Brevet FR2935018A1 — publié le 20100219

Embrayage pour turbines à vapeur et procédé pour désaccoupler une turbine à vapeur d'avec un générateur La présente invention est relative à des systèmes de production d'électricité comprenant de multiples turbines et, plus particulièrement, au couplage de turbines à vapeur à de tels systèmes. Les grands systèmes de générateurs d'électricité emploient deux turbines à vapeur ou plus pour entraîner des générateurs afin de produire de l'électricité. Par exemple, de multiples turbines à vapeur peuvent être reliées par un arbre commun qui entraîne un générateur. Une installation de turbine à deux lignes d'arbres possède deux générateurs ou plus entraînant chacun une ou plusieurs turbines à vapeur. Un système de production d'électricité à turbines à deux lignes d'arbres possède ordinairement un générateur pour la turbine à vapeur à haute pression et intermédiaire et un générateur séparé pour les turbines à vapeur à basse pression. Les charges de demande d'électricité appliquées à des systèmes de générateurs d'électricité varient souvent au cours d'une journée, de semaines et de mois. Il est souhaitable que des systèmes de production d'électricité s'adaptent aux variations des demandes de production d'électricité. En particulier, on a besoin que des systèmes de générateurs d'électricité accouplent et désaccouplent leurs turbines à vapeur en fonction de la demande d'électricité. Un système composé de vannes et d'un embrayage a été mis au point pour désaccoupler et accoupler une ou plusieurs sections de turbines à vapeur par rapport à un système de production d'électricité. Par exemple, le système peut comprendre un embrayage planétaire entre une turbine à vapeur à basse pression et d'autres turbines à vapeur, et des vannes correspondantes pour permettre et arrêter la circulation de vapeur vers la turbine à vapeur à basse pression, selon que l'embrayage accouple ou désaccouple la turbine à vapeur à basse pression. La turbine à vapeur à basse pression peut être désaccouplée pendant que la demande d'électricité de la part du générateur est faible et peut être accouplée quand la demande d'électricité est forte. I1 est proposé un système de production d'électricité comprenant : au moins une turbine à vapeur à pression élevée recevant de la vapeur d'entrée à pression élevée et de la vapeur échappée servant de vapeur à basse pression ; une turbine à vapeur à basse pression recevant de la vapeur à basse pression échappée de la turbine à pression élevée, et un arbre d'entraînement pour la turbine à vapeur à basse pression, en prise avec un embrayage couplé d'une manière appropriée à un générateur d'électricité, l'embrayage ayant une première position dans laquelle l'énergie issue de la turbine à vapeur à basse pression est appliquée au générateur d'électricité et une seconde position dans laquelle l'énergie issue de la turbine à vapeur à basse pression n'est pas appliquée au générateur. L'embrayage peut être un embrayage planétaire. La/les turbines à vapeur à pression élevée peuvent comprendre une turbine à vapeur à haute pression recevant de la vapeur à haute pression et une turbine à vapeur intermédiaire recevant de la vapeur s'échappant de la turbine à vapeur à haute pression, la vapeur s'échappant de la turbine à vapeur intermédiaire étant appliquée en tant que vapeur à basse pression pour la turbine à vapeur à basse pression. Le système de production d'électricité peut comprendre en outre une première vanne de vapeur à basse pression dans un conduit pour de la vapeur à basse pression s'écoulant vers la turbine à vapeur à basse pression et une deuxième vanne de vapeur à basse pression dans un conduit pour de la vapeur à basse pression s'écoulant vers un dispositif d'extraction de vapeur vive, la première vanne de vapeur à basse pression étant ouverte pendant que la deuxième vanne de vapeur à basse pression est fermée, et la première vanne de vapeur à basse pression étant fermée pendant que la deuxième vanne de vapeur à basse pression est ouverte. La première vanne peut être une vanne d'isolement. Il a été mis au point un système de production d'électricité comprenant : une turbine à vapeur à haute pression recevant de la vapeur à haute pression et rejetant de la vapeur à pression intermédiaire ; une turbine à vapeur intermédiaire recevant de la vapeur échappée de la turbine à vapeur à haute pression et rejetant de la vapeur à basse pression ; une turbine à vapeur à basse pression recevant de la vapeur à basse pression échappée de la turbine à vapeur intermédiaire, et un arbre d'entraînement pour la turbine à vapeur à basse pression, en prise avec un embrayage, et l'embrayage étant couplé d'une manière libérable à un générateur d'électricité, l'embrayage ayant une première position dans laquelle la puissance issue de la turbine à vapeur à basse pression est appliquée au générateur d'électricité et une seconde position dans laquelle la puissance issue de la turbine à vapeur à basse pression n'est pas appliquée au générateur. Il a été mis au point un procédé de production d'électricité utilisant un générateur, une turbine à vapeur à pression élevée, une turbine à vapeur à basse pression et un embrayage couplé à un arbre d'entraînement de la turbine à vapeur à basse pression, le procédé comprenant : l'application de vapeur à basse pression à la turbine à vapeur à basse pression ; l'entraînement du générateur par la turbine à vapeur à basse pression pendant que l'embrayage est fermé, et l'ouverture de l'embrayage pour désaccoupler la turbine à vapeur à basse pression d'avec le générateur. Le procédé peut comprendre en outre la fermeture d'une première vanne afin de mettre fin à l'application de vapeur à basse pression à la turbine à vapeur à basse pression et l'ouverture d'une deuxième vanne pour diriger de la vapeur à basse pression vers un dispositif d'extraction de vapeur vive, la première vanne étant fermée et la deuxième vanne étant ouverte pendant que l'embrayage est ouvert. Dans le procédé, la turbine à vapeur à basse pression peut être une première turbine à vapeur à basse pression et le procédé comprend en outre : l'application de vapeur à basse pression à la seconde turbine à vapeur à basse pression pendant l'application de la vapeur à basse pression à la première turbine à vapeur à basse pression ; l'entraînement du générateur par la seconde turbine à vapeur à basse pression en plus de l'entraînement du générateur par la première turbine à vapeur à basse pression, et la poursuite de l'entraînement du générateur par la seconde turbine à vapeur à basse pression, pendant que l'embrayage est ouvert. En outre, l'ouverture de l'embrayage peut désaccoupler un arbre d'entraînement pour la première turbine à vapeur à basse pression d'avec un arbre d'entraînement pour la seconde turbine à vapeur à basse pression. 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 figure 1 est une représentation schématique d'un système de production d'électricité comprenant des turbines à vapeur ayant un couplage par embrayage ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un autre système de production d'électricité similaire au système de production d'électricité représenté sur la figure 1, à cette différence près que l'autre système a une seule paire de turbines à vapeur à basse pression ; et - la figure 3 est une représentation schématique d'un système de production d'électricité à deux lignes d'arbres ayant un ou plusieurs premiers arbres d'entraînement avec une turbine à vapeur à haute pression et une turbine à vapeur à pression intermédiaire qui entraînent conjointement un premier générateur, et un ou plusieurs seconds arbres d'entraînement avec des turbines à vapeur à basse pression qui entraînent un second générateur, au moins une des turbines à vapeur à basse pression étant couplée par un embrayage au(x) second(s) arbre(s) d'entraînement. La figure 1 est une représentation schématique d'un système de production d'électricité 10 comprenant un générateur 12 d'électricité fournissant de l'électricité à une charge telle qu'une compagnie d'électricité ou un réseau d'alimentation. Le générateur tourne sous l'action d'une série de turbines à vapeur comprenant une turbine à vapeur à haute pression (HP) 14, une turbine à vapeur à pression intermédiaire (IP) 16, une première paire de turbines à vapeur à basse pression (LPA) 18 et une seconde paire de turbines à vapeur à basse pression (LPB) 20. Le générateur et les turbines à vapeur sont reliés le long d'un ensemble 22 d'arbres d'entraînement communs, pouvant être constitué de deux ou plus de deux arbres d'entraînement coaxiaux couplés les uns aux autres. De la vapeur à haute pression, par exemple 17 240 kPa (2500 psi) à une température de 566°C (1050°F) issue d'une chaudière 26 est acheminée jusqu'à l'entrée de la turbine à vapeur à haute pression. Les aubes mobiles (ailettes) de réaction et les passages pour vapeur dans la turbine à vapeur à haute pression ont tendance à être petits en comparaison des aubes mobiles de réaction et des passages de vapeur présents dans la turbine à vapeur intermédiaire. Les aubes mobiles de réaction et les passages pour vapeur dans la turbine à vapeur à basse pression ont tendance à être plus grands que ceux présents dans la turbine à vapeur intermédiaire. La vapeur s'échappant de la turbine à haute pression passe par un réchauffeur 28, par exemple, pour être réchauffée jusqu'à 566°C, et s'écoule jusqu'à la turbine à vapeur à pression intermédiaire. De la vapeur à basse pression, par exemple inférieure à 4825 kPa (700 psi) et de préférence égale ou inférieure à 1380 kPa (200 psi) et à 370°C (700°F), est acheminée jusqu'aux turbines à vapeur à basse pression 18, 20, via un conduit 30 de vapeur à basse pression, depuis la turbine à vapeur à pression intermédiaire 16. Un embrayage planétaire 24 couple les arbres d'entraînement de la paire de turbines à basse pression (LPA, LPB) 18, 20. L'embrayage planétaire permet à la seconde paire de turbines à basse pression (LPB) d'être désaccouplée d'avec la première paire de turbines à basse pression (LPA) 18 et des autres turbines à vapeur et du générateur 12 présents dans le système de production d'électricité 10. Une première vanne 32 de vapeur à basse pression et une vanne d'isolement 34 de vapeur à basse pression présentes dans le conduit 30 peuvent être ouvertes pour permettre à de la vapeur de s'écouler jusqu'à la seconde paire de turbines à vapeur à basse pression 20 et peuvent être fermées pour isoler la vapeur de la seconde paire de turbines à vapeur à basse pression. La vanne d'isolement 34 peut avoir une position d'ouverture et une position de fermeture, et pas de positions intermédiaires. La première vanne de vapeur à basse pression peut avoir des positions d'ouverture et de fermeture et des positions intermédiaires afin de réguler l'écoulement de la vapeur à basse pression dans le conduit 30 et jusqu'à la turbine à vapeur à basse pression. Ces vannes 32, 34 de vapeur à basse pression peuvent être fermées conjointement avec l'ouverture de l'embrayage 24 pour désaccoupler l'arbre d'entraînement de la seconde paire de turbines à vapeur à basse pression d'avec les arbres d'entraînement des autres turbines à vapeur. La seconde paire de turbines à vapeur à basse pression 20 peut être désaccouplée d'avec la charge pendant que la charge est relativement faible et que la puissance issue de la seconde paire de turbines à vapeur n'est pas nécessaire. La figure 2 représente un système de production d'électricité 40 similaire au système de production d'électricité 10, sauf en ce qui concerne les turbines à vapeur à basse pression 42. Le système 40 possède une seule paire de turbines à vapeur à basse pression 42 ayant un arbre d'entraînement 44 couplé à un embrayage planétaire 46 en prise avec l'arbre d'entraînement 22 de la turbine à vapeur à pression intermédiaire 16. Une première vanne 50 régit l'écoulement de vapeur jusqu'à la paire de turbines à vapeur à basse pression 42. Une deuxième vanne 48 dirige de la vapeur vers un processus extérieur 52, pendant que la première vanne est fermée. En fonctionnement, la première vanne est ouverte et la deuxième vanne est fermée quand l'embrayage est fermé pour coupler l'arbre d'entraînement 44 des turbines à vapeur à basse pression 42 afin d'entraîner le générateur 12 en coopération avec la turbine à vapeur à haute pression 14 et la turbine à vapeur à pression intermédiaire 16. Quand la demande exercée par la charge sur le générateur 12 est faible, les turbines à vapeur à basse pression 42 sont désaccouplées par l'ouverture de l'embrayage, la fermeture de la première vanne 50 pour couper l'écoulement de vapeur à basse pression vers les turbines à vapeur à basse pression et l'ouverture de la deuxième vanne 48 pour diriger la vapeur à basse pression vers un dispositif d'extraction 52 de vapeur vive, tel que des conduits de recirculation de vapeur s'étendant à travers une chaudière produisant de la vapeur pour la turbine à vapeur à haute pression ou un autre dispositif chauffé ou entraîné par de la vapeur au voisinage de la turbine à vapeur à basse pression. La figure 3 est une représentation schématique d'un système 60 de production d'électricité à deux lignes d'arbres comprenant un/des premiers arbres d'entraînement 62 avec une turbine à vapeur à haute pression 14 et une turbine à vapeur à pression intermédiaire 16 qui entraînent conjointement un premier générateur 64. Les turbines à vapeur à basse pression comprennent une première paire de turbines à vapeur à basse pression 66 et une seconde paire de turbines à vapeur à basse pression 68 couplées à un/des arbres d'entraînement communs 70 qui entraînent un second générateur 72. Un embrayage planétaire 74 permet à la première paire de turbines à vapeur à basse pression 66 d'être désaccouplées d'avec la seconde paire de turbines à vapeur à basse pression et le générateur. La première paire de turbines à vapeur à basse pression peut être désaccouplée quand aucune charge n'exerce une demande sur le second générateur 72. Conjointement avec le fonctionnement de l'embrayage 74, des vannes sont actionnées pour commander l'écoulement de vapeur à basse pression depuis la turbine à vapeur à pression intermédiaire 16 jusqu'aux turbines à vapeur à basse pression 66, 68 et à un dispositif d'extraction 52 de vapeur vive. Des première et deuxième vannes 76, 78 de vapeur permettent et arrêtent respectivement l'écoulement de vapeur à basse pression vers chacune, respectivement des première et seconde paires de turbines à vapeur à basse pression. Les deux vannes 76, 78 de vapeur sont ouvertes pour permettre l'écoulement de vapeur vers les deux paires de turbines à vapeur à basse pression 66, 68 pendant que l'embrayage est fermé de façon que le/les arbres d'entraînement communs 70 soient couplés les uns aux autres et que les deux paires de turbines à vapeur à basse pression 66, 68 entraînent le second générateur 72. Pour désaccoupler la première paire de turbines à vapeur à basse pression, l'embrayage 74 est ouvert et la première vanne 76 de vapeur est fermée pour isoler la vapeur à basse pression par rapport à la première paire de turbines à vapeur à basse pression 66. Quand la première vanne 76 de vapeur est fermée, la deuxième vanne 78 de vapeur reste ouverte et une troisième vanne 80 de vapeur est ouverte pour diriger la vapeur à basse pression vers le dispositif d'extraction de vapeur vive. L'embrayage et les vannes de vapeur à basse pression décrits ici peuvent être agencés pour désaccoupler les turbines à vapeur à basse pression pendant certaines conditions de fonctionnement, notamment quand la demande exercée par la charge sur le/les générateurs est nettement inférieure à la capacité des turbines à vapeur qui entraînent le/les générateurs. Lorsque la charge est inférieure à la capacité, l'embrayage et les vannes de vapeur à basse pression peuvent être actionnés pour désaccoupler au moins une turbine à vapeur à basse pression d'après le système de production d'électricité. Le rendement du système est accru en permettant à/aux éventuelles turbines à vapeur à basse pression restantes de fonctionner à une plus grande puissance de sortie et donc à une plus grande capacité que si toutes les turbines à vapeur à basse pression étaient accouplées et fonctionnaient au-dessous de leur capacité, et donc à un moindre rendement. La turbine à vapeur désaccouplée peut être mise au ralenti afin d'être prête à être réaccouplée avec le système de production d'électricité lorsque cela est nécessaire, notamment à l'occasion d'une hausse de la demande exercée par la charge. REVENDICATIONS1. Système de production d'électricité (10) comprenant : au moins une turbine à vapeur à pression élevée (14, 16) recevant de la vapeur d'entrée à une pression élevée et rejetant de la vapeur servant de vapeur à basse pression ; une turbine à vapeur à basse pression (20, 42, 66) recevant de la vapeur à basse pression échappée de la turbine à vapeur à pression élevée, et un arbre d'entraînement (22, 70) pour la turbine à vapeur à basse pression en prise avec un embrayage (24, 46, 74) couplé à un générateur (12, 72) d'électricité, l'embrayage ayant une première position dans laquelle la puissance issue de la turbine à vapeur à basse pression est appliquée au générateur d'électricité et une seconde position dans laquelle la puissance issue de la turbine à vapeur à basse pression n'est pas appliquée au générateur. 2. Système de production d'électricité selon la revendication 1, comprenant en outre une première vanne (50) de vapeur à basse pression dans un conduit pour de la vapeur à basse pression s'écoulant jusqu'à la turbine à vapeur à basse pression et une deuxième vanne (48) de vapeur à basse pression dans un conduit pour de la vapeur à basse pression s'écoulant jusqu'à un dispositif d'extraction (52) de vapeur vive, la première vanne de vapeur à basse pression étant ouverte pendant que la deuxième vanne de vapeur à basse pression est fermée, et la première vanne de vapeur à basse pression étant fermée pendant que la deuxième vanne de vapeur à basse pression est ouverte. 3. Système de production d'électricité selon la revendication 1, dans lequel la turbine à vapeur à basse pression comprend une première turbine à vapeur à basse pression (18, 68) et une seconde turbine à vapeur à basse pression (20, 66) et l'embrayage accouple et désaccouple la seconde turbine à vapeur à basse pression avec/d'avec la première turbine à vapeur à basse pression, et la première turbine à vapeur à basse pression est couplée au générateur. 4. Système de production d'électricité selon la revendication 3, comprenant en outre une première vanne (32, 34, 76) de vapeur à basse pression dans un conduit pour la vapeur à basse pression s'écoulant jusqu'à la seconde turbine à vapeur à basse pression, la première vanne de vapeur à basse pression étant ouverte pendant que l'embrayage accouple la seconde turbine à vapeur à basse pression avec la première turbine à vapeur à basse pression, et la première vanne de vapeur à basse pression est fermée pendant que l'embrayage désaccouple la seconde turbine à vapeur à basse pression d'avec la première turbine à vapeur à basse pression. 5. Système de production d'électricité selon la revendication 4, dans lequel la première vanne est une vanne d'isolement (34). 6. Système de production d'électricité selon la revendication 1, dans lequel la/les turbines à vapeur à pression élevée comprend une turbine à vapeur à haute pression (14) recevant de la vapeur à haute pression et une turbine à vapeur intermédiaire (16) recevant de la vapeur échappée de la turbine à vapeur à haute pression, de la vapeur échappée de la turbine à vapeur intermédiaire étant appliquée en tant que vapeur à basse pression à la turbine à vapeur à basse pression. 7. Système de production d'électricité selon la revendication 1, dans lequel l'embrayage (24, 46, 74) est un embrayage planétaire. 8. Système de production d'électricité selon la revendication 1, dans lequel la première position de l'embrayage (24, 46, 74) est une position de fermeture et la seconde position de l'embrayage est une position d'ouverture. 9. Système de production d'électricité (10) comprenant : une turbine à vapeur à haute pression (14) recevant de la vapeur à haute pression et rejetant de la vapeur à une pression intermédiaire ; une turbine à vapeur intermédiaire (16) recevant de la vapeur échappée de la turbine à vapeur à haute pression et rejetant de la vapeur à basse pression ; une turbine à vapeur à basse pression (20, 42, 66) recevant de la vapeur à basse pression échappée de la turbine à vapeur intermédiaire, et un arbre d'entraînement (22, 70) pour la turbine à vapeur à basse pression en prise avec un embrayage (24, 46, 74), l'embrayage étant couplé d'une manière libérable à un générateur (12, 72) d'électricité, l'embrayage ayant une première position dans laquelle la puissance issue de la turbine à vapeur à basse pression est appliquée au générateur d'électricité et une seconde position dans laquelle la puissance issue de la turbine à vapeur à basse pression n'est pas appliquée au générateur. 10. Système de production d'électricité selon la revendication 9, comprenant en outre une première vanne (50) de vapeur à basse pression dans un conduit pour de la vapeur à basse pression s'écoulant jusqu'à la turbine à vapeur à basse pression et une deuxième vanne (48) de vapeur à basse pression dans un conduit pour de la vapeur à basse pression s'écoulant jusqu'à un dispositif d'extraction (52) de vapeur vive, la première vanne de vapeur à basse pression étant ouverte pendant que la deuxième vanne de vapeur à basse pression est fermée, et la première vanne de vapeur à basse pression étant fermée pendant que la deuxième vanne de vapeur à basse pression est ouverte.