Brevet FR2933444A1 — publié le 20100108

B09-2061FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Système de fonctionnement de turbine à vapeur et correspondant Invention de : HOFER Douglas C. DIANTONIO Gregory L. PARRY William Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 1er juillet 2008 sous le n° 12/216.196 Système de fonctionnement de turbine à vapeur et procédé correspondant La présente invention est relative au fonctionnement d'une turbine à vapeur utilisant une capacité de réserve de la turbine pour un fonctionnement à de fortes charges. Les grandes turbines à vapeur du type employé dans l'industrie de la production d'électricité sont surdimensionnées afin d'assurer une certaine capacité de charge supplémentaire au-delà de la capacité nominale, un point de fonctionnement couramment appelé "point de garantie". La capacité nominale est exprimée par rapport à la puissance délivrée et, ordinairement, cette condition est atteinte à l'aide d'une ou de plusieurs vannes de commande non complètement ouvertes afin que la capacité supplémentaire soit obtenue en ouvrant complètement les vannes de commande. Si la conception de la turbine est telle que la capacité nominale survient avec les vannes d'admission de vapeur complètement ouvertes, le rendement de la turbine à ce point sera nettement amélioré en ce qui concerne l'utilisation de l'énergie ou le rendement thermique. Cependant, lorsque les vannes de commande sont complètement ouvertes, c'est par des moyens limités que peut être obtenue la capacité de réserve d'une turbine à vapeur. Un premier procédé selon la technique antérieure pour parvenir à un excédent de capacité dans une turbine quand la capacité nominale survient avec les vannes de commande complètement ouvertes consiste à prévoir une vanne de dérivation et, de ce fait, à faire passer de la vapeur supplémentaire en dehors des vannes de commande jusqu'à un étage ultérieur à pression plus basse de la turbine. Ce procédé (utilisé dans le passé) a trois inconvénients. Premièrement, on a jugé nécessaire d'intégrer la vanne by-pass ou de dérivation dans le système de commande de turbine, ce qui a pour conséquence de faire de la vanne de dérivation une vanne de commande supplémentaire qui est fermée d'une manière commandée et coordonnée avec les vannes de commande d'admission. Cela accentue fortement la complexité du système de commande. Deuxièmement, pour répondre aux exigences des réglementations dans l'industrie avec une vanne by-pass ou de dérivation du type à étranglement, il a été nécessaire de prévoir un certain chevauchement entre les vannes de commande et la vanne de dérivation. Autrement dit, il devient nécessaire de commencer à ouvrir la vanne de dérivation avant que les vannes de commande ne soient complètement ouvertes. Cela nuit au rendement de la turbine à sa capacité nominale. Troisièmement, à cause de la faible capacité d'une telle vanne de dérivation, un mouvement alternatif considérable de la vanne est nécessaire pour faire participer la turbine à une commande de fréquence dans le système de production d'électricité auquel elle est couplée. Ce grand mouvement risque d'occasionner une forte usure et d'aboutir à une défaillance prématurée de la vanne. Dans un autre procédé, une vanne by-pass de surcharge est employée pour obtenir une capacité de réserve de la turbine sans changement majeur dans le système de commande de turbine, la vapeur détournée ou dérivée étant réintroduite dans un étage de turbine en aval. Ce procédé est décrit dans le brevet US n° 4 403 476. Dans l'exemple nullement limitatif de forme de réalisation décrit ici, la vapeur fournie par la chaudière et détournée vers la vanne de surcharge additionnelle en amont de la turbine à vapeur est redirigée vers le réchauffeur supérieur plutôt que vers un étage de turbine en aval. Ainsi, selon un premier aspect, la présente invention est relative à un système de fonctionnement de turbine à vapeur comprenant au moins une section haute pression de turbine et une section basse pression ; une ou plusieurs vannes de commande conçues pour admettre de la vapeur passant d'une chaudière à la section haute pression de turbine ; un condenseur conçu pour recevoir de la vapeur refoulée par la section basse pression et pour convertir la vapeur en liquide ; un réchauffeur supérieur conçu pour recevoir du liquide du condenseur et pour chauffer le liquide par échange de chaleur avec la vapeur issue de la section haute pression, et pour renvoyer dans la chaudière le liquide chauffé ; et une vanne by-pass de surcharge pour fournir directement au réchauffeur supérieur de la vapeur dérivée en by-passant la/les vannes de commande. Dans un mode de réalisation, de la vapeur issue de la vanne de surcharge et de la vapeur issue de la section haute pression de turbine peuvent être évacuées dudit réchauffeur supérieur. La vanne de surcharge peut être mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture, par exemple actionnable pas à pas à la manière d'étranglement variable. Dans un mode de réalisation, la vanne de surcharge est actionnable manuellement au gré du personnel d'exploitation. Dans un autre mode de réalisation, la vanne de surcharge est actionnable de manière automatique en réponse à un signal indiquant la charge de la turbine. Selon encore un autre aspect, l'invention est relative à un procédé de fonctionnement de turbine à vapeur délivrant de l'énergie à une charge couplée et apte à recevoir de la vapeur d'une source de production de vapeur, la turbine ayant une ou plusieurs vannes de commande pour commander l'admission de vapeur dans des étages à plus haute pression de la turbine et ayant une vanne by-pass de surcharge montée afin de recevoir de la vapeur de la source de vapeur, le procédé comprenant les étapes de : (a) maintien de la vanne by-pass de surcharge en position de fermeture et simultanément, positionnement piloté des vannes de commande afin d'admettre de la vapeur dans la turbine dans le but de supporter une charge de puissance préalablement choisie ; (b) ouverture au moins partielle de la vanne by-pass de surcharge ; et (c) retour au réchauffeur supérieur de la vapeur passant par la vanne by-pass de surcharge. 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 illustration schématique simplifiée d'une centrale à turbine à vapeur pour la production d'électricité, dans laquelle la turbine emploie une vanne by-pass de surcharge de type connu ; et - la figure. 2 est une illustration schématique simplifiée similaire à la figure 1, mais modifiée pour intégrer un exemple non limitatif de forme de réalisation de l'invention. Dans la centrale électrique de la figure 1, une chaudière 10 constitue la source de vapeur à haute pression, fournissant le fluide moteur servant à entraîner une turbine à vapeur à réchauffage 12 qui comprend une section haute pression (HP) 14, une section moyenne pression (MP) 16 et une section basse pression (BP) 16. Bien que les sections 14, 16 et 18 de turbine soient représentées en tandem les unes avec les autres et avec un générateur 20 grâce à un arbre 22, d'autres agencements de montage peuvent être utilisés. On notera également que l'invention décrite plus en détail ici s'applique tout aussi bien à des turbines sans réchauffage ne comprenant pas de section MP. Le trajet de circulation de vapeur depuis la chaudière 10 passe par un conduit 24 de vapeur depuis lequel de la vapeur peut être transférée dans la section HP de turbine par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs vannes de commande d'admission (plusieurs vannes sont représentées en 25 à 28). Chaque vanne de commande 25 à 28 est montée pour refouler de la vapeur dans la section HP 14, soit via des arcs d'injecteurs disposés sur son pourtour dans une configuration d'admission partielle, soit vers un espace unique en avant des injecteurs du premier étage dans une configuration d'admission unique. Ces deux configurations sont bien connues dans la technique. Par ailleurs, les vannes de commande d'une turbine à système d'admission unique peuvent être amenées soit à fonctionner simultanément, dans le mode à arcs complets, auquel cas la vapeur est admise dans la section HP 14 dans une configuration de montage périphérique uniforme, soit à fonctionner successivement, dans le mode à arcs partiels, auquel cas la vapeur est tout d'abord admise dans un ou plusieurs arcs d'injecteurs, puis dans les autres, successivement au fur et à mesure de la montée en charge de la turbine. La vapeur refoulée par la section HP 14 passe par un réchauffeur 30 dans lequel la température de la vapeur est accrue. Ensuite, la vapeur issue du réchauffeur est amenée à passer jusqu'à la section MP 16, puis, via un conduit d'intercommunication 32, jusqu'à la section BP 16. La vapeur refoulée par la section BP 18 s'écoule jusqu'au condenseur 34 qui change l'état du fluide en le faisant passer d'une phase vapeur à une phase liquide, à savoir de l'eau. L'eau est ensuite renvoyée dans la chaudière où elle est retransformée en vapeur et renvoyée dans la turbine via la ou les vannes de commande. Bien que la commande d'une turbine à vapeur soit un processus très complexe et compliqué, si la turbine fonctionne en régime sensiblement stable, les principales considérations consistent à maintenir la vitesse et la charge de la turbine. En référence à la figure 1, ces variables sont réglées par un système de commande à rétroaction 38 qui positionne les vannes de commande 25-28 (c'est-à-dire détermine leur degré d'ouverture) afin d'admettre plus ou moins de vapeur dans la turbine 12. De tels systèmes de commande sont bien connus et le système de commande 38, par exemple, peut être du type décrit par le brevet US n° 3 097 488. Quasiment chaque turbine est conçue pour présenter une capacité de réserve afin de produire de l'électricité au-delà de la capacité nominale. Pour atteindre une puissance supplémentaire de la turbine après que les vannes de commande ont atteint leur position limite ou d'ouverture complète, une vanne by-pass de surcharge 40 est montée entre le conduit d'alimentation en vapeur 24 et le point de réchauffement en avant du réchauffeur 30. Pour commander la vanne by-pass de surcharge 40, une simple commande d'ouverture/fermeture (manuelle ou automatique) est prévue et actionne la vanne 40 afin de l'ouvrir chaque fois que la demande de charge est supérieure à la capacité nominale. Pour un fonctionnement manuel de la vanne by-pass de surcharge 40, on peut se servir d'un simple système de commutation et la vanne 40 peut être ouverte au gré du personnel d'exploitation chaque fois que les vannes de commande 25-28 sont complètement ouvertes. Par exemple, avec les vannes de commande 25-28 complètement ouvertes et la turbine 12 fonctionnant à sa capacité nominale, une puissance supplémentaire est atteinte en ouvrant ensuite la vanne by-pass de surcharge 40. Cela permet qu'une certaine quantité de vapeur contourne les sections à pression la plus haute de la turbine et entre dans le côté basse température du réchauffeur 30. Cependant, selon une autre possibilité, la vapeur dérivée par la vanne by-pass de surcharge 40 peut être admise dans un étage à pression plus basse de la section haute pression 14, comme indiqué par le trait discontinu 44. Dans les deux cas, il y a une augmentation de la quantité totale de vapeur entrant dans la turbine, qui, si elle est maintenue, permet à la turbine 12 d'avoir un plus grand rendement. Considérant maintenant la figure 2, sur laquelle des repères similaires, mais avec l'ajout d'un préfixe 1, sont utilisés pour désigner des éléments correspondants, la vapeur détournée depuis la chaudière 110 vers la vanne by-pass de surcharge 140 n'est pas redirigée vers un étage de turbine en aval comme dans l'agencement de la figure 1, mais en revanche est redirigée jusqu'au réchauffeur supérieur 48 de turbine via une conduite 46. Ainsi, la vapeur fournie au réchauffeur supérieur 48 depuis la section HP 114 (ou la vapeur extraite à un emplacement quelque part sur le trajet d'expansion de la turbine HP), et la vapeur de dérivation entrant dans le réchauffeur supérieur via la conduite 46 se combinent afin de chauffer le condensat liquide issu du condenseur 134. Le condensat chauffé revient à la chaudière 110 dans laquelle il est reconverti en vapeur et subit un nouveau cycle dans la turbine, tandis que la vapeur alors refroidie issue de la section HP 114 et de la conduite 46 est simplement évacuée du réchauffeur supérieur. On notera également que la vanne by-pass de surcharge peut être ouverte et/ou fermée pas à pas (à la différence d'une simple opération de mise en marche/arrêt) par n'importe quel système de commande approprié de type connu, c'est-à-dire qu'elle est utilisée d'une manière créant un étranglement variable et qu'elle réagit donc davantage aux états du cycle de fonctionnement. L'exemple nullement limitatif de système ainsi décrit résout les problèmes inhérents aux systèmes classiques. Par exemple, ce système supprime la nécessité d'une autre étape de commande, normalement très coûteuse, dans la turbine à vapeur. Dériver la vapeur directement vers le réchauffeur supérieur évite également une interruption du trajet de la vapeur. Le système supprime aussi des problèmes dans la structure de la turbine, liés à une discordance de températures qui provoque une déformation thermique à l'endroit où le flux de dérivation rejoint le trajet de la vapeur. Les dilatations thermiques peuvent créer entre les organes rotatifs et les organes fixes de plus grands jeux, ce qui condit à des fuites de vapeur accrues et une baisse du rendement. REVENDICATIONS1. Système de fonctionnement de turbine à vapeur comprenant au moins une section haute pression (114) de turbine et une section basse pression (118) ; une ou plusieurs vannes de commande (125- 128) conçues pour admettre de la vapeur passant d'une chaudière (110) à la section haute pression de turbine ; un condenseur (134) conçu pour recevoir de la vapeur refoulée par la section basse pression (118) et pour convertir la vapeur en liquide ; un réchauffeur supérieur (48) conçu pour recevoir du liquide du condenseur (134) et pour chauffer le liquide par échange de chaleur avec la vapeur issue de la section haute pression (114), et pour renvoyer dans la chaudière (110) le liquide chauffé ; caractérisé par une vanne by-pass de surcharge (140) conçue pour fournir directement audit réchauffeur supérieur (48) de la vapeur dérivée sans passer par ladite/lesdites vannes de commande. 2. Système de fonctionnement selon la revendication 1, dans lequel de la vapeur de dérivation issue de la vanne by-pass de surcharge (140) et de la vapeur issue de la section haute pression (114) de turbine sont évacuées dudit réchauffeur supérieur (48). 3. Système de fonctionnement selon la revendication 1, dans lequel ladite vanne by-pass de surcharge (140) est actionnable entre des positions d'ouverture et de fermeture. 4. Système de fonctionnement selon la revendication 3, dans lequel ladite vanne by-pass de surcharge (140) est actionnable pas à pas à la manière d'un étranglement variable. 5. Système de fonctionnement selon la revendication 3, dans lequel ladite vanne by-pass de surcharge (140) est actionnable manuellement au gré du personnel d'exploitation. 6. Système selon la revendication 3, dans laquelle ladite vanne by-pass de surcharge (140) est actionnable de manière automatique en réponse à un signal indiquant la charge de la turbine. 7. Procédé de fonctionnement de turbine à vapeur (112) délivrant de l'énergie à une charge couplée et apte à recevoir de lavapeur d'une source de production de vapeur, la turbine ayant une ou plusieurs vannes de commande (125-126) pour commander l'admission de vapeur dans des étages à plus haute pression de la turbine ; un condenseur (134) conçu pour recevoir de la vapeur refoulée par ladite turbine et convertir la vapeur en liquide ; et une vanne by-pass de surcharge (140) montée afin de recevoir de la vapeur de la source de vapeur, le procédé comprenant les étapes de : (a) maintien de ladite vanne by-pass de surcharge (140) en position de fermeture, et simultanément, positionnement piloté des vannes de commande afin d'admettre de la vapeur dans la turbine dans le but de supporter une charge de puissance préalablement choisie ; (b) ouverture au moins partielle de ladite vanne by-pass de surcharge ; et (c) retour, à un réchauffeur supérieur (48) conçu pour recevoir du liquide du condenseur, de la vapeur passant par ladite vanne by-pass de surcharge. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ladite vanne by-pass (140) est amenée manuellement à s'ouvrir et à se fermer au gré d'un opérateur. 9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ladite vanne by-pass (140) est amenée de manière automatique à s'ouvrir et à se fermer en réponse à un signal indiquant la charge de la turbine.