Unité de cogénération de la papeterie ETIENNE à Arles - Fives

UNITE DE COGENERATION DE LA PAPETERIE ETIENNE (13) ARLESJC. Gauthier (Chef du Sce R&D, PILLARD (EGCI), Marseille - France)En 2001, TRACTEBEL Energy Engineering a réalisé pour la Papeterie Etienne (Arles) une installation de cogénération de 45MWe dont l’exploitation a été confiée à ELYO.La chaudière de récupération, de marque MACCHI (I), est équipée d’un système de by-pass des TEG (évent + diverter) etd’un brûleur de postcombustion PILLARD type REBURNFLAM ® fonctionnant soit en mode TEG, soit en mode air frais.Caractéristiques principales :Fig.1 - Vue d’ensemble de l’installation, vue de côtéTurbine à gaz : General Electric LM 6000 de 45 MWeChaudière (HRSG) : 60,5 t/h de vapeur HP à 44 bar (timbre 55 bar)+ 7,0 t/h de vapeur BP à 5 bar (timbre 9 bar)TEG : Débit maxi : 139,9 kg/s à 437°CTeneur en O 2: 14,3 %Teneur en eau : 6,1 %Brûleur : Mode TEG : P = 2,1 à 26,5 MW (soit une variation de 1 à 12,6)Mode Air Frais : P = 2,1 à 66 MW (soit une variation de 1 à 31,4)Combustible : Gaz naturelNombre de rampes : 5En mode air frais, l’air de combustion est fourni par 2 ventilateurs disposés symétriquement de part et d’autre de la gaineamont brûleur (Fig.2).Fig.2 - Vue d’ensemble de l’installation, vue de dessus

OBJECTIFS D’EMISSIONSUn problème spécifique confié à PILLARD était d’obtenir une répartition des vitesses uniforme au niveau du brûleur, objectifdélicat du fait des arrivées d’air perpendiculaires à la gaine juste en amont du brûleur.De plus, l’objectif d’émissions était double :En mode TEG :Les limites d’émissions de NOx et CO sont les mêmes que celles sortie turbine. Le brûleur ne doit donc pas les augmenter.Emissions turbine : Garantie d’émissions après post-combustion :NOx < 52 mg/Nm 3 (à 15 % O 2) NOx < 52 mg/Nm 3 (à 15% O 2)CO < 80 mg/Nm 3 (à 15% O 2) CO < 80 mg/Nm 3 (à 15% O 2)En mode air frais :NOx < 200 mg/Nm 3 (à 3% O 2)CO < 250 mg/Nm 3 (à 3% O 2)conformément à la réglementation en vigueur.TECHNIQUE DE COMBUSTION RETENUEBrûleur induct (en veine) de type REBURNFLAM ® LOW NOx, section 3430 x 3500 mm.Pour permettre une très forte variation de débit de plus de 1 à 30, le brûleur a été équipé :- de 2 volets fermés de façon à conserver une vitesse suffisante au comburant lors des allures réduites- de 2 alimentations séparées de gaz naturel permettant un fonctionnement avec 2 rampes (sur les 5).Plages de fonctionnement :Fig.3 - Brûleur PILLARD type REBURNFLAM ® LOW NOxMode air frais 2,1 à 20 MW : 2 rampes, volets fermés10 à 66 MW : 5 rampes, volets ouvertsMode TEG 2,1 à 12 MW : 2 rampes, volets ouverts10 à 26,5 MW : 5 rampes, volets ouvertsAfin d’obtenir moins de 200 mg/Nm 3 d’émissions de NOx à 3 % O 2en mode air frais, tout en évitant la formation de CO,3 rampes sur les 5 ont été équipées d’éléments “LOW NOx” (brevet PILLARD n° 00/01455) permettant :Fonctionnement à 2 rampes 2 rampes LOW NOxFonctionnement à 5 rampes 3 rampes LOW NOx et 2 rampes standardDe plus, afin d’assurer une fiabilité totale du passage automatique du mode TEG au mode air frais en cas de déclenchementde la turbine, chaque rampe a été équipée :- d’un allumeur pilote permanent PILLARD- de 2 détecteurs de flamme autocontrôlés redondants en parallèle PILLARD, type RUBY.

ETUDE DES ECOULEMENTS DE COMBURANTSUne modélisation par logiciel FLUENT ® (propriété de FLUENT Inc.) a été utilisée pour optimiser l’écoulement dans les deuxmode TEG et air frais, avec une très faible perte de charge (< 20 mmCE).L’étude a conduit à rajouter 2 grilles perforées dans les conduits ventilateurs + des déflecteurs et une grille perforée dans lagaine de TEG (voir Fig.4).Fig.4 - Disposition retenue (grilles/déflecteurs)Comparaison des profils de vitesse avant et après optimisation :Vecteurs vitesse dansdifférents plansProfil de vitesse dans leplan des brûleursFig.5 - Avant correctionFig.6 - Après correctionDes mesures de vitesses entre les rampes du brûleur ont été effectuées lors du démarrage. Elles ont permis de vérifierl’uniformité de la vitesse à environ ± 10 % conformément à la prédiction par simulation.

PERFORMANCES REALISEESLes performances de rendement et d’émissions ont été vérifiées par BUREAU VERITAS (22/23 Octobre 2002). Les mesuresont été effectuées aux allures maximales dans les 3 modes :- Récupération Simple (RS) (sans postcombustion)- Post-Combustion (PC) en mode TEG- et Post-Combustion en air frais (normal) ANLes mesures d’émission de NOx et CO exprimées ci-dessus en ppm à l’O 2réel doivent être converties en mg/Nm 3 etramenées à l’O 2de référence pour comparaison aux valeurs garanties :Mode TEG (PC) :Exprimés en mg/Nm 3 à 15 % O 2Mesures GarantiesNOx 34 52CO 41 80Mode Air Frais (AN) :Mesures GarantiesExprimés en mg/Nm 3 à 3 % O 2NOx 193 200CO 108 250Toutes les émissions sont conformes aux garanties.CONCLUSIONCette réalisation met en évidence l’efficacité :- de l’optimisation des écoulements de comburants par simulation grâce au logiciel FLUENT ®- de l’utilisation des nouveaux brûleurs REBURNFLAM ® LOW NOx pour réduire les émissions.Elle démontre également les possibilités de forte variation de débit du brûleur (> 30) et la fiabilité du passage automatiquedu mode TEG au mode Air Frais.