Brevet FR2923926A1 — publié le 20090522

B08-4222FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Détection et signalements automatiques de la dégradation d'une pièce interne de turbine. Invention de : TISENCHECK Nicholas EISENZOPF Peter J. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 8 novembre 2007 sous le n° 11/979.774 2 Détection et signalements automatiques de la dégradation d'une pièce interne de turbine. La présente invention est globalement relative à un procédé pour détecter et signaler de manière automatique de fortes dégradations, à évolution lente, d'une pièce interne, qui sont susceptibles de survenir avec le temps à l'intérieur d'un système de moteur à turbine et, plus particulièrement, à un procédé informatisé de contrôle des données paramétriques de fonctionnement d'un système de moteur à turbine avec, en parallèle, un diagnostic continu de l'état de la turbine au cours d'un laps de temps afin de déceler, d'élucider et de signaler de manière précoce et automatique, la dégradation d'une pièce interne de turbine. En ce qui concerne le fonctionnement et l'entretien des turbines à vapeur/à gaz, il est très souhaitable de pouvoir déceler et identifier précocement les symptômes de dégradation de pièces internes afin de programmer et de mener des interventions d'entretien correctif ou préventif. Dans la technique antérieure, on a utilisé des données paramétriques de fonctionnement de turbines pour diagnostiquer certaines anomalies spécifiques du fonctionnement de turbines, qui traduisent la survenance d'un dommage particulier. Cependant, on ne connaît pas de solutions classiques ni de procédés couramment appliqués pour détecter une dégradation progressive de performances susceptible de survenir lentement sur une longue période et/ou pour détecter un effet cumulé d'un ou de plusieurs légers dommages. De plus, on reconnaît pas de solution ni de procédé classique pour diagnostiquer et collecter efficacement de tels dommages et dégradations, qui fournisse aux exploitants des turbines une notification ou une alerte suffisamment précoce pour faciliter la programmation et l'exécution de procédures d'entretien préventif. Durant le fonctionnement d'une turbine à vapeur/à gaz, les aubes mobiles, les joints d'étanchéité, les pièces situés sur le passage de la vapeur et les autres parties/pièces internes subissent une usure et une dégradation continues dues, par exemple, à des causes telles que le dépôt de minéraux durs issus du fluide de refroidissement, les dégâts occasionnés par la pénétration accidentelle de corps étrangers/particules, l'usure provoquée par des faits imprévus, etc. Bien que la plupart des principaux événements modifiant le fonctionnement soient ordinairement évidents et aisément décelés par un exploitant de système de moteur à turbine, de nombreuses dégradations survenant progressivement et graduellement risquent facilement de 3 passer inaperçues. La dégradation continue de pièces interne provoque des changements graduels et progressifs du rendement de conversion et de la puissance de sortie globaux d'une turbine, qui sont susceptibles de ne pas être immédiatement repérables, voire décelables, par un exploitant. De ce fait, un exploitant de turbine ne dispose d'aucun moyen précis pour évaluer l'état des pièces internes d'une turbine jusqu'à ce que ou à moins que la turbine ne soit arrêtée et ouverte en vue d'un examen ou d'une remise en état. Par conséquent, en raison de ce manque d'informations précises concernant l'état instantané de pièces internes résultant d'une dégradation graduelle en cours, l'entretien et la révision de systèmes de moteurs à turbines ne peuvent être programmés ou prévus à des moments qui assureraient une efficacité maximale de ceux-ci. Ainsi, il existe un besoin pour disposer d'un système et d'un procédé capables de contrôler et de détecter en continu des changements progressifs dans les paramètres de fonctionnement d'un système de moteur à turbine, d'identifier de manière automatique dans des paramètres spécifiques des changements significatifs ou importants traduisant une dégradation d'une pièce interne, puis de générer automatiquement un signalement ou une alerte à l'attention d'un exploitant de turbine quand la dégradation atteint un niveau élevé ou significatif prédéterminé. De plus, on a besoin d'un système automatisé de contrôle et de création/notification d'alerte pour détecter la dégradation progressive de pièces internes dans des systèmes de moteurs à turbines, qui permette également une mise en oeuvre et un accès par l'Internet ou via une autre liaison de communications étendue/locale WAN/LAN appropriée. Un procédé et un système pour le contrôle, la détection et le signalement automatiques de la dégradation de pièces intérieures de moteurs à turbines sont proposés pour faciliter une programmation et une exécution plus efficaces de procédures d'entretien planifiées. De plus, il est proposé un procédé informatisé et un programme informatique contenant des instructions exécutables par un ordinateur pour exécuter un processus consistant à fournir précocement à un opérateur de turbine un signalement et une alerte quant à des changements significatifs/importants dans des paramètres de fonctionnement de la turbine qui peuvent induire progressivement des changements au cours d'une période prédéterminée de fonctionnement de la turbine. En particulier, il est proposé un exemple nullement limitatif de mise en oeuvre qui assure un contrôle, une comparaison et une évaluation continus de paramètres de fonctionnement d'une turbine de façon à identifier tout 4 changement progressif significatif/important indiquant la dégradation et/ou l'endommagement cumulé d'une pièce interne et qui génère de manière automatique un signalement ou des alertes quant à des faits ou des tendances à la dégradation qui sont communiqués à un exploitant de turbine. De plus, il est proposé un exemple nullement limitatif de mise en oeuvre qui assure une interaction de l'exploitant avec le système de contrôle et l'accès aux informations par l'intermédiaire d'un pupitre de commande locale sur place de l'exploitant, ou à distance à l'aide d'une interface d'application par navigateur web sur l'Internet ou un autre réseau de communications adéquat. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 est une illustration schématique globale d'un exemple de turbine à vapeur à contre-courant et d'un agencement de système de commande pour celle-ci ; la fig. 2 est un organigramme de processus de haut niveau illustrant un exemple nullement limitatif de processus pour la détection et le signalement automatiques d'une lente dégradation à l'intérieur d'une turbomachine ; et la Fig. 3 est un organigramme détaillé illustrant un exemple de procédé informatisé pour la détection et le signalement automatiques d'une lente dégradation à l'intérieur d'une turbomachine. La Fig. 1 représente une turbine à vapeur à contre-courant classique et un système de commande correspondant. Dans cet exemple d'utilisation, le moteur 100 du système de turbine à vapeur à contre-courant sert à faire tourner un arbre 135 de rotor accouplé avec un générateur 150 pour produire de l'électricité. En service, de la vapeur fournie par un générateur de vapeur (non représenté) est introduite dans un premier sous-ensemble/une première section 101 du moteur 100 à turbine via une conduite d'entrée 105 commandée à l'aide d'une vanne de commande d'admission 115 de vapeur. La vapeur entrant dans la section 101 de turbine se détend et fait tourner l'arbre 135 de rotor avant de sortir par la sortie d'échappement 125. Ordinairement, la vapeur s'échappant par la sortie 125 est renvoyée dans le générateur de vapeur où elle est réchauffée, puis elle est réintroduite dans un second sous-ensemble/une seconde section 102 du moteur 100 à turbine via une conduite d'entrée 110 commandée à l'aide d'une seconde vanne de commande d'admission 120. La vapeur réchauffée introduite dans le second sous-ensemble/la seconde section 102 de turbine se détend à nouveau en communiquant des forces de rotation supplémentaires à l'arbre 135 de rotor avant de sortir par la sortie d'échappement 130 et d'être renvoyée dans un bloc condenseur (non représenté). 5 L'énergie extraite de la vapeur par le moteur 100 à turbine est convertie en énergie électrique par le générateur 150 accouplé avec l'arbre 135 de rotor de turbine. D'une manière classique, l'arbre 135 de rotor de turbine est maintenu en place par un ensemble 190 de paliers de butée à charge axiale. Pendant le fonctionnement de la turbine, divers paramètres de fonctionnement sont contrôlés et enregistrés. Par exemple, en référence à la Fig. 1, la température de la vapeur peut être contrôlée par des capteurs de température 160, 170 et 185, la pression de la vapeur peut être contrôlée par des capteurs de pression 165, 155 et 180, et la puissance de sortie produite peut être contrôlée à la sortie du générateur électrique 150. La température des paliers de butée 190 peut aussi être contrôlée par un capteur de température 195 et une charge exercée sur les paliers peut être contrôlée par un capteur 200 de charge de paliers de butée. Comme représenté sur la Fig. 1, un ordinateur local de commande 140 de système de turbine sert à contrôler les instruments de la turbine et à commander le fonctionnement de la turbine. D'une manière classique, l'ordinateur de commande 140 commande le fonctionnement des vannes 115, 120 pour réguler le régime de production d'électricité du générateur 150. L'ordinateur de commande 140 coopère avec les vannes 115, 120, les capteurs de pression 155, 165, 180, 195 et est conçu pour produire des signaux de commande afin de commander une position de fonctionnement des vannes d'admission 115 et 120 de vapeur. L'ordinateur de commande 140 est aussi conçu pour contrôler des signaux de pression de vapeur fournis par les capteurs de pression 155, 165, 180 de vapeur et est conçu pour calculer et commander des pressions de vapeur dans les conduites 105 et 110 d'après les signaux de pression contrôlés. De plus, l'ordinateur de commande 140 peut être conçu pour contrôler la force axiale exercée par l'arbre 135 de rotor contre le palier de butée 190, fournie par le capteur de pression 195. L'ordinateur de commande 140 de turbine comprend une interface homme-machine pour commander le fonctionnement du système de turbine 100. L'interface homme-machine présente peut être d'une forme ou d'un type variable, mais comprend ordinairement un tableau de commande et une interface opérateur/un écran d'affichage 145 qui constitue un centre de commande primaire pour le système de moteur à turbine et de 6 production d'électricité. Dans l'exemple nullement limitatif de mise en oeuvre décrit ici, l'ordinateur 140 est conçu pour contrôler en continu des données paramétriques de fonctionnement de turbine fournies par les capteurs précités et/ou d'autres instruments. L'ordinateur 140 est également couplé à un réseau de communications étendu/local WAN/LAN privé ou à l'Internet et est conçu pour être accessible par l'intermédiaire d'une application de navigateur Web classique afin de communiquer la situation de fonctionnement et des données de détection à un lieu ou un servant distant. Sur la Fig. 2, un organigramme de processus de haut niveau présente une vue générale des grandes lignes d'un exemple nullement limitatif de processus pour exécuter une détection et un signalement automatiques de la dégradation progressive d'une pièce interne de turbine. Une fois qu'une turbine à vapeur est mise en service, comme indiqué par l'étape 200, les conditions et paramètres de fonctionnement sont contrôlés et enregistrés en continu par une pluralité de capteurs, comme indiqué au bloc 205. Les paramètres de fonctionnement de turbine contrôlés sont comparés en continu avec des valeurs de paramètres de fonctionnement antérieurement enregistrées au cours d'une période prédéterminée avec le même système de turbine/la même machine fonctionnant dans les mêmes conditions de fonctionnement. Pendant le fonctionnement, il est déterminé, comme indiqué au bloc 210, si les paramètres contrôlés présentent ou non des différences importantes ou significatives par rapport aux paramètres antérieurement contrôlés et enregistrés. S'il est détecté des différences importantes ou significatives ou une tendance dans les changements des paramètres enregistrés et si cela révèle une dégradation de performances ou une dégradation d'une pièce interne de la turbine, il est procédé à une analyse visant à identifier les pièces/le sous système les plus probables de la turbine qui souffrent de la dégradation, et une alerte ou un signalement est noté et fourni ou rendu accessible à l'exploitant du système de turbine, comme indiqué au bloc 215. Un signalement peut être communiqué par l'ordinateur 140 (Fig. 1) via l'Internet ou via une infrastructure de communications privée à réseau étendu/local, selon le cas approprié. Par exemple, le signalement peut s'effectuer en envoyant ou en adressant un message classique du type courriel à une adresse d'un destinataire prédéterminé et/ou le signalement peut être fourni à un serveur sécurisé qui gère les informations sur le fonctionnement de la turbine et assure un accès électronique, par l'intermédiaire d'un navigateur web classique ou d'une autre application d'interfaçage, pour un exploitant de turbine ou d'autres utilisateurs habilités, aux 7 informations sur le fonctionnement de la turbine, telles que des notifications d'alertes du système, les conditions de fonctionnement de la turbine, des données paramétriques et un historique concernant le fonctionnement, et d'autres informations sur le fonctionnement. Considérant maintenant la Fig. 3, il y est présenté un organigramme plus détaillé illustrant des exemples nullement limitatifs d'opérations exécutées par un ordinateur de commande pour la détection et le signalement automatiques de la dégradation, à évolution lente, d'une pièce interne de la turbine. Comme indiqué plus haut, un aspect avantageux de l'exemple de procédé ci-après consiste en ce que le propriétaire/l'exploitant du système de turbine est avisé de la cause et de l'ampleur de la dégradation des performances et de l'usure de la pièce de la turbine et de l'endommagement cumulé à évolution lente de la pièce dès que l'usure ou l'endommagement devient significatif et longtemps avant que l'usure ou l'endommagement n'occasionne une panne systémique. Lors de l'étape 300, l'ordinateur de commande 140 contrôle divers paramètres de fonctionnement du moteur à turbine pendant son fonctionnement, comme la température des paliers de butée, la pression de la vapeur, la puissance de sortie de la turbine, la température de la vapeur, la charge sur les paliers de butée, etc. Comme indiqué lors de l'étape 235 de prise de décision, l'ordinateur de commande 140 détermine si, oui ou non, l'un quelconque des paramètres contrôlés a changé pour un point/état donné prédéterminé de fonctionnement de la turbine. Dans l'affirmative, les paramètres de fonctionnement sont comparés avec des valeurs passées pour les mêmes paramètres, comme indiqué dans le bloc 310, et une détermination est faite pour savoir quelle partie ou pièce de la turbine est la plus susceptible de provoquer le changement de paramètres, comme indiqué dans le bloc 315. Comme indiqué dans le bloc 320, si la comparaison avec des valeurs passées de paramètres de fonctionnement fait apparaître que les changements présents dans les valeurs des paramètres sont significatifs et justifient des recherches plus poussées, une alerte ou un signalement est alors fourni sur une interface d'affichage 143 de l'exploitant (Fig. 1) et/ou est envoyé à un serveur sécurisé distant qui gère les informations concernant le fonctionnement de la turbine et permet un accès électronique à ces informations, comme décrit plus haut. Si les changements détectés dans les paramètres de fonctionnement sont inférieurs à une différence importante/significative prédéterminée ou se situent dans une marge d'erreur de mesure prédéterminée, les changements détectés sont notés en 8 vue d'une future analyse de tendance et le contrôle des paramètres se poursuit comme indiqué dans le bloc 300. Comme indiqué dans le bloc de décision 305, si la production d'électricité de la turbine n'a pas changé pour une condition de fonctionnement donnée, d'autres paramètres de fonctionnement tels que la température de la vapeur et/ou la température des paliers et/ou la charge exercée sur les paliers sont alors vérifiés afin de déterminer ce qui a changé pour une condition de fonctionnement donnée, comme indiqué dans le bloc 375. Si, dans le bloc 320, il a été déterminé que ces changements sont suffisamment importants ou significatifs pour justifier de nouvelles recherches, l'exploitant de la turbine est alors immédiatement averti par l'intermédiaire d'une interface d'affichage 145 (Fig. 1). L'effet technique de l'exemple nullement limitatif de mise en oeuvre décrit ci-dessus est un système automatique pour contrôler, détecter et signaler des changements significatifs/importants dans des paramètres de fonctionnement d'un moteur à turbine, qui apparaissent ou s'additionnent progressivement au cours d'une longue période et qui indiquent une dégradation d'une pièce à l'intérieur de la turbine pour fournir de manière précoce à un exploitant de moteur à turbine une notification et/ou un signalement de la dégradation, de façon à faciliter la planification et l'exécution d'interventions d'entretien. Comme décrit ci-dessus, une mise en oeuvre de l'invention peut se faire sous la forme de processus et de dispositifs informatiques pour appliquer ces processus. Une mise en oeuvre de l'invention peut aussi se faire sous la forme d'un code de programme informatique contenant des instructions exécutés sur des supports physiques tels que des disquettes, des CD-ROM, des disques durs ou tout autre support de stockage lisible par un ordinateur, auquel cas, lorsque le code de programme informatique est chargé dans et exécuté par un ordinateur, l'ordinateur devient un dispositif pour appliquer l'invention revendiquée. Une mise en oeuvre de l'invention peut également se faire, par exemple, sous la forme d'un code de programme informatique, que celui-ci soit stocké dans un support de stockage, chargé dans et/ou exécuté par un ordinateur, ou transmis par l'intermédiaire d'un moyen de transmission, notamment par des fils ou câbles électriques, via des fibres optiques ou par rayonnement électromagnétique, auquel cas, lorsque le code de programme informatique est chargé dans et/ou exécuté par un ordinateur, l'ordinateur devient un dispositif pour appliquer l'invention revendiquée. En cas de mise en oeuvre dans un microprocesseur universel, les segments du code de 9 programme informatique configurent le microprocesseur pour créer des circuits logiques spécifiques (c'est-à-dire un ensemble de circuits logiques programmés). La description rédigée se sert, pour décrire l'invention, d'exemples dont le meilleur mode, ainsi que pour permettre à toute personne connaissant bien la technique d'appliquer l'invention, notamment en élaborant et utilisant tout dispositif ou système et en exécutant tout procédé inclus. Le cadre brevetable de l'invention est défini par les revendications, et peut couvrir d'autres exemples qui apparaîtront aux spécialistes de la technique. Il est entendu que ces autres exemples entrent dans le cadre des revendications s'ils ont des éléments constitutifs qui ne diffèrent pas de la formulation des revendications, ou s'ils comprennent des éléments constitutifs équivalents présentant des différences mineures par rapport à la formulation des revendications. 20 LISTE DES REPERES Moteur du système 100 Arbre de rotor 135 Générateur 150 Sous-ensemble/section 101 Moteur à turbine 100 Conduite d'entrée 105 Section de turbine 101 Sortie d'échappement 125 Sous-ensemble/section 102 Conduite d'entrée 110 Vanne de commande 120 Sortie d'échappement 130 Ensemble de paliers de butée 190 Capteurs de température 160, 170 et 185 Capteurs de pression 165, 166 et 180 Capteur de température 195 Capteur de charge 200 Ordinateur de commande 140 Vannes 115 et 120 Capteurs de pression 155, 165, 180 et 195 Conduites 105 et 110 Système de turbine 100 Interface/écran d'affichage 145 Ordinateur 140 Etape 200 Bloc 205 Bloc 210 Bloc 215 Etape 300 Etape 305 Etape 310 REVENDICATIONS 1. Système permettant la détection et le signalement de la dégradation d'une pièce survenant, avec le temps, à l'intérieur d'un système de production d'électricité d'un moteur à turbine, le système de turbine (100) comprenant un ordinateur de commande (140) et un support de stockage lisible par un ordinateur dans lequel sont stockées des instructions d'un programme informatique (Fig. 3) exécutables par ledit ordinateur de commande, les instructions du programme informatique amenant ledit ordinateur de commande du système de production d'électricité du moteur de turbine à: contrôler et enregistrer un ou plusieurs paramètres de fonctionnement de turbine (300) au cours d'une période prédéterminée ; comparer des valeurs présentes de paramètres de fonctionnement (310) avec des valeurs de paramètres précédemment enregistrées et identifier le paramètre de fonctionnement qui a subi un grand changement de valeur ; et générer une notification d'alerte (330) concernant le paramètre de fonctionnement identifié comme ayant subi un grand changement. 2. Système de production d'électricité de moteur de turbine selon la revendication 1, dans lequel lesdites instruction de programme informatique (305) amènent en outre ledit ordinateur de commande à déterminer si, oui ou non, la puissance électrique de sortie de la turbine a changé dans une mesure prédéterminée au cours d'une période prédéterminée pour une condition prédéterminée de fonctionnement de la turbine. 3. Système de production d'électricité de moteur de turbine selon la revendication 1, dans lequel lesdits paramètres de fonctionnement de turbine (301) comprennent la pression de la vapeur et/ou la température des paliers de poussée et/ou la charge exercée sur les paliers de poussée et/ou la puissance électrique de sortie 4. Système de production d'électricité de moteur de turbine selon la revendication 1, dans lequel ledit ordinateur de commande est couplé à l'Internet ou à un réseau de communications privé étendu ou local et lesdites instructions de programme informatique permettent audit ordinateur de commande d'être accessible 13 à distance via un navigateur Web classique pour communiquer ladite notification et/ou d'autres informations sur le fonctionnement du système de turbine. 5. Système de production d'électricité de moteur de turbine selon la revendication 1, dans lequel ledit ordinateur de commande est couplé à l'Internet ou à un réseau de communications privé étendu ou local et lesdites instructions de programme informatique amènent en outre ledit ordinateur de commande à communiquer ladite notification à un serveur sécurisé qui gère des informations sur le fonctionnement de la turbine et qui assure un accès électronique auxdites informations via un navigateur Web classique. 6. procédé pour la détection automatique d'une dégradation à l'intérieur d'une turbine (100), comprenant : le contrôle et l'enregistrement d'un ou de plusieurs paramètres de fonctionnement de turbine (300) pour un point de fonctionnement particulier au cours d'une période prédéterminée du fonctionnement de la turbine ; la comparaison de valeurs récentes de paramètres contrôlés du fonctionnement de la turbine (310) avec des valeurs précédemment observées de paramètres de commande qui ont subi un grand changement (320) ; et la production d'une notification d'alerte (330) si un paramètre de fonctionnement est identifié comme ayant subi un grand changement traduisant une dégradation d'une pièce interne. 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant en outre des étapes de : détermination de ce que, oui ou non, la puissance électrique de sortie (150) du système de turbine (100) a changé dans une mesure prédéterminée au cours d'une période prédéterminée de fonctionnement du système de turbine (305), et de production d'une notification d'alerte (330) si la puissance électrique de sortie du système de turbine a changé dans ladite mesure prédéterminée au cours de ladite période prédéterminée de fonctionnement du système de turbine. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel lesdits paramètres de fonctionnement de turbine (300) comprennent la pression de la vapeur et/ou la température des paliers de butée et/ou la charge exercée sur les paliers de butée et/ou la puissance électrique de sortie. 14 9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ladite notification est communiquée par connexion Internet à un destinataire prédéterminé. 10. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ladite notification est fournie à un serveur sécurisé qui gère des informations sur le fonctionnement de la turbine et assure un accès électronique par l'intermédiaire d'un navigateur Web classique.