqu' à une valeur de concentration seuil correspondant à niveau non dangereux.
Enfin, un tel dispositif d ' évacuation de gaz permet de réduire de manière significative le gaz résiduel dans les conduits d' alimentation de combustible gazeux d'une turbine à gaz ou d 'une chaudière génératrice de vapeur après un incident ou une perte de flamme.
On notera que le dispositif d' évacuation de fuites décrit ci- dessus pourrait également s ' appliquer aux chaudières génératrices de vapeur, notamment aux brûleurs des chaudières génératrices de vapeur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'évacuation (20) de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation (8) en combustible gazeux d'une turbine à gaz (1), ou d'une chaudière génératrice de vapeur comprenant une chambre de combustion (6) apte à être alimentée en combustible gazeux, au moins un moyen de régulation du débit (19) du combustible gazeux dans la chambre de combustion et un moyen de régulation de la pression (17) du combustible gazeux monté en amont du moyen de régulation du débit (19) de manière à former une zone (21) en amont de la chambre de combustion (6), et une vanne de dépression (22) située dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion (6), de manière à créer une dépression dans ladite zone (21) lors de l'ouverture de la vanne de dépression (22)
, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'aspiration (23) de combustible gazeux restant dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en que le moyen d'aspiration (23) est apte à s'actionner lors de l'ouverture de la vanne de dépression (22).
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de la pression (24) dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion (6).
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens démarrage automatique de purge (30) déclenchant la propagation d'un flux d'air dans la chambre de combustion (6) apte à s'activer lorsque la pression mesurée par les moyens de mesure de pression (24) est inférieure à une valeur seuil (S).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une vanne d'isolation (15) montée en amont du moyen de régulation de la pression (17) du combustible gazeux.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant au moins un moyen de détection (23a) d'éventuelles fuites de gaz dans le dispositif d'alimentation (8) en combustible gazeux, ledit moyen de détection (23a) étant situé en amont de la zone (21) entre la chambre de combustion et le moyen d'aspiration (23).
7. Procédé d'évacuation de fuites de gaz dans un dispositif d'alimentation (8) en combustible gazeux d'une turbine à gaz (1), ou d'une chaudière génératrice de vapeur, comprenant une chambre de combustion (6) apte à être alimentée en combustible gazeux, au moins un moyen de régulation du débit (19) du combustible gazeux dans la chambre de combustion (6) et un moyen de régulation de la pression (17) du combustible gazeux monté en amont du moyen de régulation du débit (19), de manière à former une zone (21) en amont de la chambre de combustion (6), dans lequel lorsque la turbine (1) est à l'arrêt,
on ferme les vannes de régulation de débit (19) et de pression (17) du combustible gazeux, et
on ouvre une vanne de dépression (22) située dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion (6), de manière à créer une dépression dans ladite zone (21), caractérisé par le fait que l'on actionne un moyen d'aspiration (23) de combustible gazeux restant dans la zone (21) en amont de la chambre de combustion (6) lors de l'ouverture de la vanne de dépression (22).
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on actionne l'ouverture des moyens de régulation du débit (19) l'un après l'autre afin d'évacuer les éventuelles fuites de gaz présent dans les lignes d'acheminement (13) situées entre des injecteurs de la chambre de combustion (6) et les moyens de régulation du débit (19) vers l'environnement extérieur.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on détermine le temps d'ouverture des moyens de régulation du débit (19) en fonction de la quantité de gaz mesure par des moyens de détection (23a) situés en amont de la zone (21).
10. Procédé selon l 'une des revendications 7 à 9, dans lequel on vérifie par des moyens de mesure (24) la pression dans la zone (21 ) en amont de la chambre de combustion (6) .
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