Brevet FR2924157A1 — publié le 20090529

B 08-4138FR Au nom de : GENERAL ELECTRIC COMPANY Procédé et dispositif pour le fonctionnement amélioré à charge réduite de turbines à vapeur Invention de : BOSS Joseph J. MUNDRA Kamlesh HOFER Douglas POWERS John Priorité d'une demande de brevet déposée aux États-Unis d'Amérique le 26 novembre 2007 sous le n° 11/944.991 -2 PROCÉDÉ ET DISPOSITIF POUR LE FONCTIONNEMENT AMÉLIORÉ À CHARGE RÉDUITE DE TURBINES À VAPEUR DOMAINE TECHNIQUE La présente demande concerne de façon générale des turbines à vapeur et plus particulièrement, les performances améliorées de turbines à vapeur dans des conditions de fonctionnement à charge réduite, à charge partielle ou hors conception. ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION Les turbines à vapeur sont des dispositifs mécaniques qui convertissent l'énergie thermique de la vapeur sous pression en travail mécanique de rotation. Pour améliorer le rendement thermique, les grandes turbines à vapeur comportent généralement plusieurs sections, telles qu'une section à haute pression, une section à pression intermédiaire et une section à basse pression. Pour la détente de la vapeur, on peut utiliser des étages multiples au sein de chaque section. Les sections des grandes turbines à vapeur possèdent diverses caractéristiques de conception pour permettre l'extraction de la plus grande quantité d'énergie possible à partir de la détente de la vapeur à travers les sections de turbine. Il est de pratique courante d'introduire initialement de la vapeur à haute pression dans une section à haute pression de la turbine à vapeur. On dirige ensuite vers un réchauffeur la vapeur sortant de la section à haute pression de la turbine avant de l'introduire dans une section à basse pression de la turbine, où elle poursuit sa détente. Dans un grand nombre de turbines, la vapeur traverse une section à pression intermédiaire avant d'être introduite dans une section à basse pression. En raison de l'augmentation de volume à mesure que la vapeur se détend en traversant les étages de chaque section, l'aire annulaire de chaque étage doit augmenter pour convertir efficacement l'énergie thermique de la vapeur en travail mécanique de rotation. Ceci est réalisé en allongeant les pales ou ailettes de la turbine d'un étage à l'autre, en augmentant le diamètre du rotor sur lequel sont montées les pales, en ajoutant deux trajets d'écoulement ou plus en parallèle, ou par des combinaisons de ce qui précède. Lorsque deux trajets d'écoulement d'une section d'une turbine sont en parallèle, ceci est appelé section double flux. Il est de pratique courante qu'une ou plusieurs des sections soient configurées selon un agencement double flux dans lequel la vapeur entrant dans une partie médiane de la section rencontre un trajet d'écoulement divergent. Faisant suite à l'entrée dans cette partie médiane de l'une des sections de turbine, la vapeur sort dans des directions opposées, les deux écoulements -3- étant dirigés de manière à faire tourner l'arbre de la turbine dans le même sens. Ainsi par exemple, la vapeur entrant par le haut ou par le bas sort vers la gauche et vers la droite. Le choix de conception de la section à basse pression simple flux ou double flux peut dépendre du volume de vapeur prévu par conception pour s'écouler à travers la section à basse pression dans des conditions normales à pleine charge. On peut obtenir les meilleures performances de conception du trajet de vapeur à basse pression lorsque la vitesse de la vapeur sortant des ailettes du dernier étage de la section à basse pression est d'environ 600 pieds par seconde (183 mis). Des vitesses supérieures ou inférieures peuvent dégrader les performances de la turbine à vapeur. Pour régler la vitesse de sortie de la section à basse pression, on peut augmenter ou réduire l'aire annulaire des ailettes du dernier étage. Toutefois, si les volumes d'écoulement de vapeur sont suffisamment importants, l'augmentation de la longueur des pales de turbine ou du diamètre du rotor sur lequel sont montées les pales peut ne pas être réalisable ou souhaitable. On peut utiliser en remplacement une section double flux pour augmenter l'aire annulaire de sortie de la section à basse pression. De façon similaire, si une seule section double flux à basse pression ne fournit pas une aire annulaire suffisante pour obtenir les vitesses de sortie de vapeur adéquates, on peut utiliser deux sections double flux à basse pression ou plus en parallèle. Dans les turbines ayant un certain nombre de sections double flux à basse pression, on peut introduire dans chacune des sections double flux à basse pression des parties approximativement égales de l'écoulement de vapeur. Les turbines à vapeur sont conçues pour fonctionner efficacement dans des conditions de fonctionnement normal à pleine charge. Toutefois, dans certains cas, par exemple une demande d'électricité réduite, ont réduit l'écoulement de vapeur dans la turbine pour des raisons économiques. Lorsqu'on réduit l'écoulement au-dessous des conditions de conception, les performances de la section à basse pression de la turbine à vapeur peuvent chuter de manière significative en raison de la séparation importante au niveau du moyeu des ailettes du dernier étage. Les performances de la hotte d'évacuation peuvent également diminuer. Le faible rendement du trajet de vapeur et les performances médiocres de la hotte d'évacuation peuvent avoir pour conséquence un rendement médiocre de la turbine à charge réduite, à faible charge ou dans des conditions de fonctionnement hors conception. En conséquence, il existe un souhait pour fournir un procédé et un dispositif pour améliorer le fonctionnement des turbines à vapeur à charge réduite. De tels -4- procédés et dispositifs peuvent améliorer le rendement des turbines à vapeur dans de telles conditions de fonctionnement. BRÈVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Dans un mode de réalisation, la présente description propose un procédé pour faire fonctionner une turbine à vapeur à charge réduite, incluant la fourniture d'un certain nombre de sections à basse pression, la fourniture d'un système de contrôle d'écoulement pouvant être actionné pour limiter l'écoulement de vapeur vers au moins une section du nombre de sections à basse pression, et l'activation du système de contrôle d'écoulement pour limiter l'écoulement de vapeur vers l'au moins une section du nombre de sections à basse pression lorsque la charge est inférieure à une valeur prédéterminée. Un autre mode de réalisation selon la présente description propose un procédé pour faire fonctionner une turbine à vapeur à charge réduite, incluant la fourniture d'une section double flux à basse pression, comportant deux trajets d'écoulement de vapeur, la fourniture d'un système de contrôle d'écoulement pouvant être actionné pour limiter l'écoulement de vapeur vers au moins un trajet parmi les deux trajets d'écoulement, et l'activation du système de contrôle d'écoulement pour limiter l'écoulement de vapeur dans l'au moins un trajet parmi les deux trajets d'écoulement. Un autre mode de réalisation selon la présente description propose une turbine à vapeur. La turbine à vapeur peut inclure un certain nombre de sections à basse pression et un système de contrôle d'écoulement pouvant être actionné pour limiter l'écoulement de vapeur vers au moins une section du nombre de sections à basse pression. Ces caractéristiques ainsi que d'autres apparaîtront à un homme de l'art en examinant la description détaillée qui suit ainsi les différents dessins annexés. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue schématique d'une turbine à vapeur comportant deux sections double flux à basse pression selon un mode de réalisation de la présente demande, comme ici décrite. La figure 2 est une vue schématique d'une turbine à vapeur comportant trois sections double flux à basse pression selon un mode de réalisation de la présente demande, comme ici décrite. La figure 3 est une vue schématique d'une turbine à vapeur comportant une section double flux à basse pression selon un mode de réalisation de la présente demande, comme ici décrite. -5- DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION En se référant maintenant aux dessins, sur lesquels des numéros analogues indiquent des éléments analogues dans l'ensemble des diverses vues, la figure 1 est une vue schématique d'une turbine à vapeur 10 d'un mode de réalisation de la présente demande. De la vapeur sous pression est délivrée à la turbine 10 depuis une source de vapeur 11, telle que par exemple, une chaudière. Les sources d'énergie pour générer de la vapeur peuvent inclure, mais sans y être limitées, des sources d'énergie de carburant fossile, nucléaire, géothermique, d'électricité solaire thermique, et de la biomasse. On introduit initialement la vapeur dans une section à haute pression 12 de la turbine 10. Après que l'écoulement de vapeur est sorti de la section à haute pression 12 de la turbine 10, l'écoulement peut passer dans un réchauffeur 13 où de l'énergie thermique supplémentaire peut être ajoutée. Dans d'autres mode de réalisation, la vapeur peut être renvoyée dans une chaudière où une surchauffe supplémentaire peut être ajoutée. Dans un autre mode de réalisation, la vapeur peut être introduite dans un séparateur d'humidité pour éliminer toute l'humidité se formant dans la vapeur dans la section à haute pression de la turbine. Dans encore un autre mode de réalisation, la vapeur peut passer dans une section à pression intermédiaire après que l'écoulement de vapeur est sorti du réchauffeur 13. Après que l'écoulement de vapeur est sorti du réchauffeur 13, un tuyau de raccordement 14 peut diriger l'écoulement de vapeur vers une première section double flux à basse pression 15 et une deuxième section double flux à basse pression 16. Un système de contrôle d'écoulement 17 peut être prévu, pouvant être actionné pour limiter l'écoulement de vapeur vers les deux sections à basse pression. Le système de contrôle d'écoulement 17 peut inclure une première vanne 18, située à l'entrée de la première section double flux à basse pression 15 et une deuxième vanne 19, située à l'entrée de la deuxième section double flux à basse pression 16. Dans des modes de réalisation particuliers, le système de contrôle d'écoulement 17 peut inclure un quelconque dispositif pouvant réguler, arrêter ou contrôler l'écoulement de vapeur vers au moins une section du nombre de sections à basse pression, en fermant ou en obstruant partiellement le trajet d'écoulement de la vapeur vers au moins une des sections à basse pression. Le système de contrôle d'écoulement 17 peut inclure par exemple un robinet à papillon, une soupape-champignon ou une partie mobile à couvercle articulé ou autre qui ferme ou modifie le trajet d'écoulement de vapeur. Dans un autre mode de réalisation, le système de contrôle d'écoulement 17 peut inclure une seule vanne disposée à l'entrée de l'une des sections à basse pression. Dans un autre mode de réalisation, le système de contrôle -6- d'écoulement 17 peut inclure une vanne disposée entre l'entrée de la première section double flux à basse pression 15 et l'entrée de la deuxième section double flux à basse pression 16. Durant le fonctionnement à charge réduite, à faible charge ou dans des conditions hors conception, les performances de la section à basse pression de la turbine à vapeur 10 peuvent chuter de manière significative. Pour améliorer le rendement de la turbine dans de telles conditions, on peut actionner le système de contrôle d'écoulement 17 pour limiter l'écoulement de vapeur vers au moins une section du nombre de sections à basse pression. Lorsqu'on réduit l'écoulement de vapeur au-dessous des conditions de conception ou au-dessous d'une valeur prédéterminée, le système de contrôle d'écoulement 17 peut limiter l'écoulement de vapeur vers au moins une section des deux sections double flux à basse pression. La charge prédéterminée à laquelle l'écoulement commence à être limité est fonction de la conception particulière et des conditions d'exploitation. On choisit en général cette charge de façon à maximiser la sortie globale de la section à basse pression. La deuxième vanne 19 peut par exemple être fermée de manière significative pour limiter l'écoulement vers la deuxième section double flux à basse pression 16. Dans des modes de réalisation particuliers, on peut laisser passer un écoulement de vapeur suffisant à travers la deuxième vanne 19 pour éviter un échauffement par tourbillonnement dans la deuxième section double flux à basse pression 16. La limitation de l'écoulement de vapeur vers la deuxième section double flux à basse pression 16 peut produire une augmentation correspondante de l'écoulement vers la première section double flux à basse pression 15, augmentant ainsi le rendement de la première section double flux à basse pression 15. L'augmentation du rendement de la première section double flux à basse pression 15 augmente le rendement global de la section à basse pression de la turbine à vapeur 10 à charge réduite, à faible charge ou dans des conditions hors conception. Dans un mode de réalisation particulier, on peut faire fonctionner le système de contrôle d'écoulement 17 pour diriger un écoulement de vapeur vers au moins l'une des sections à basse pression, suffisant pour produire une vitesse de sortie de la vapeur de la section à basse pression comprise entre environ 500 pieds par seconde (152,4 mis) et environ 700 pieds par seconde (213,4 mis). La plage de débits spécifiques peut varier en fonction de la taille et de la configuration de la turbine 10 dans son ensemble. On peut régler l'écoulement relatif de vapeur à travers les deux sections double flux à basse pression en utilisant le système de contrôle d'écoulement 17 pour maximiser le rendement global de la turbine. -7- Après que la vapeur est sortie de chaque extrémité d'écoulement de la première section double flux à basse pression 15 et de la deuxième section double flux à basse pression 16, on peut l'évacuer vers un condenseur 20 ou l'utiliser autrement. La figure 2 est une vue schématique d'une turbine à vapeur 27 selon un mode de réalisation de la présente demande. À la place des deux sections double flux à basse pression de la figure 1, la turbine à vapeur de la figure 2 peut comporter trois sections double flux à basse pression. De la vapeur sous pression est délivrée à la turbine 27 depuis la source de vapeur 11. On introduit initialement la vapeur dans la section à haute pression 12 de la turbine 27. Après que l'écoulement de vapeur est sorti de la section à haute pression 12 de la turbine 27, il peut passer dans le réchauffeur 13 où de l'énergie thermique supplémentaire est ajoutée. Après que l'écoulement de vapeur est sorti du réchauffeur 13, le tuyau de raccordement 14 dirige l'écoulement de vapeur vers la première section double flux à basse pression 15, la deuxième section double flux à basse pression 16 et une troisième section double flux à basse pression 21. Le système de contrôle d'écoulement 17 peut être prévu pour limiter l'écoulement de vapeur vers chacune des trois sections à basse pression. Dans un autre mode de réalisation, le système de contrôle d'écoulement 17 peut n'être utilisable que pour limiter l'écoulement de vapeur vers une ou deux sections du nombre de sections à basse pression. Le système de contrôle d'écoulement 17 peut inclure la première vanne 18, située à l'entrée de la première section double flux à basse pression 15, la deuxième vanne 19, située à l'entrée de la deuxième section double flux à basse pression 16 et une troisième vanne 22, située à l'entrée de la troisième section double flux à basse pression 21. Dans le fonctionnement à charge réduite, à faible charge ou dans des conditions hors conception, le système de contrôle d'écoulement 17 limite l'écoulement de vapeur vers au moins une section des trois sections double flux à basse pression. La troisième vanne 22 peut par exemple être fermée de manière significative pour limiter l'écoulement vers la troisième section double flux à basse pression 21. Dans des modes de réalisation particuliers, on peut laisser passer un écoulement de vapeur suffisant à travers la troisième vanne 22 pour éviter un échauffement par tourbillonnement dans la troisième section double flux à basse pression 21. La limitation de l'écoulement de vapeur vers la troisième section double flux à basse pression 21 peut produire une augmentation correspondante de l'écoulement vers la première section double flux à basse pression 15 et la deuxième section double flux à basse pression 16, augmentant ainsi le rendement de la première -8- section double flux à basse pression 15 et de la deuxième section double flux à basse pression 16. L'augmentation du rendement de la première section double flux à basse pression 15 et de la deuxième section double flux à basse pression 16 peut augmenter le rendement global de la section à basse pression de la turbine à vapeur 27 à charge réduite, à faible charge ou dans des conditions hors conception. Dans un autre mode de réalisation, on peut fermer de manière significative à la fois la deuxième vanne 19 et la troisième vanne 22 pour limiter l'écoulement vers la deuxième section double flux à basse pression 16 et la troisième section double flux à basse pression 21. Dans des modes de réalisation particuliers, on peut laisser passer un écoulement de vapeur suffisant à travers la deuxième vanne 19 et la troisième vanne 22 pour éviter un échauffement par tourbillonnement dans la deuxième section double flux à basse pression 16 et la troisième section double flux à basse pression 21. La limitation de l'écoulement de vapeur vers la deuxième section double flux à basse pression 16 et la troisième section double flux à basse pression 21 peut produire une augmentation correspondante de l'écoulement vers la première section double flux à basse pression 15, augmentant ainsi le rendement de la première section double flux à basse pression 15. L'augmentation du rendement de la première section double flux à basse pression 15 peut augmenter le rendement global de la section à basse pression de la turbine à vapeur 27 à charge réduite, à faible charge ou dans des conditions hors conception. Dans un mode de réalisation particulier, on peut faire fonctionner le système de contrôle d'écoulement 17 pour diriger un écoulement de vapeur vers au moins l'une des sections à basse pression, suffisant pour produire une vitesse de sortie de la vapeur de la section à basse pression comprise entre environ 500 pieds par seconde (152,4 mis) et environ 700 pieds par seconde (213,4 mis). La plage de débits spécifiques peut varier en fonction de la taille et de la configuration de la turbine 10 dans son ensemble. On peut régler l'écoulement relatif de vapeur à travers les trois sections double flux à basse pression en utilisant le système de contrôle d'écoulement 17 pour maximiser le rendement global de la turbine. Après que la vapeur est sortie de chaque extrémité d'écoulement de la première section double flux à basse pression 15, de la deuxième section double flux à basse pression 16 et de la troisième section double flux à basse pression 21, on peut l'évacuer vers un condenseur 20 ou l'utiliser autrement. La figure 3 est une vue schématique d'une turbine à vapeur 28 comportant une section double flux à basse pression selon un mode de réalisation de la présente demande. De la vapeur sous pression peut être délivrée à la turbine 28 depuis la -9- source de vapeur 11. On introduit initialement la vapeur dans la section à haute pression 12 de la turbine 28. Après que l'écoulement de vapeur est sorti de la section à haute pression 12 de la turbine 28, il peut passer dans le réchauffeur 13 où de l'énergie thermique supplémentaire est ajoutée. Après que l'écoulement de vapeur est sorti du réchauffeur 13, le tuyau de raccordement 14 peut diriger l'écoulement de vapeur vers la première section double flux à basse pression 15. La section double flux à basse pression 15 peut comporter un premier trajet d'écoulement de vapeur 23 et un deuxième trajet d'écoulement de vapeur 24. Le système de contrôle d'écoulement 17 peut être prévu pour limiter l'écoulement de vapeur vers au moins l'un des deux trajets d'écoulement. Le système de contrôle d'écoulement 17 peut inclure une première vanne 25, située à l'entrée du premier trajet d'écoulement 23 et une deuxième vanne 26, située à l'entrée du deuxième trajet d'écoulement 24. Durant le fonctionnement à charge réduite, à faible charge ou dans des conditions hors conception, le système de contrôle d'écoulement 17 limite l'écoulement de vapeur vers au moins l'un des deux trajets d'écoulement. La deuxième vanne 26 peut par exemple être fermée de manière significative pour limiter l'écoulement vers le deuxième trajet d'écoulement 24. Dans des modes de réalisation particuliers, on peut laisser passer un écoulement de vapeur suffisant à travers la deuxième vanne 26 pour éviter un échauffement par tourbillonnement dans le deuxième trajet d'écoulement 24. La limitation de l'écoulement de vapeur vers le deuxième trajet d'écoulement 24 peut provoquer une augmentation d'écoulement correspondante vers le premier trajet d'écoulement 23, augmentant ainsi le rendement global de la première section double flux à basse pression 15 à charge réduite, à faible charge ou dans des conditions hors conception. Dans un mode de réalisation particulier, on peut faire fonctionner le système de contrôle d'écoulement 17 pour diriger un écoulement de vapeur vers au moins un trajet d'écoulement, suffisant pour produire une vitesse de sortie de la vapeur du trajet d'écoulement comprise entre environ 500 pieds par seconde (152,4 mis) et environ 700 pieds par seconde (213,4 mis). La plage de débits spécifiques peut varier en fonction de la taille et de la configuration de la turbine 28 dans son ensemble. On peut régler l'écoulement relatif de vapeur à travers les deux trajets d'écoulement en utilisant le système de contrôle d'écoulement 17 pour maximiser le rendement global de la turbine. Après que la vapeur est sortie de chaque extrémité d'écoulement de la première section double flux à basse pression 15, on peut l'évacuer vers un condenseur 20 ou l'utiliser autrement. - 10 - On comprendra que ce qui précède ne concerne que les modes de réalisation préférés de la présente demande et qu'un grand nombre de variantes et de modifications peuvent en être réalisées sans s'écarter de l'esprit général et de la portée de l'invention telle que définie par les revendications qui suivent et leurs équivalents. -11-Liste des éléments Turbine à vapeur 10 Source de vapeur 11 Section à haute pression 12 Réchauffeur 13 Tuyau de raccordement 14 Première section double flux à basse pression 15 Deuxième section double flux à basse pression 16 Système de contrôle d'écoulement 17 Première vanne 18 Deuxième vanne 19 Condenseur 20 Troisième section double flux à basse pression 21 Troisième vanne 22 Premier trajet d'écoulement de vapeur 23 Deuxième trajet d'écoulement de vapeur 24 Première vanne 25 Deuxième vanne 26 Turbine à vapeur 27 Turbine à vapeur 28 REVENDICATIONS 1. Procédé pour faire fonctionner une turbine à vapeur (10) à charge réduite, comprenant : la fourniture d'une pluralité de sections à basse pression (15, 16) ; la fourniture d'un système de contrôle d'écoulement (17) pouvant être actionné pour limiter l'écoulement de vapeur vers au moins une section (15) de la pluralité de sections à basse pression (15, 16) ; et l'activation du système de contrôle d'écoulement (17) pour limiter l'écoulement de vapeur vers l'au moins une section (15) de la pluralité de sections à basse pression (15, 16) lorsque la charge est inférieure à une valeur prédéterminée 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de fourniture d'une pluralité de sections à basse pression comprend la fourniture de deux sections double flux à basse pression (15, 16) ; 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de fourniture d'une pluralité de sections à basse pression comprend la fourniture de trois sections double flux à basse pression (15, 16, 21) ; 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de fourniture d'un système de contrôle d'écoulement (17) pouvant être actionné pour limiter l'écoulement de vapeur vers au moins une section de la pluralité de sections à basse pression (15, 16) comprend la fourniture d'au moins une vanne (18) disposée à l'entrée de l'au moins une section (15) de la pluralité de sections à basse pression (15, 16). 5. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape de fourniture d'un système de contrôle d'écoulement (17) pouvant être actionné pour limiter l'écoulement de vapeur vers au moins une section de la pluralité de sections à basse pression (15, 16) comprend la fourniture d'une vanne (18) disposée entre l'entrée d'une première section double flux à basse pression (15) et l'entrée d'une deuxième section double flux à basse pression (16). 6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape de fourniture d'un système de contrôle d'écoulement (17) pouvant être actionné pour limiter l'écoulement de vapeur vers au moins une section de la pluralité de sections à basse pression (15, 16) comprend la fourniture d'une première vanne (18) disposée à l'entrée d'une première section double flux à basse pression (15) et d'une deuxièmevanne (19) disposée à l'entrée d'une deuxième section double flux à basse pression (16). 7. Turbine à vapeur (10), comprenant : une pluralité de sections à basse pression (15, 16) ; et un système de contrôle d'écoulement (17) pouvant être actionné pour limiter l'écoulement de vapeur vers au moins une section (15) de la pluralité de sections à basse pression (15, 16). 8. Turbine à vapeur selon la revendication 7, dans laquelle le système de contrôle d'écoulement (17) comprend au moins une vanne (18) disposée à l'entrée de l'au moins une section (15) de la pluralité de sections à basse pression (15, 16). 9. Turbine à vapeur selon la revendication 8, dans laquelle le système de contrôle d'écoulement (17) comprend une vanne (18) disposée entre l'entrée d'une première section double flux à basse pression (15) et l'entrée d'une deuxième section double flux à basse pression (16). 10. Turbine à vapeur selon la revendication 9, dans laquelle le système de contrôle d'écoulement (17) comprend une première vanne (18) disposée à l'entrée d'une première section double flux à basse pression (15) et une deuxième vanne (19) disposée à l'entrée d'une deuxième section double flux à basse pression (16).