Brevet FR2560636A1 — publié le 19850906

Corps de turbine pour chauffage urbain La présente invention a trait à un corps MP ou HP d'une turbine destinée à la production combinée d'énergie et de chaleur pour chauffage urbain comportant des aubages portés par un rotor tournant à l'intérieur d'un stator, une admission de vapeur à l'entrée, deux échappements à des pressions différentes P1 et P2 (P2 > Pl) alimentant une partie B.P. de la turbine et deux échappements aux pressions P1 et P2 pour alimenter deux échangeurs de chauffage urbain en série fournissant chacun sensi- blement la moitié de la puissance de chauffage. Un tel corps de turbine est décrit dans l'article de Helmut MUHLHAUSER "turbines à vapeur dans les centrales de chauffage urbain classiques" revue Brown Boveri 1977, no 9, p.536 à 549 (voir notamment fig.12 g, 21, 22). Dans la turbine connue le corps de turbine M.P est dissymétrique et à double flux et le débit de vapeur est divisé en deux dès l'entrée du corps M.P et à la sortie de ce corps chaque écoulement est à pression différente. Il y a indépendance entre les deux écoulements partiels de vapeur jusqu'au condenseur relié à la sortie de la partie B.?. Grace à des vannes papillons disposées sur les échappements ali- mentant la partie B.P. et à des by-pass de réglage disposés en parallèle sur les circuits d'eau des échangeurs, la répartition de vapeur entre l'alimentation de la partie B.P. et celles des échangeurs est réglée automatiquement pour que chaque échangeur fournisse la même quantité de puissance et que l'eau après avoir traversé les deux échangeurs ait la température voulue. Il est en effet important pour le rendement que chaque échangeur fournisse sensiblement la même puissance à l'eau du chauffage urbain. Le rendement obtenu grace au corps de turbine connu est bon. Mais une amélioration même faible du rendement quand on tient compte de toute la vie de la machine conduit à une économie d'énergie importante. Le corps de turbine selon l'invention permettant d'améliorer le rendement est caractérisé en ce que qu'il possède à partir de son admis- sion de vapeur un simple flux qui se dédouble en deux flux partiels recevant des débits de vapeur sensiblement égaux, ledit point - 2 - de dédoublement étant choisi suffisamment loin des échappements à la pression P2 pour que les variations de débits aient peu ou pas d'influence sur la pression de vapeur audit point de dédoublement. Le rendement du corps de turbine selon l'invention est meilleur que celui de l'état de la technique parce qu'une partie de la circulation de vapeur est en simple flux. On choisira de préférence le point de dédoublement tel que lorsque la pression d'admission est égale à sa valeur nominale, la pression au point de dédoublement est supérieure à 18 fois la pression de satura- x tion correspondant à la température nominale de l'eau fournie au chauf- fage urbain, x étant le rapport de la puissance thermique minimale de chauffage à sa valeur maximale en contrepression. Pour faciliter la construction du corps de turbine et équilibrer les poussées on monte le corps de façon que les directions axiales suivies par la vapeur dans les deux flux partiels soient opposées. La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la des- cription qui va suivre dans laquelle - la figure 1 représente une turbine selon l'état de la technique, - la figure 2 représente le diagramme de fonctionnement de la turbine connue et de la turbine ayant le corps de turbine selon l'invention, - la figure 3 représente la turbine avec le corps de turbine selon l'invention, - la figure 4 représente une vue détaillée du corps de turbine selon l'invention. La turbine connue telle que représentée à la figure 1 comporte un arbre 1 sur lequel sont montés un corps H.P.2, un corps M.P.3, un corps B.P.4 et un alternateur 5. Une vanne d'admission de vapeur 6 sert à régler le débit de vapeur admis à l'entrée du corps H.P.2. La vapeur sortant du corps H.P.2 traverse la chaudière 7 o elle est resurchauffée puis est appliquée à l'entrée 8 de l'étage M.P.3. Ce corps M.P.3 est à double flux et les deux demi-flux 9, 10 constituant le corps 3 comportent chacun un nombre d'étages différents. Le demi-flux 9 ayant le plus d'étages fournit à sa sortie de la vapeur à une pression P1 inférieure à la pression P2 de vapeur à la sortie du demi-flux 10. -3- Le corps B.P.4 est à double flux, il est également constitué de deux demi-flux 24 et 25. Le demi-flux 25 a un nombre d'étages inférieur au demi-flux 24. Le demi-flux 9 comporte un premier échappement 12 relié par un conduit 13 muni d'une vanne papillon 14 à l'admission du demi-flux 25 et un second échappement 15 servant à alimenter un premier échangeur de chaleur 16. Le demi-flux 10 comporte un premier échappement 17 relié par un conduit 18 muni d'une vanne papillon 19 à l'admission du demi-flux 24 et un second échappement 20 servant à alimenter un second échangeur 21. Les échangeurs 16 et 21 sont disposés en série et comportent chacun un bypass de réglage 22, 23. L'eau destinée au chauffage urbain entre à une température t1 à l'entrée de l'échangeur 16 d'o elle sort à une température moyenne tm. A la sortie de l'échangeur 21 t1 + t2 elle sort à la température t2 (avec tm - 2 La vapeur aux sorties 26 des deux demiflux 24 et 25 est à la pression du condenseur. Le débit de vapeur dans les demi-flux 9 et 10 est substantiellement le même. L'ouverture des vannes 14 et 19 et celle des by-pass 22, 23 est régléeL autmatiquement pour que t2 ait la valeur t1 + 2 désirée et pour que tm = 2 Les vannes 14 et 19 sont toujours commandées en même temps et les by-pass 22, 23 également, de façon que le débit dans l'échappement 12 soit égal au débit dans l'échappement 17 et que le débit dans l'échap pement 15 soit égal au débit dans l'échappement 20. Le fonctionnement de la turbine peut être représenté sur un schima Qcu' W (voir figure 2) avec W la quantité d'énergie servant à la production d'électricité et Qeu l'énergie servant au chauffage urbain. Quand la chaudière est à sa puissance maximum et que les vannes 14 et 19 sont ouvertes ainsi que les by-pass 22 et 23 toute la vapeur pro- duite sert à la production d'électricité. Soit A ce point de fonction- nement (Qu =0, W = WA). cu La chaudière étant toujours à sa puissance maximum mais les vannes 14 et 19 étant fermées ainsi que les by-pass 22 et 23, la quantité -4 d'énergie maximale est alors utilisée pour le chauffage urbain QB; l'énergie utilisée pour la production d'électricité est alorsWB; ou WB).B soit B ce point de fonctionnement (Qcu =QB' W = WB). On dit alors que la turbine fonctionne en contrepression. Lorsque la chaudière est à sa puissance maximale avec vannes et by- pass ouverts, (pt A), et que l'on commence à fermer les by-pass en maintenant les vannes ouvertes la chaudière restant à sa puissance maximale, on décrit un segment de droite AC du segment AB. En C (Qc' We) les by-pass sont fermées et les vannes 14, 19 sont ouvertes. Si l'on commence à fermer les vannes 14, 19 on décrit le segment CB. Lorsque la puissance de la chaudière est au minimum (P m) on décrit le segment A' B' parallèle à AB avec A' sur OA et B' sur OB. Pour une puissance intermédiaire de la chaudière (Pi) on décrira le segment A"B" parallèle à AB avec A" sur OA et B" sur OB. Les points C' et C" qui correspondent pour la puissance Pm et Pi aux cas o les by-pass sont ouverts et les vannes fermées sont alignés avec le point C. (Pour certaines turbines il est possible que CC" ne rencontre pas A' B' donc qu'il n'y ait pas de point C') Ainsi à l'intérieur du trapèze AA' C'C on règle le point de fonc- tionnement en ouvrant plus ou moins les by-pass et à l'intérieur du trapèze BC C'B' en ouvrant plus ou moins les vannes. La figure 3 représente le m6me schéma que celui de la figure 1 dans lequel on a remplacé le corps MP3 par le corps de turbine 3' selon l'invention. Les références ont été conservées pour désigner les mêmes organes. Ce corps 3' comporte une première partie 27 simple flux dont l'admission 8' est alimentée en vapeur resurchauffée. La sortie de cette première partie 27 alimente une partie double flux 28 constituée de deux demi-flux 29 et 30 dissymétriques. Ce demi-flux 29 ayant plus d'étages que le demi-flux 30. Le demi- flux 29 comporte deux échappements 12' et 15' à pression P1 l'un relié à la vanne 14 l'autre à l'échangeur 16. Le demi-flux 30 comporte deux échappements 17' et 20' l'un relié à la vanne 19 l'autre à l'échan- geur 21. -5- Les échappements 12', 17', 15', 20' sont dans la partie médiane du corps 30. Une conduite 35 relie une sortie de la partie 27 à l'admission du demi-flux 29. A la sortie de la partie 27 le débit de vapeur se divise en deux débits substantiellement égaux l'un alimentant le demi-flux 29 l'autre le demi-flux 30. Une vue détaillée moitié en coupe, moitié en perspective du corps 3' est représentée à la figue 4. Le corps 3' comporte un rotor 31 tournant à l'intérieur d'un sta- tor 32. La partie simple flux 27 du corps 3' alimentée par deux conduites d'admission 8' comporte neuf étapes mobiles 33. Le demi-flux 30 comporte six étages mobiles 34 montés à la suite des étages mobiles 33 de la partie 27 sur le rotor 31. Le débit de vapeur à la sortie des étages 33 se divise en deux parties sensiblement égales une alimentant les étages 34 et une alimen- tant par une conduite 35 l'admission 36 du corps partiel 29. Ce demi-flux 29 comporte sept étages mobiles 37 montés sur le rotor 31. La circulation axiale du fluide dans ce demi-flux est dans une direction opposée à la direction de circulation du fluide dans la partie 27 et dans le demi-flux 30. Les échappements 17' et 12' vers les vannes d'une part et les échappements 15' et 20' alimentant les échangeurs d'autre part sont dis- posés entre les étages 34 et 37. On pourrait en montant en sens inverse le demi-flux 29 avoir le même sens de circulation de la vapeur dans le demi-flux 29 et dans le demi-flux 30 mais il faudrait alors prévoir les échappements 12' et 15' éloignés des échappements 17' et 20' ce qui conduirait à une installa- tion plus compliquée. En appelant po la pression de vapeur à la sortie de la partie 27 lorsque le débit est 100% c'est-à-dire Qcu = i (figure 2), cette pression sera x po0 lorsque le débit sera x % la turbine fonctionnant en contrepression (point de fonctionnement sur OB). On déduit des lois d'écoulement des fluides que la pression P2 à la - 6 sortie du corps partiel 0 est indépendante de la pression à la sortie de la partie 27 lorsque -2 rapport de la puissance thermique minimale de chauffage en contrecom- pression (QB,) à sa valeur maximale (QB) (voir figure 2). Compte tenu du fonctionnement de l'échangeur 21 alimenté par la vapeur à pression P2, cette pression P2 est très voisine de la pression de saturation correspondant à la température nominale t2 de l'eau four- nie au chauffage urbain. Le corps MP représenté sur la figure 4 fait partie d'une turbine pour chauffage urbain produisant une puissance électrique de 255 MW en fonctionnant sur un cycle supercritique 240 bar/540 C/540 C. La pres- sion nominale d'admission MP est de 50 bars et la pression du point de déboublement pO est alors de 10 bars, P1 étant égal à 0,5 bar et P2 à 1,2 bar. La puissance maximale fournie par la chaudière PM est de 550 MW. Cette puissance se décompose selon la formule suivante: PHWQ Q PM = W + Qcu + Qcond + L. Avec W la puissance électrique Qcu puissance fournie au chauffage urbain Q cond puissance fournie au condenseur. L pertes. Lorsque la turbine fonctionne en contre pression ou en condensa- tion les valeurs sont les suivantes: Pm = w + Qcu + Q cond + L - En contrepression: 550 MW = 211 + 320 + 9 + 10 - En condensation: 550 MW = 255 + 0 + 285 + 10. avec QB = 320 MW et QB' = 140 MW, x étant donc égal à 0,44. Le rendement du corps MP selon l'invention est meilleur que le rendement du corps MP selon la figure 1. En effet on sait que le rende- ment d'un étage de turbine dépend de l'allongement des étages. - 7 - Or un flux de vapeur non divisé, permet un meilleur allongement des étages. Pour certaines gammes de turbine à faible puissance sans resur- chauffe les détentes MP et HP peuvent être regroupées dans un même corps. La turbine ne serait alors constituée que d'un corps selon l'in- vention suivie d'une partie B.P. REVENDICATIONS 1/ Corps MP ou HP d'une turbine destinée à la production combinée d'énergie et de chaleur pour chauffage urbain comportant des aubages portés par un rotor (31) tournant à l'intérieur d'un stator (32), une admission de vapeur (8') à l'entrée, deux échappements (12' et 17') à des pressions différentes P1 et P2 (92> P1) alimentant une partie B.P. (4) de la turbine et deux échappements (15', 20') aux pres- sions P1 et P2 alimentant deux échangeurs de chauffage urbain (22, 23) en série fournissant chacun sensiblement la moitié de la puissance de chauffage, caractérisé en ce qu'il possède à partir de son admission de vapeur (8') un simple flux (27) qui se dédouble en deux flux par- tiels (28) recevant des débits de vapeur sensiblement égaux, ledit point de dédoublement étant choisi suffisamment loin des échappements (17', 20') à la pression P2 pour que les variations de débits aient peu ou pas d'influence sur la pression de vapeur audit point de dédoublement. 2/ Corps MP ou HP selon la revendication 1, caractérisé en ce que le point de dédoublement est choisi tel que lorsque la pression d'admission est égale à sa valeur nominale, la pression au point de dédoublement est supérieure à i fois la pression de saturation correspondant à la tem- pérature nominale de l'eau fournie au chauffage urbain, x étant le rapport de la puissance thermique minimale de chauffage à sa valeur maximale en contrepression. 3/ Corps MP ou HP selon l'une des revendications précédentes, caracté- risé en ce que les directions axiales suivies par la vapeur dans les deux flux partiels (28) sont opposées.