Brevet FR2928407A1 — publié le 20090911

B09-0456FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Interface pour centrale électrique Invention de : NAIMBURI Adi Narayana RAO Hayagreeva KV Priorité d'un demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 10 mars 2008 sous le n° 12/045.441 Interface pour centrale électrique La présente invention porte sur une centrale électrique et, plus particulièrement, sur une interface pour centrale électrique. Les turbines à vapeur, en particulier les turbines à vapeur de centrales à cycle combiné (CCC), comprennent une turbine moyenne pression (IP) et une turbine basse pression (LP) réunies par un joint vertical. Une grande partie du flux de fluide au niveau ou à proximité du joint vertical est un flux d'échappement de la turbine IP. Une ou plusieurs buses fournissent de la vapeur LP qui se combine à de la vapeur à haute température échappée d'une autre partie de la centrale électrique par des conduites radiales à proximité du joint vertical. Lorsque peu ou pas de vapeur LP est fournie, la vapeur à haute température échappée domine dans le flux passant dans les buses. La combinaison de vapeur IP d'échappement et de vapeur à haute température échappée crée une répartition circonférentielle non uniforme de la température au niveau du joint vertical, dans les éléments de l'enveloppe, ainsi qu'autour des distributeurs du premier étage de la turbine LP. De fortes variations circonférentielles de la température risquent de provoquer des déformations au niveau du joint vertical. Les déformations au niveau du joint vertical conduisent finalement à des fuites de vapeur, ce qui abaisse le rendement de la turbine. De forts pics de température au niveau du joint vertical ont aussi un effet négatif sur les propriétés de résistance des matériaux des tôles en acier au carbone servant à former le capot de la turbine LP. Une centrale électrique construite selon des exemples de formes de réalisation de la présente invention comprend une première turbine ayant une pluralité d'étages de turbine. La première turbine refoule un premier flux de fluide. Une seconde turbine coopère avec la première turbine. La seconde turbine reçoit le premier flux de fluide issu de la première turbine et un second flux de fluide. Un organe formant interface est monté entre les première et seconde turbines. L'interface comprend une partie formant corps principal ayant une surface intérieure, une partie entrée et une partie sortie qui se combinent pour constituer un trajet d'écoulement de fluide qui s'étend entre les première et seconde turbines. L'interface comprend en outre un élément d'entrée disposé sur le corps principal entre la partie entrée et la partie sortie. L'élément d'entrée comporte un passage d'entrée par lequel le second fluide rejoint le trajet d'écoulement de fluide. L'interface comprend également une plaque déflectrice qui s'étend vers le trajet d'écoulement de fluide. La plaque déflectrice crée un intervalle d'écoulement entre le passage d'entrée et des parties entrée et sortie, ce qui prolonge la durée du séjour du second fluide dans l'interface. Un procédé pour faire fonctionner une centrale électrique est proposé selon un autre exemple de forme de réalisation de la présente invention. Le procédé comprend l'acheminement d'un premier flux de fluide depuis une première turbine jusqu'à un trajet d'écoulement d'un organe formant interface, le guidage d'un second flux de fluide vers le trajet d'écoulement et le passage du second flux de fluide sur une plaque déflectrice disposée dans l'interface. Le procédé nécessite également l'intégration du second flux de fluide dans le premier flux de fluide pour former un flux de fluide combiné et le passage du flux de fluide combiné du trajet d'écoulement à une seconde turbine. Le passage du second flux de fluide sur la plaque déflectrice contribue à réduire la température du second flux de fluide pour établir une température sensiblement uniforme sur le pourtour de l'organe formant interface. Un organe formant interface monté entre les première et seconde turbines d'une centrale électrique est proposé selon encore un autre exemple de forme de réalisation de la présente invention. L'interface comprend une partie formant corps principal ayant une surface interne, une partie entrée et une partie sortie qui se combinent pour former un trajet d'écoulement de fluide qui s'étend entre les première et seconde turbines. L'organe formant interface comprend en outre un élément d'entrée disposé sur le corps principal entre la partie entrée et la partie sortie. L'élément d'entrée comporte un passage d'entrée qui mène au trajet d'écoulement de fluide. L'interface comprend aussi une plaque déflectrice qui s'étend vers le trajet d'écoulement de fluide. Le déflecteur crée un intervalle d'écoulement entre le passage d'entrée et les parties entrée et sortie. 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 vue partielle en coupe d'une centrale électrique à cycle combiné comprenant un organe formant interface construit selon des exemples de formes de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est une vue en perspective de l'organe formant interface de la figure 1; - la figure 3 est une vue partielle en coupe de l'organe formant interface de la figure 1, montrant un déflecteur construit selon un premier exemple de forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 4 est une vue en coupe de l'organe formant interface de la figure 3, prise suivant la ligne 4-4 ; - la figure 5 est une vue partielle en coupe de l'organe formant interface de la figure 1, prise suivant la ligne 3-3, montrant un déflecteur construit selon un deuxième exemple de forme de réalisation de la présente invention ; et - la figure 6 est une vue en coupe de l'organe formant interface de la figure 5, prise suivant la ligne 4-4. Considérant pour commencer la figure 1, il y est représenté une centrale électrique selon un exemple de forme de réalisation de la présente invention, sous la forme d'une centrale électrique à cycle combiné (CCC) désignée globalement par le repère 2. La centrale électrique 2 comprend une première turbine ou turbine moyenne pression (IP) 4 coopérant avec une seconde turbine ou turbine basse pression (LP) 6. La première turbine 4 comprend une enveloppe moulée 9 ayant une partie formant première extrémité 11 qui s'étend jusqu'à une partie formant seconde extrémité 12 via une partie intermédiaire 13 afin de définir un logement intérieur 15. L'enveloppe intérieure 15 renferme une pluralité d'ensembles ou étages rotatifs 17-24 de turbine depuis lesquels passent un premier flux de fluide ou des gaz d'échappement 26. De même, la seconde turbine 6 comprend une enveloppe moulée 30 ayant une partie formant première extrémité 32 qui s'étend jusqu'à une partie formant seconde extrémité 33 via une partie intermédiaire 34 afin de définir un logement intérieur 36. Le logement intérieur 36 renferme une pluralité d'ensembles ou étages rotatifs 38-42 de turbine. La seconde turbine 6 comprend aussi un capot 45 monté sur la partie formant première extrémité 32. Dans l'exemple de forme de réalisation représenté, le capot 45 est constitué d'une pluralité de tôles en acier au carbone (non identifiées séparément). La première turbine 4 coopère avec la seconde turbine 6 par l'intermédiaire d'un joint vertical ou organe formant interface 60. L'interface 60 relie la partie formant seconde extrémité 12 de la première turbine 4 à la partie formant première extrémité 32 de la seconde turbine 6. En réalité, l'interface 60 réunit la partie formant seconde extrémité 12 au capot 45 afin de relier les première et seconde turbines 4 et 6. Comme représenté le plus clairement sur les figures 2 et 3, un organe formant interface 60 comprend une partie formant corps principal 64 pourvu d'une paroi diamétrale extérieure 66 et d'une paroi diamétrale intérieure 67 qui constituent un élément annulaire ayant un pourtour intérieur 69. La partie formant corps principal 64 comporte en outre une première surface intérieure 72 et une seconde surface intérieure 73. En réalité, la première surface intérieure 72 est une surface opposée de la paroi diamétrale extérieure 66 tandis que la seconde surface intérieure 73 est une surface opposée de la paroi diamétrale intérieure 67. Les première et seconde surfaces intérieures 72 et 73 définissent conjointement une partie entrée 78 et une partie sortie 80 réunies par un trajet d'écoulement 85. Les gaz d'échappement de la première turbine 4 passent par la partie entrée 79, circulent sur le trajet d'écoulement 85 et sortent dans la seconde turbine 6 via la partie sortie 80. En plus des gaz d'échappement 26 de la première turbine 4, la seconde turbine 6 reçoit sélectivement un second flux de fluide qui est composé d'un flux de vapeur LP 87 et/ou d'un flux de vapeur à haute température échappée 88 qui sort de garnitures haute pression d'extrémités (non représentées) d'un autre organe de la CCC. La vapeur LP 87 et la vapeur à haute température échappée 88 se combinent avec les gaz d'échappement sur le trajet d'écoulement 85 avant de rejoindre la seconde turbine, comme expliqué plus en détail ci-après. Comme représenté en outre sur les figures 2 et 3, l'interface 60 comprend un premier élément d'entrée 95 ayant une partie formant première extrémité qui s'étend vers d'extérieur depuis la paroi diamétrale 66 jusqu'à une partie formant seconde extrémité 98 via une partie intermédiaire 99. Le premier élément d'entrée 95 comporte un premier passage d'entrée 104 qui s'étend depuis la partie formant seconde extrémité 98 via la partie formant première extrémité 97 et même au passage d'écoulement 85. Dans l'exemple de forme de réalisation représenté, le premier élément d'entrée 95 se réunit à l'interface 60 par une pièce de transition 109 qui conduit jusqu'au trajet d'écoulement 85 la vapeur LP 87 et/ou la vapeur à haute température échappée 88. La pièce de transition 109 comporte une première extrémité 110 qui s'étend depuis la partie formant première extrémité 97 du premier élément d'entrée 95 jusqu'à une seconde extrémité 111 via une partie intermédiaire oblique 112. La seconde extrémité 111 se réunit au corps principal 64 au voisinage immédiat du trajet d'écoulement 85 pour définir une zone d'interface ou un passage de mélange 115. L'organe formant interface 60 comprend également un second élément d'entrée 118 ayant une partie formant première extrémité 121 qui s'étend vers l'extérieur depuis la paroi diamétrale extérieure 66 jusqu'à une partie formant seconde extrémité 122 via une partie intermédiaire 123. Le second élément d'entrée 118 comporte un second passage d'entrée 125 qui s'étend depuis la partie formant seconde extrémité 122 via la partie formant première extrémité 121 et aboutit au passage d'écoulement 85. Comme dans la description faite plus haut, le second élément d'entrée 118 se réunit à l'interface 60 par une pièce de transition 128 qui conduit jusqu'au trajet découlement 85 la vapeur LP 87 et/ou la vapeur à haute température échappée 88. Après combinaison avec la vapeur LP 87, la température de la vapeur à haute température échappée 88 est abaissée de telle sorte que, par mélange avec les gaz d'échappement 26 dans le passage d'écoulement 85, il est produit un flux de fluide combiné ayant une température sensiblement uniforme au niveau de l'interface 60. Plus particulièrement, pendant un fonctionnement à plein régime avec les flux de vapeur LP 87 et de vapeur échappée 88 à des niveaux de pointe, l'interface 60 atteint des pics de température d'environ 333,7°C (640°F), les variations de température circonférentielle n'excédant par environ 5,5°C (10°F). En revanche, lors d'un fonctionnement à un régime autre que le régime de pointe, le flux de vapeur LP 87 est réduit, si bien que le flux passant par les éléments d'entrée 95 et 112 est presque entièrement constitué de vapeur à haute température échappée 88. Sans la vapeur LP 87 à des températures réduites, la vapeur échappée 88 se mélange aux gaz d'échappement 226 pour former un flux combiné à haute température, ce qui donne des températures non uniformes au niveau de l'interface 60. Plus particulièrement, lors d'un fonctionnement en charge partielle, avec la vapeur LP 87 à des niveaux minimaux et la vapeur échappée 88 à des niveaux normaux, l'interface 60 atteint des pics de température d'environ 458,8°C (858°F) avec des variations de température circonférentielle dépassant 40,5°C (73°F). Les fortes variations de température circonférentielle peuvent créer des déformations dans les enveloppes moulées 9 et 30, en limitant de ce fait la durée globale du fonctionnement en charge partielle et l'établissement d'un niveau minimal de fonctionnement en charge partielle. Selon des exemples de formes de réalisation de la présente invention, l'interface 60 comprend une plaque déflectrice 134 qui ralentit l'écoulement de la vapeur à haute température échappée 88 et permettant un temps de séjour plus long dans la pièce de transition 109. Le temps de séjour plus long a pour effet des températures plus basses pour la vapeur échappée 88 en permettant de ce fait un plus long fonctionnement en charge partielle. De plus, grâce à la baisse des températures de la vapeur échappée 88, la CCC 2 peut fonctionner en régime de charge partielle au dessous des niveaux minimaux antérieurs de fonctionnement en charge partielle. Comme représenté le plus clairement sur les figures 3 et 4, la plaque déflectrice 134 comporte une section formant première extrémité 140 qui s'étend jusqu'à une section formant seconde extrémité 141 via une section intermédiaire 142 pour définir une largeur Y1. Comme représenté, la section formant seconde extrémité 141 est espacée du passage de mélange 115 et de la seconde extrémité 111 de la pièce de transition 109 de façon à créer un intervalle d'écoulement 145 ayant une largeur Xl. La plaque déflectrice 134 définit aussi un second intervalle d'écoulement 148 ayant une longueur X2, créé entre la section formant seconde extrémité 141 et la seconde extrémité 111 de la pièce de transition 109. Selon l'exemple de forme de réalisation représenté, la largeur Y1 de la plaque déflectrice 134 varie sur le pourtour de l'interface 60. Plus particulièrement, la largeur Y1 est plus grande au voisinage immédiat des premier et second éléments d'entrée 95 et 118 et plus petite sur d'autres parties du pourtour de l'interface 60. Avec cet agencement, la plaque déflectrice 134 crée une largeur non uniforme Xl pour l'intervalle d'écoulement 145. Ainsi, la largeur Xl de l'intervalle d'écoulement 145 varie sur le pourtour de l'interface. L'allongement du temps de séjour de la vapeur à haute température échappée 88 dans l'interface 60 produit des températures plus basses du flux combiné sur le trajet d'écoulement 85. A ce stade, il doit être entendu que la plaque déflectrice 134 crée un type d'écoulement similaire dans le second élément d'entrée 118. On se reportera maintenant aux figures 5 et 6 pour la description d'une plaque déflectrice 160 construite selon un autre exemple de forme de réalisation de la présente invention. Comme représenté, la plaque déflectrice 160 comporte une section formant première extrémité 162 s'étendant jusqu'à une section formant seconde extrémité 183 via une section intermédiaire 164 pour définir une largeur Y2. Comme représenté, la section formant seconde extrémité 162 est espacée du passage de mélange 115 et de la seconde extrémité 111 de la pièce de transition 198 pour définir un intervalle d'écoulement 114 ayant une largeur X3. La plaque déflectrice 160 définit aussi un second intervalle d'écoulement 175, d'une longueur X4, créé entre la section formant seconde extrémité 162 et la seconde extrémité 111 de la pièce de transition 109. Selon l'exemple de forme de réalisation représenté sur les figures 5 et 6, la largeur Y1 de la plaque déflectrice 160 reste constante sur le pourtour de l'interface 160. Avec cet agencement, la plaque déflectrice 160 crée une largeur uniforme X2 pour l'intervalle d'écoulement 145. Comme indiqué plus haut, l'allongement du temps de séjour de la vapeur à haute température échappée 88 dans l'interface 60 abaisse les températures du flux combiné sur le trajet d'écoulement 85. A ce stade, il doit être entendu que la plaque déflectrice 160 établit un type d'écoulement similaire dans le second élément d'entrée 118. A ce stade, il faut souligner que les exemples de formes de réalisation de la présente invention allongent le temps de séjour de la vapeur à haute température échappée dans l'interface avant son mélange avec le flux issu d'une première turbine ou turbine moyenne pression pour que le mélange soit fourni à une seconde turbine ou turbine basse pression. Du fait de l'allongement du temps séjour de la vapeur à haute température échappée, la centrale électrique à cycle combiné peut être amenée à fonctionner pendant longtemps à un régime de très faible charge partielle sans produire d'effet négatif sur la structure des turbines telle que les enveloppes et les tôles de capots des turbines. LISTE DES REPERES 2 Centrale électrique à cycle combiné (CCP) 4 Première turbine (IP) 6 Seconde turbine (LP) 9 Enveloppe moulée 11 Partie formant première extrémité 12 Partie formant seconde extrémité 13 Partie intermédiaire 15 Logement intérieur 17 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 18 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 19 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 20 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 21 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 22 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 23 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 23 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 24 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 26 Premier flux de fluide 30 Enveloppe moulée 32 Partie formant première extrémité 33 Partie formant seconde extrémité 34 Partie intermédiaire 36 Logement intérieur 38 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 39 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 40 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 41 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 42 Pluralité d'ensembles ou étages rotatifs de turbine 45 Capot 60 Joint vertical ou organe formant interface 64 Partie formant corps principal 66 Paroi diamétrale extérieure 67 Paroi diamétrale intérieure 69 Pourtour intérieur 72 Première surface intérieure (64) 73 Seconde surface intérieure (64) 79 Partie entrée (64) 80 Partie sortie (64) 85 Trajet d'écoulement 87 Vapeur LP 88 Vapeur à haute température échappée 95 Premier élément d'entrée 97 Partie formant première extrémité (95) 98 Partie formant seconde extrémité (95) 99 Partie intermédiaire (95) 104 Premier passage d'entrée (95) 109 Pièce de transition 110 Première extrémité 111 Seconde extrémité 112 Partie intermédiaire oblique 115 Passage de mélange 118 Second élément d'entrée 121 Partie formant première extrémité 122 Partie formant seconde extrémité 123 Partie intermédiaire 125 Second passage d'entrée 128 Pièce de transition 134 Plaque déflectrice 140 Section formant première extrémité 141 Section formant seconde extrémité 142 Section intermédiaire 145 Intervalle d'écoulement de largeur Xl, de longueur X2 148 Second intervalle 160 Plaque déflectrice 162 Section formant première extrémité 163 Section formant seconde extrémité 164 Section intermédiaire 174 Intervalle d'écoulement de largeur Xl, de longueur X2 REVENDICATIONS 1. Centrale électrique (2), comprenant : une première turbine (4) ayant une pluralité d'étages (17-24) de turbine, la première turbine refoulant un premier flux de fluide ; une seconde turbine (6) coopérant avec la première turbine (4), la seconde turbine recevant le premier flux de fluide de la première turbine (4) et un second flux de fluide ; un organe formant interface (60) monté entre les première et seconde turbines (4 et 6), l'interface comprenant une partie formant corps principal (64) ayant une surface intérieure (72), une partie entrée (79) et une partie sortie (80) qui se combinent pour former un trajet (85) d'écoulement de fluide qui s'étend entre les première et seconde turbines, un élément d'entrée (95) disposé sur la partie formant corps principal (64) entre la partie entrée (79) et la partie sortie (80), l'élément d'entrée (95) comportant un passage d'entrée (104) qui conduit le second fluide jusqu'au trajet (85) d'écoulement de fluide, et une plaque déflectrice (134) s'étendant vers le trajet (85) d'écoulement de fluide, la plaque déflectrice (134) créant un intervalle d'écoulement (145) entre le passage d'entrée (104) et les parties entrée et sortie (79 et 80), ce qui allonge le temps de séjour du second fluide dans l'organe formant interface (60). 2. Centrale électrique selon la revendication 1, dans laquelle l'interface (60) est un élément sensiblement annulaire ayant une paroi diamétrale extérieure (66) et une paroi diamétrale intérieure (67) qui créent un pourtour intérieur (69) et la plaque déflectrice (134) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la paroi diamétrale extérieure (66) vers le trajet (85) d'écoulement de fluide. 3. Centrale électrique selon la revendication 1, dans laquelle la plaque déflectrice (134) s'étend autour d'au moins une partie de la surface intérieure (72) de l'interface (60). 4. Centrale électrique (2) selon la revendication 3, dans laquelle la plaque déflectrice (134) comporte une section formant première extrémité (140) qui s'étend depuis la surface intérieure (72) jusqu'à unesection formant seconde extrémité (141) espacée du trajet (85) d'écoulement de fluide pour créer l'intervalle d'écoulement (145). 5. Centrale électrique (2) selon la revendication 4, dans laquelle l'intervalle d'écoulement (145) est un intervalle uniforme s'étendant autour de la partie formant corps principal (64). 6. Centrale électrique (2) selon la revendication 4, dans laquelle l'intervalle d'écoulement est un intervalle non uniforme s'étendant autour de la partie formant corps principal (64). 7. Centrale électrique (2) selon la revendication 4, dans laquelle la section formant seconde extrémité (141) de la plaque déflectrice est espacée de l'interface pour créer un autre intervalle d'écoulement. 8. Centrale électrique (2) selon la revendication 1, dans laquelle la première turbine (4) est une turbine moyenne pression (IP) (6) et la seconde turbine est une turbine basse pression (LP). 9. Centrale électrique (2) selon la revendication 1, dans laquelle la centrale électrique (2) est une centrale électrique à cycle combiné.