Brevet FR2486144A1 — publié le 19820108

Li présente invention se rapporte à un système de réglage et de protection pour turbines qui comporte un ou plusieurs distributeurs de réglage et une soupape à ferme- ture instantanée prévue dans le conduit d'alimentation de la turbine en fluide de travail, des sondes tachymétriques auxquelles est relié un dispositif de réglage et de protec- tion commandant les distributeurs ou soupapes. Il est habituel jusqu'à ce jour d'effectuer le réglage de turbines, y compris la commande de secours, au moyen de systèmes mécano-hydrauliques. Lors du fonction-= nement normal on prévoit alors un régulateur de vitesse qui actionne par voie mécano-hydraulique les distributeurs de commande. Afin de protéger la turbine contre des sur- vitessesil est prévu un-'dispositif à fermeture rapide qui est constitué essentiellement par un doigt logé dans l'arbre de la turbine et qui, lors du dépassement d'une vitesse de rotation déterminée, actionne, de préférence sous l'effet de la force centrifuge, un cliquet libérant, par l'intermédiaire d'un mécanisme d'inversion, le liquide hydraulique pour la commande des soupapes à fermeture ins- tantanée. Une vanne électromagnétique est prévue de plus dans le circuit d'alimentation en liquide hydraulique afin de permettre un déclenchement de secours électrique, par exemple, par un dispositif de protection d'un générateur, de boutons d'arrêt de secours ou par des dispositifs ana- logues. Cette forme de réalisation présente un certain nom- bre d'inconvénients. Les pièces mécaniques sont, par exem- ple, relativement sensibles et fragiles et le fonction- nement n'est pas ser par suite d'une accumulation de saletés, de la résinification de l'huile, du vieillissement et de la fatigue de la matière. La vérification du bon fonctionnement de ces dispo- sitifs connus est en outre difficile. Cette vérification s'effectue soit en créant artificiellement une survitesse en interrompant le fonctionnement de la turbine soit en simulant une survitesse en supprimant le déclenchement de secours pendant le fonctionnement de la turbine. Lors de cette simulation on mesure des valeurs effectives ou on vérifie le déclenchement devant se produire lors d'une survitesse en pompant de l'huile sous le doigt commandant la fermeture instantanée de la soupape. La commande pour le service normal et la commande de sécurité sont différentes en ce qui concerne leur conception et leur manière d'opérer ce qui présente l'in- convénient qu'aucune des deux commandes ne peut assurer la fonction de l'autre en cas de défaillance de l'un des dispositifs. Le prix de revient de ces dispositifs est également élevé parce que par mesure de sécurité on est amené fréquemment à les doubler. Il est, en outre, connu de commander un déclenche- ment d'arrêt rapide en raison d'une survitesse par voie électronique-hydraulique. Dans ce cas la vitesse de rota-- tion de la turbine est mesurée de façon inductive et sur- veillée par un dispositif d'évaluation électronique, le déclenchement de l'arrêt instantané est généralement com- mandé par une vanne électromagnétique. Afin de pouvoir vérifier le dispositif pendant le fonctionnement normal, il est nécessaire pour protéger la turbine de commuter et de mettre en service un système de surveillance paral- lèle et de mettre en service en même temps un circuit de contrôle. Ce circuit de contr8le présente l'inconvénient d'interrompre le circuit de déclenchementet un déclen- chement sûr pendant le fonctionnement de la turbine ne peut être obtenu qu'après avoir commuté de nouveau le circuit de contr8le dans son état normal ce qui n'est pas toujours vérifiable. On connaît également des systèmes de réglage élec- troniques-hydrauliques; cependant ces systèmes ne sont pas reliés aux systèmes de protection et ils agissent uniquement sur les distributeurs de réglage. La présente invention a pour objet de créer un système de réglage et de protection qui est composé, à partir du relèvement de la valeur effective jusqu'aux organes de commande, d'ensembles identiques mais indépen- dants les uns des autres et qui offre la possibilité d'une vérification complète de toutes les fonctionset ceci aussi bien à l'arrêt que pendant le fonctionnement sans cependant nuire à ce dernier. L'utilisation d'ensembles identiques doit permettre de pouvoir maintenir, sous cer- taines conditions, un service de secours lors d'une défail- lance d'un circuit ou d'un ensemble du fait que la sécurité peut être assurée sans limitation par un autre circuit. On obtient ainsi une grande disponibilité (réduction des pro- babilités de défaillance) et il est évident que ce système doit permettre d'assurer un réglage et une sécurité par- faits ainsi que la réalisation de systèmes de redondance tout en offrant la possibilité d'adaptation à d'autres systèmes de réglage et de commande. Les problèmes ci-dessus sont résolus conformément à l'invention par un système du type mentionné précédemment et qui est caractérisé en ce qu'on prévoit, d'une part, pour le système de réglage et, d'autre part, pour le sys- tème de protection deux régulateurs de vitesse sensiblement identiques mais indépendants l'un de l'autre et dont l'un est en liaison active avec le ou les distributeurs de réglage tandis que l'autre est en liaison active avec la soupape à fermeture instantanée et en ce que deux dispositifs indépendants pour mesurer la vitesse de rotation effective sont associés à chacun des régulateurs. L'avantage de cette forme de réalisationqui pré- voit, conformément à l'invention, des systèmes identiques pour le dispositif de réglage et le dispositif de protec- tion, réside dans le fait que l'un des régulateurs peut se charger temporairement de la fonction de l'autre, par exemple, lors de la défaillance d'un régulateur. De ce fait il n'est plus nécessaire de prévoir les dispositifs en double même lorsque les exigences de sécurité sont les plus sévères. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, aux dessins annexés. La fig. 1 représente schématiquement un seul cir- cuit de réglage de turbine. La fig. 2 est le schéma d'un circuit permettant de vérifier une soupape à fermeture instantanée pendant le fonctionnement de la turbine. La fig. 3 est le schéma par blocs d'un système sui- vant l'invention comportant un régulateur de vitesse et des régulateurs pour l'arrêt rapide et pour le démarrage. A la fig. 1 la turbine porte la référence 1. Dans le conduit 2 alimentant la turbine 1 en fluide dé travail, par exemple de la vapeur, est (sont) monté (s) le(s) dis- tributeur(s) de réglage 3 qui est (sont) actionné(s) par une commande 6 reliée à un conduit d'huile de réglage 4 et un conduit de liquide hydraulique 5. L'arbre 7 de la turbine 1 porte un disque 8 qui présente sur sa circonfé- rence des rainures ou des dents. Deux sondes de mesure à induction 9, 9' qui déli- vrent à chaque passage d'une dent une impulsion électrique à un régulateur 11, par l'intermédiaire de conducteurs 10, ', sont associées au disque 8. Un courant de commande, par exemple un courant continu couvrant une plaque de 0 a environ 20 mA et provenant d'un régulateur de commande (régulateur à cascades ou dispositif analogue) peut être appliqué au régulateur 11. Grâce-au conducteur 13 il est possible d'appliquer un signal extérieur au régulateur 11, c'est-à-dire que l'arrêt instantané peut également être déclenché de l'ex- térieur, par exemple manuellement ou à partir d'un dis- positif de protection d'un générateur. Le dispositif du régulateur 11, destiné au réglage de la valeur nominale, est désigné par 14; les touches 16, 17, reliées au régulateur Il par lesconducteurs 18 et 19, servent au réglage à distance de la valeur nominale de la vitesse de rotation. Les trois conducteurs 20, 21 et 22 relient le régulateur Il à des appareils indicateurs 23, 24, 25 qui affichent la vitesse de rotation momentanée de la turbine, la valeur nominale réglée et la grandeur du signal de sortie du régulateur. Les sorties 26 à 29 con- duisent vers le verrouillage et la signalisation et trans- mettent les signaux pour l'arrêt n = 0, la vitesse de rotation minimale nmin' la vitesse de rotation maximale nmax et signalent un arrêt instantané n,,* Le conducteur 30 conduisant le signal de sortie du régulateur 11 relie ce dernier à un organe de réglage de pression 31 qui agit en tant que convertisseur élec- tronique-hydraulique et duquel part le conduit de liquide de réglage 4 déjà mentionné. La vitesse de rotation est mesurée par deux sondes à induction magnétique 9, 9'. Le régulateur 11 choisit toujours le signal le plus important parmi les signaux délivrés par les sondes. De ce fait la machine peut con- tinuer à fonctionner sans perturbation même lors d'une défaillance de l'un des canaux de mesure (par exemple coupure de l'un des conducteurs 10, 10'). Pour cette rai- son on a choisi des sondes à effet générateur et quilors d'une perturbation ou d'une défaillancene peuvent déli- vrer que des signaux de plus faible fréquence. Le signal de sortie du régulateur est appliqué sous forme d'un courant compris entre 0 et 20 mA à l'or- gane de réglage de pression 31 qui convertit le signal électrique en une impulsion de pression d'huile qui agit directement sur les éléments de commandedans le cas pré- sent la commande 6,du ou des distributeurs de réglage 3. En tant qu'organe de réglage de pression agis- sant comme convertisseur électro-hydraulique, on peut utiliser, de préférence, l'électro-aimant & noyau plon- geur décrit par le brevet AT 306 171. La pression d'huile commandée par l'organe de réglage 31 est appliquée en tant que grandeur de commande directement aux organes de réglage (commande 6). Un dispositif d'arrêt instantané est inséré dans le système de réglage. Ce dispositif d'arrêt instantané provoquepar l'intermédiaire de l'organe de réglage de pression 31 et en supprimant l'énergie auxiliaire, l'ar- rêt instantané de la turbine dès que l'un des deux canaux de mesure de la valeur effective 10 ou 10' signale une survitesse ou lorsque les deux valeurs effectives présen- tent une variation inadmissible dans le temps ou lorsqu'un canal de valeur effective fait défaut et que la deuxième valeur effective est soumise à un changement temporaire inadmissible. Il est également possible de commander l'ar- rêt instantané de l'extérieur par l'intermédiaire du con- ducteur 13. Grâce à l'utilisation d'un électro-aimant à commande dynamique pour l'organe de réglage de pression 3Ihon peut créer les forces de commande nécessaires sans prévoir de systèmes d'asservissement. De ce fait on peut réduire le temps de réponse de façon importante et les sections d'un diamètre souvent étroit des systèmes de commande préalable n'existent plus et le danger d'encrassement en résultant est supprimé. Le système de réglage comprend un système d'arrêt instantané pouvant être vérifié pendant le fonctionnement de la turbine. Le schéma par blocs de la fig. 2 représente un système de ce type. Un circuit de contr8le 32, 32' est raccordé directement à chacun des conducteurs 10, 10' provenant des deux sondes 9, 9'. Chaque circuit de contr8le comporte un générateur 33, 33' pouvant fournir un train d' impulsions. La fréquence des trains d'impulsions délivrés par les générateurs 33, 33' est fonction de la grandeur de la tension continue qui, en provenant d'un sélecteur de tension 35 équipé d'un commutateur 36, est appliquée aux générateurs d'impulsions 33, 33' par l'intermédiaire des - conducteurs 34, 34'. Lorsque la tension continue présente une valeur maximale, les générateurs délivrent des trains d'impulsions d'une fréquence également maximale. Cette fréquence correspond à la plus grande vitesse de rotation pouvant être traitée et qui est supérieure à la vitesse de rotation à laquelle l'arrêt rapide de la turbine doit s'effectuer. Le commutateur sélecteur 36 ne permet de relier, à chaque fois, que l'un des conducteurs 34, 34'. L'inté- grateur (sélecteur de tension 35) ne peut délivrer une tension continue que si l'élément de blocage (par exemple un élément ET à fonction non), aux deux entrées duquel sont raccordés un circuit de déclenchement 38 et un com- mutateur (commutateur de contr8le 39), délivre un signal correspondant à l'intégrateur (sélecteur de tension 35). Le signal émis par celui des générateurs d'impul- sions 33 ou 33',commandé par la tension continue, est superposé au signal créé par les sondes 9 et 9'. Il n'y a pas d'inversion du convertisseur de mesure sur "sonde? ou "générateur". Les deux conducteurs 10, 10' sont reliés à des convertisseurs de mesure 40, 40' qui fournissent une ten- sion continue et dépendant de la fréquence des trains d'im- pulsions aux étages à valeur limite 41, 41'. Les sorties des deux étages à valeur limite 41, 41' déclenchent,par l'intermédiaire des éléments OU 42 et 43, l'arrêt instan- tané de la turbine en supprimant l'excitation de relais 48. L'arrêt instantané peut également 8tre commandé par un signal extérieur (conducteur 13) ou -par un système de surveillance 45. Le bon fonctionnement du système de sur- veillance peut également être vérifié grâce à la touche de contr8le 47 et à l'élément 46 de blocage ET. - Pour la vérification l'excitation du relais 48 commandant l'arrêt instantané est supprimée lors de l'ap- parition du signal de déclenchement (sortie des étages à valeur limite 41, 41' ou sortie du système de surveillance ). De ce fait l'organe de réglage de pression 31 ne reçoit plus d'énergie auxiliaire et le conducteur de blocage 38 se trouve alimenté en 24 volts.On provoque ainsi le blocage des éléments ET 46 et 37 et la vérification est terminée. Le relais 48 revient alors à sa position initiale. La sortie du circuit comparateur 43 est reliée à un relais 48 commandant l'arrêt instantané et à un relais 49 qui ne sert qu'à des fins d'avertissement et d'indi- cation. Une énergie auxiliaire, par exemple une tension continue de 24 Volts,est appliquée à l'organe de réglage de pression 31 par l'intermédiaire du relais d'arrêt instantané 48. Lorsque le relais 48 est commuté à la position représentée à la fig. 2, la tension continue est coupée et les soupapes 3 se ferment (fermeture instantanée). Comme cela ressort de la fig. 2, chacun des deux canaux de mesure de vitesse comporte un circuit de surveil- lance de la vitesse qui, lorsqu'une valeur limite réglée est atteinte, coupe l'énergie auxiliaire de l'organe de réglage de pression par l'intermédiaire d'un relais. De ce fait l'aimant n'est plus excité et la pression de l'huile pulsée tombe. Les soupapes de réglage de la vapeur se ferment et la turbine est arrêtée. Le relais 49, bran- ché en parallèle, est disponible pour une commande externe. Le système à fermeture instantanée constitue le système de protection le plus important d'une installation à turbine. Pour cette raison il est nécessaire de vérifier à des intervalles réguliers les éléments composant ce système. Le système de réglage décrit permet un contr8le actif de tous les éléments dans chaque phase de service sans exercer une influence quelconque sur la vitesse de rotation de la turbine. A cet effet il est possible de simuler,à l'aide de chacune des sondes de mesureune "vitesse de contrôle" à augmentation progressive. Pendant la vérification le deuxième canal de mesure se charge alors seul du réglage. Le système de protection réagit dès que la vitesse de rotation exigeant l'arrêt instantané - de la turbine est atteinte. Le relais commandant l'arrêt est alors commuté, c'est-à-dire qu'il n'est plus excité, et il coupe l'énergie auxiliaire de l'organe de réglage de pression. Le contact de fermeture du relais 48 signale le déclenchement de l'arrêt instantané. Ensuite-la vitesse de rotation de contr8le est ramenée à zéro, le relais 48 est excité de nouveau et l'organe de réglage de pression reprend sa fonction. L'excitation du relais 48 n'est supprimée qu'au maximum pendant 20 millisecondes ce qui correspond sensi- blement à un cycle de réglage du circuit magnétique de l'organe de réglage de pression 51. On obtient ainsi que la position des soupapes-de réglage de la vapeur ne soit pas modifiée. Le bon fonctionnement des soupapes de réglage peut être vérifié facilement en modifiant légèrement la valeur nominale de la vitesse. On obtient une très grande sécurité et une fiabilité parfaite du fait que la soupape à fermeture instantanée est également équipée d'un régulateur de vitesse. Toutes les unités fonctionnelles (régulateur, or- gane de réglage de pression, commandes de réglage) sont conçues de façon à obtenir l'arrêt de l'installation (comportement "fail-safee") dès que l'énergie auxiliaire (électrique, hydraulique) fait défaut. La fig. 3 représente schématiquement une installation suivant l'invention. La turbine 1, son arbre 7 et le disque transmetteur 8 sont représentés de même façon qu'à la fig. 1. Une machine de travail 50 (notamment un générateur ou un compresseur) est entraînée par la turbine. Dans le conduit d'alimentation en fluide de travail 2 de la turbine sont montées successivement une soupape à fermeture ins- tantanée 51 et une ou plusieurs soupapes de réglage 52. Ces deux soupapes sont actionnées par des mécanismes de commande 53, 54 qui sont reliés, d'une part, ensemble ou parallèlement à une source de liquide hydraulique par l'intermédiaire des conduits 55, d'une vanne de couplage 56, d'un conduit 57 et d'une vanne d'arrêt de secours 58 pouvant être commandée manuellement, et, d'autre part, à un organe de réglage de pression 31 et 31' par un conduit hydraulique de commande 60, 61. Dans le cas d'un arrêt instantané la vanne de couplage dirige le liquide hydrau- lique vers les mécanismes de commande de soupape 53 et 54. Le système représenté à la fig. 3 comporte deux régulateurs tout à fait identiques,à savoir le régulateur d'arrêt instantané 62 et le régulateur de vitesse 63. Chacun de ces deux régulateurs est relié par deux conduc- teurs 10, 10' à chaque fois deux sondes 9, 9'. Un inter- rupteur de secours 65, un dispositif de verrouillage 66 et une commande externe 67 sont reliés aux deux régulateurs 62, 63 au moyen d'un circuit intermédiaire 64 (circuit de combinaison logique). Un dispositif d'indication externe 68 et des dispositifs d'avertissement 69 également externes sont, de plus, raccordés au circuit intermédiaire 64. Chaque organe de réglage de pression 31, 31' peut compor- ter une commande manuelle 31" permettant de l'amener dans sa position de fin de course (position d'ouverture). Chaque régulateur 62, 63 est relié à l'organe de réglage de pression 31 et 31', qui lui est associé, par un conducteur 30, 30' acheminant le signal de sortie. Une combinaison logique 59 entre les deux régulateurs a pour effet de couper les deux systèmes de protection lorsque seulement un système est mis hors circuit. Dans ce cas le transmetteur de valeur nominale des deux régulateurs est commandé de façon à occuper la position zéro. L'alimentation des organes de réglage de pression 31, 31' en énergie électrique auxiliaire (le cas échéant en énergie auxiliaire hydraulique) s'effectue à l'aide des conducteurs (conduits) 70, 71, 71' qui relient une source de courant (source de liquide hydraulique), non représentée, aux organes de réglage de pression 31, 31't par l'intermédiaire du circuit de combinaison logique 64. La soupape à fermeture instantanée 51 est comman- dée de la même manière que la ou les soupapes de réglage 52. Le système suivant la présente invention offre les avantages suivants: démarrage à distance et à vitesse contrôlée par l'intermédiaire du régulateur de démarrage et d'arrêt instantané; fonctionnement avec réglage de secours au moyen du régulateur d'arrêt instantané lors de la défaillance du régulateur de vitesse; par suite de la combinaison logique des signaux d'ar- rêt instantané des deux régulateurs,on obtient une redon- dance quadruple sur le c8té des signaux et une redondance double sur le c8té des organes de réglage. De ce fait on peut renoncer au dispositif de déclenchement mécanique de l'arrêt instantané dont la présence était nécessaire jusqu'à ce joue; les systèmes de déclenchement supplémentaires pour l'arrêt instantané, par exemple le dispositif de protection du générateur, le dispositif de détection de secours et des dispositifs analogues sont intégrés au système suivant l'invention. En conséquence la présente invention concerne un système électronique pour le réglage de la vitesse et pour le déclenchement de l'arrêt instantané d'une turbine, ce système comportant des transmetteurs de la valeur ef- fective, des comparateurs de la valeur nominale et de la valeur effective et des organes de réglage pour les soupapes de réglage de la turbine,et ce système permet une détection multiple de la valeur limite de la vitesse de rotation. Des caractéristiques particulières résident dans le fait qu'un deuxième système de réglage de la vitesse et de déclenchement de l'arrêt instantané, tout à fait iden- tique au premier système, agit sur la soupape de démar- rage (soupape à fermeture instantanée) de la turbine par l'intermédiaire d'un organe de réglage associé et également identique, que ce deuxième système de réglage de vitesse et de déclenchement de l'arrêt instantané ainsi que le premier système peuvent être vérifiés complètement, en ce qui concerne leur bon fonctionnement, pendant le service et sans interrompre ou perturber le fonctionnement de la turbine, que les organes de réglage coupent l'alimentation de la turbine en fluide de travail lorsque l'énergie auxi- liaire fait défaut et/ou que les fonctions de réglage propres peuvent également être assurées par le système de réglage de démarrage. Des systèmes de protection supplémentaires peuvent être intégrés au système suivant l'invention et déclencher également l'arrêt instantané. REVENDICATIONS 1 - Système de réglage et de protection pour turbines qui comporte un ou plusieurs distributeurs de réglage et une soupape à fermeture instantanée prévue dans le conduit d'alimentation de la turbine en fluide de travail, des sondes tachymétriques auxquelles est relié un dispositif de réglage et de protection, commandant les distributeurs ou soupapes, caractérisé en ce qu'on prévoit, d'une part, pour le système de réglage et, d'autre 'part, pour le système de protection deux régulateurs de vitesse sensi- blement identiques mais indépendants l'un de l'autre et dont l'un est en liaison active avec le ou les distri- buteurs de réglage tandis que l'autre est en liaison ac- tive avec la soupape à fermeture instantanée et en ce que deux dispositifs indépendants pour mesurer la vitesse de rotation effective sont associés à chacun des régulateurs. 2 - Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les organes de réglage de pression (31, 31') comportent une commande manuelle permettant d'amener à chaque fois l'une des vannes de commande dans la position de fin de course (position d'ouverture). 3 - Système suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une vanne de couplage (56) est prévue pour couper, lors de l'arrêt instantané, l'énergie auxi- liaire (liquide hydraulique) alimentant la soupape à fermeture instantanée et les soupapes de réglage. 4 - Système suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'organe de réglage de pression (31, 31') sert en même temps d'organe de réglage et d'organe de déclenchement pour l'arrêt instantané, l'arrêt instan- tané s'effectuant par suppression de l'énergie auxiliaire. - Système suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vérification de l'arrêt instan- tané s'effectue sur le côté de déclenchement et sans com- mutation en superposant au signal de la vitesse de rotation un signal de contr8le et en supprimant pendant la vérifi- cation uniquement le signal de la valeur effective par le signal de contr8le superposé tout en conservant la fonc- tion des autres circuits de protection et en interrompant l'alimentation en énergie auxiliaire de l'organe de régla- ge de pression (51 ou 51') et en ce que la vérification est terminée après cette interruption et après rétablis- sement de l'alimentation en énergie auxiliaire. 6 - Système suivant l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce qu'il est intégré, en tant que sys- tème secondaire, dans un dispositif de réglage primaire (régulateur à cascades, régulateur à équivalence et ana- logues), les circuits de réglage primaires pouvant alors être reliés aussi bien au régulateur de la soupape à fermeture instantanée qu'au régulateur de la soupape de réglage; dans ce cas on peut prévoir, par exemple, en amont du régulateur de vitesse un régulateur de vitesse constante et en amont du régulateur de démarrage un autre régulateur destiné à la protection d'autres éléments de l'installation (régulateur de pompe, régulateur de charge pour une chaudière).