Brevet FR2919336A1 — publié le 20090130

B08-2055FR Au nom de : GENERAL ELECTRIC COMPANY Systèmes de turbines et procédés d'utilisation de l'écoulement de fuite interne pour le refroidissement Invention de : HERNANDEZ Nestor GAllILLO Clement BOSS Michael Joseph PARRY William TYLER Karen J. Priorité d'une demande de brevet déposée aux États-Unis d'Amérique le 24 juillet 2007 sous le n 11/782 169 -2-Systèmes de turbines et procédés d'utilisation de l'écoulement de fuite interne pour le refroidissement La présente demande concerne de façon générale des turbines à vapeur et elle concerne plus particulièrement des turbines à vapeur utilisant un écoulement de fuite interne comme écoulement de réchauffage de refroidissement. Les turbines à vapeur sont souvent disposées dans une série de sections à diverses pressions de vapeur de sorte qu'une section à haute pression, une section à pression intermédiaire et une section à basse pression peuvent être disposées l'une à la suite de l'autre. On peut généralement extraire la vapeur du chemin de vapeur de la section à haute pression et l'utiliser en aval comme écoulement de refroidissement. Puisque l'enthalpie de la vapeur extraite du chemin de vapeur peut varier de manière substantielle, il peut être difficile de prédire avec certitude l'enthalpie exacte de la vapeur extraite. De façon spécifique, il peut généralement être nécessaire de prévoir une certaine quantité de refroidissement excessif, par exemple, tel que les températures du passage des roues de la section intermédiaire sont maintenues à l'intérieur d'exigences structurelles. Pour assurer celle-ci, une certaine quantité de refroidissement excessif peut être nécessaire étant donnée l'incertitude du chemin de vapeur. Toutefois, le refroidissement excessif peut provoquer d'autres problèmes structurels tels que la déformation de la coque, des vibrations, l'endommagement de la garniture, etc. Ces problèmes peuvent être dus à des désadaptations excessives de température entre la température de la vapeur de refroidissement et les températures du métal du passage des roues. Il existe un écoulement de fuite s'étendant à travers l'espace compris entre les coques de turbine interne et externe. Cet écoulement comporte l'écoulement de l'anneau de garniture d'extrémité interne et l'écoulement de fuite de bec correspondant. On considère généralement que cet écoulement de fuite est une perte d'énergie dans le système. Dans la mesure où on utilise l'écoulement de fuite, on utilise une telle fuite comme écoulement de refroidissement direct à partir d'une source unique, c'est-à-dire que la température de l'écoulement peut ne pas être réglée. En conséquence, il existe un souhait pour améliorer les systèmes et les procédés de refroidissement. De tels système et procédé améliorés peuvent utiliser de préférence l'écoulement de fuite d'une manière productive et efficace tout en améliorant le rendement du système complet. -3- La présente demande décrit ainsi un système de refroidissement pour une turbine avec une première section et une deuxième section. La première section peut inclure une première ligne pour détourner de la première section un premier écoulement à une première température, une deuxième ligne pour détourner de la première section un deuxième écoulement à une deuxième température inférieure à la première température, et une ligne fusionnée pour diriger vers la deuxième section un écoulement fusionné du premier écoulement et du deuxième écoulement. La demande décrit en outre un procédé de refroidissement d'une section de turbine à pression intermédiaire avec un écoulement de fuite provenant d'une section de turbine à haute pression d'une turbine. Le procédé comporte les étapes consistant à détourner l'écoulement de fuite de la section de turbine à haute pression, combiner l'écoulement de fuite avec un écoulement de réchauffage provenant de la section de turbine à haute pression pour former un écoulement combiné et diriger l'écoulement combiné vers la section de turbine à pression intermédiaire. La présente demande décrit en outre un système de refroidissement pour une turbine avec une section à haute pression et une section à pression intermédiaire. Le système de refroidissement peut inclure une première ligne pour détourner de la section à haute pression un écoulement de fuite, une deuxième ligne pour détourner de la section à haute pression un écoulement de réchauffage, et une ligne fusionnée pour diriger vers la section à pression intermédiaire un écoulement fusionné de l'écoulement de fuite et de l'écoulement de réchauffage. On peut disposer une vanne d'étranglement sur la deuxième ligne de façon à faire varier le débit de l'écoulement de réchauffage de refroidissement. Ces caractéristiques de la présente demande ainsi que d'autres apparaîtront aux hommes de l'art, considérées conjointement avec les dessins et les revendications annexées. La figure 1 est une vue schématique d'une turbine à gaz avec le système de refroidissement comme ici décrit. La figure 2 est une vue schématique d'une turbine à gaz avec un autre mode de réalisation du système de refroidissement comme ici décrit. En se référant maintenant aux dessins, dans lesquels des numéros analogues se réfèrent à des éléments analogues dans l'ensemble des diverses vues, la figure 1 représente un système de turbine 100 comme ici décrit. Le système de turbine 100 peut inclure une section à haute pression ( HP ) 110 et une section intermédiaire ( IP ) 120. On peut également généralement utiliser une section à basse pression ( LP ). La section HP 110 et la section IP 120 peuvent être disposées sur un arbre -4- 130. Le système de turbine 100 comporte également un certain nombre de garnitures de diaphragme 140 pour les divers étages. Les garnitures 140 peuvent avoir des jeux radiaux variables et un nombre variable de dents de garniture. On peut généralement utiliser une ligne froide de réchauffage 150 provenant des étages supérieurs de la section HP 110 vers l'aval, passant par les étages inférieurs. On peut ici utiliser d'autres configurations de turbine. Le système de turbine 100 peut comporter en outre un système de refroidissement IP 160. Le système de refroidissement IP 160 peut inclure une première ligne 170. La première ligne 170 peut être disposée en aval de la section HP 110 et détourner de la section HP le courant de fuite provenant de la fuite entre les coques interne et externe, incluant l'écoulement d'anneau de garniture d'extrémité interne et l'écoulement de fuite de bec correspondant. La première ligne 170 comporte une première vanne 180 disposée sur celle-ci. La première vanne 180 peut être actionnée manuellement. L'ouverture de la vanne peut être déterminée par une plage de pressions désirée autour de la pression froide de réchauffage. La plage peut être d'environ deux pour cent (2%) à environ cinq pour cent (5%). On peut ici utiliser d'autres plages. La première vanne 180 peut empêcher toute vapeur d'échappement provenant de la section HP 110 de refluer entre les coques interne et externe et de provoquer potentiellement une déformation de la coque. La première vanne 180 peut être réglée à la mise en service de l'unité pour fournir un écoulement à une température de refroidissement cible. La vanne 180 peut alors être verrouillée ou réglée ultérieurement. Le système de refroidissement 160 comporte également une deuxième ligne 190. La deuxième ligne 190 peut être associée à la ligne froide de réchauffage 150. La deuxième ligne 190 fournit la vapeur de refroidissement. La deuxième ligne 190 peut inclure une deuxième vanne 200 disposée sur celle-ci. La deuxième vanne 200 peut être une vanne d'étranglement. La deuxième vanne 200 s'ouvre lorsque la température de la vapeur de refroidissement est par exemple, supérieure à environ 925 degrés Fahrenheit (environ 496 degrés Celsius). On peut ici utiliser d'autres températures. L'ouverture de la deuxième vanne 200 peut être déterminée par la température cible de la vapeur de refroidissement. La deuxième vanne 200 peut fournir un débit variable à travers celle-ci. La deuxième vanne 200 évite des températures excessives dans la section IP 120. La première ligne 170 et la deuxième ligne 190 peuvent fusionner en une ligne fusionnée 210 par l'intermédiaire d'une jonction en T ou d'un autre type de raccord. La ligne fusionnée 210 s'étend dans la section IP 120. La ligne fusionnée -5- 210 peut comporter une vanne de ligne fusionnée 220 disposée sur celle-ci. La vanne de ligne fusionnée 220 peut être une vanne actionnée de manière hydraulique pouvant être entièrement ouverte ou fermée. La vanne de ligne fusionnée 220 peut se fermer pour empêcher la vapeur provenant de la section HP 110 de fuir dans la section IP 120 et contribuer à un état de vitesse excessive. La vanne de ligne fusionnée 220 peut s'ouvrir lorsque la charge de la turbine à vapeur est supérieure à environ cinq pour cent (5%) ou équivalent et lorsque la deuxième section (120) dépasse une température prédéterminée, par exemple quand la température arrière chaude et supérieure à environ 1025 degrés Fahrenheit (environ 552 degrés Celsius). On peut ici utiliser d'autres températures. On peut également disposer un orifice d'écoulement 230 sur la ligne fusionnée 210. L'orifice d'écoulement 230 peut mesurer le débit de la vapeur de refroidissement. On peut utiliser une précision d'environ +/-cinq pour cent (5%). On peut ici utiliser d'autres plages. Pendant l'utilisation, la vapeur interne de fuite s'écoule à travers la première ligne 170 tandis que la vapeur du dispositif de refroidissement est fournie par l'intermédiaire de la deuxième ligne 190 depuis la ligne froide de réchauffage 150. La deuxième vanne 200 s'ouvre généralement lorsque la vapeur de refroidissement est à une température suffisante. Les vapeurs fusionnent dans la ligne de fusion 210 dans laquelle la vanne de ligne fusionnée 220 s'ouvre sur la base de la pression et de la température données. On utilise ensuite les courants fusionnés dans la section IP 120 pour diminuer la température du premier passage de roue de l'étage de réchauffage et autre. L'utilisation de la vapeur chaude et du courant du dispositif de refroidissement autorise ainsi une large gamme de températures de refroidissement de façon à réduire le risque de refroidissement excessif tout en augmentant la fiabilité globale de la turbine. Le système de refroidissement 160 a été testé dans un certain nombre de conditions de fonctionnement. Ces conditions comportent une réaction racine de zéro (0) à environ vingt pour cent (20%), des charges de turbine à vapeur d'environ trente pour cent (30%) à environ pleine charge (100%) (en supposant des températures à pleine charge pour le fonctionnement à pression glissante), des chutes de pression du dispositif de réchauffage d'environ cinq pour cent (5%) à environ huit pour cent (8%) des jeux entre buses et garniture d'extrémité d'environ 0,01 à environ 0,08 pouce (environ 0,25 à environ deux (2) millimètres) et des chutes de pression depuis l'extraction locale jusqu'à l'échappement à HP d'environ deux pour cent (2%) à environ cinq pour cent (5%). On considère la conduction thermique et l'impact d'écoulement transversal. On maintient globalement la température du passage de roue au-dessous d'environ 925 Fahrenheit (environ 496 Celsius) avec un écoulement du système de refroidissement d'environ 20 0001bm/hr (environ 9072 kg/h) pour des jeux normaux et environ 30 0001bm/hr (environ 13 608 kg/h) pour des jeux doubles à pleine charge (100%) jusqu'à entre environ 5000 et 10 000 lbm/hr (environ 2268 et 4536 kg/h) pour des jeux normaux et entre environ 10 000 et 15 0001bm/hr (environ 4536 et 6804 kg/h) pour des jeux doubles avec une charge d'environ trente pour cent (30%). On peut ici utiliser d'autres températures et débits. On peut en conséquence régler comme désiré la température de l'écoulement de vapeur de refroidissement entre la vapeur chaude de fuite interne et la vapeur froide de réchauffage. Puisqu'on peut contrôler la température, on peut réduire l'exigence de courant pour refroidissement excessif. De même, on peut ainsi éliminer l'utilisation de l'écoulement de chemin de vapeur. En outre, l'utilisation de l'écoulement de fuite peut améliorer le rendement global du système d'environ 0,35 pour cent ou équivalent. D'autres améliorations sont également possibles. La figure 2 représente un autre système de refroidissement 250. À la place de la ligne froide de réchauffage 150 ou en plus de celle-ci, ce mode de réalisation peut inclure une ligne de fuite de garniture d'extrémité à haute pression 260. La ligne de fuite de garniture d'extrémité à haute pression 260 peut diriger le courant de fuite de garniture d'extrémité dans la deuxième ligne 190 et/ou la ligne fusionnée 210. Le courant de fuite de garniture d'extrémité à haute pression peut également jouer le rôle de source froide de vapeur dans le système 100 dans son ensemble. On peut également utiliser ici d'autres sources. Il apparaîtra que ce qui précède ne concerne que les modes de réalisation préférés de la présente demande et qu'un grand nombre de changements et de modifications peuvent être réalisés sur celle-ci par un homme de l'art sans s'écarter de l'esprit général et de la portée de l'invention. 35 10 15 20 -7 Liste des éléments 100 Système de turbine 110 Section à haute pression ( HP ) 120 Section intermédiaire ( IP ) 130 Arbre 140 Garnitures de diaphragme 150 Ligne froide de réchauffage 160 Système de refroidissement IP 170 Première ligne 180 Première vanne 190 Deuxième ligne 200 Deuxième vanne 210 Ligne fusionnée 220 Vanne de ligne fusionnée 230 Orifice d'écoulement REVENDICATIONS 1. Système de refroidissement (160) pour une turbine (100) avec une première section (110) et une deuxième section (120), comprenant : une première ligne (170) pour détourner de la première section (110) un premier écoulement ; caractérisé en ce que le premier écoulement est à une première température ; une deuxième ligne (190) pour détourner de la première section (110) un deuxième écoulement ; caractérisé en ce que le deuxième écoulement est à une deuxième température inférieure à la première température ; et une ligne fusionnée (210) pour diriger vers la deuxième section (120) un écoulement fusionné du premier écoulement et du deuxième écoulement. 2. Système de refroidissement (160) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première ligne (170) comprend sur celle-ci une première vanne (180) pour empêcher un reflux dans la première section. 3. Système de refroidissement (160) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième ligne (190) comprend sur celle-ci une vanne d'étranglement (200). 4. Système de refroidissement (160) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vanne d'étranglement (200) commence à s'ouvrir lorsque le deuxième écoulement dépasse une température prédéterminée. 5. Système de refroidissement (160) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vanne d'étranglement (200) présente un débit variable à travers celle-ci. 6. Système de refroidissement (160) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne fusionnée (210) comprend une vanne de ligne fusionnée (220). 7. Système de refroidissement (160) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la vanne de ligne fusionnée (220) s'ouvre lorsque la turbine (100) dépasse une charge prédéterminée. 8. Système de refroidissement (160) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la vanne de ligne fusionnée (220) s'ouvre lorsque la deuxième section (120) dépasse une température prédéterminée. 9. Système de refroidissement (160) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la vanne de ligne fusionnée (220) comprend une vanne hydraulique. 10. Procédé de refroidissement d'une section de turbine à pression intermédiaire (120) avec un écoulement de fuite depuis une section de turbine à haute pression (110) d'une turbine (100), comprenant : le détournement de l'écoulement de fuite de la section de turbine à haute pression (110) ; la combinaison de l'écoulement de fuite chaud avec un écoulement de réchauffage froid provenant de la section de turbine à haute pression (110) pour former un écoulement combiné ; et la direction de l'écoulement combiné vers la section de turbine à pression intermédiaire (120).