Brevet FR2928964A1 — publié le 20090925

B09-0553FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Turbine à vapeur et procédé de détermination de fuite à l'intérieur d'une turbine à vapeur Invention de : HERNANDEZ Nestor BHALODIA Dhaval Rarnesh Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 20 mars 2008 sous le n° 12/052.290 Turbine à vapeur et procédé de détermination de fuite à l'intérieur d'une turbine à vapeur La présente invention vise une centrale électrique, et, plus particulièrement, un système et un procédé pour déterminer une fuite à l'intérieur d'une turbine à vapeur. La plupart des turbines à vapeur comportant des sections haute pression (HP) et à pression intermédiaire (PI) opposées fonctionnant à une température de surchauffe supérieure à 566° C (1050° F) nécessitent un système de refroidissement externe pour maintenir des niveaux de contraintes de premier étage de surchauffe acceptables. En résultat d'une interaction entre le système de refroidissement et des fuites internes entre les sections haute pression et à pression intermédiaire, il est difficile de déterminer une quantité de vapeur fuyant entre les sections haute pression et à pression intermédiaire. De façon plus caractéristique, lors du fonctionnement, il existe un espacement de fonctionnement entre un arbre interconnectant les sections haute pression et à pression intermédiaire et un ensemble de presse-étoupe qui constitue un joint d'étanchéité autour de l'arbre. L'espacement de fonctionnement permet à de la vapeur à haute pression et à haute température de fuir à partir de la section haute pression, le long de l'arbre, vers la section à pression intermédiaire. La fuite de vapeur à haute pression et à haute température affecte le rendement global de la turbine à vapeur. Autrement dit, lorsque la fuite de vapeur augmente, les performances de la turbine à vapeur diminuent. Il y a eu de nombreuses tentatives pour déterminer la quantité de fuite afin d'ajuster l'espacement de fonctionnement et la géométrie de presse-étoupe pour des performances de turbine à vapeur améliorées. A l'heure actuelle, un procédé à inférence est employé pour calculer la quantité de fuite. Le test d'inférence se base sur la mesure d'un effet sur une partie de sortie de la section à pression intermédiaire résultant de changements apportés à des paramètres à une partie d'entrée de la section haute pression. Par essence, le procédé à inférence mesure un paramètre indirect afin de déterminer des changements d'enthalpie dans la partie de sortie de la section à pression intermédiaire afin d'estimer la quantité de vapeur fuyant le long de l'arbre. L'emploi d'une mesure indirecte pour déterminer une quantité de fuite produit en résultat une solution qui est, dans le meilleur des cas, un peu supérieure à l'estimation au jugé. La détermination de la quantité de fuite permettra aux ingénieurs d'ajuster l'espacement de fonctionnement et la géométrie de presse-étoupe entre l'arbre et l'ensemble de presse-étoupe de façon à créer des rendements accrus dans le fonctionnement d'une turbine à vapeur. Sans la connaissance, avec un certain niveau de certitude, de la quantité de vapeur à haute pression et à haute température fuyant le long de l'arbre, l'ajustage de l'espacement de fonctionnement et de la géométrie de presse-étoupe pour améliorer les performances d'une turbine à vapeur restera un processus à essais et erreurs demandant du temps, de coût élevé et inexact. Une turbine à vapeur construite selon des exemples de réalisation de l'invention comprend une première section de turbine ayant un écoulement de vapeur à haute température, une deuxième section de turbine et un arbre reliant de façon opérationnelle la première section de turbine et la deuxième section de turbine. La turbine à vapeur comprend de plus un ensemble de presse-étoupe positionné autour de l'arbre. L'ensemble de presse-étoupe limite une quantité de l'écoulement de vapeur haute pression passant le long de l'arbre de la première section de turbine à la deuxième section de turbine. Un premier conduit est relié vis-à-vis des fluides à l'ensemble de presse-étoupe. Le premier conduit est configuré de façon à introduire un écoulement de vapeur à basse température et à basse pression dans l'ensemble de presse-étoupe. Un deuxième conduit est également relié vis-à-vis des fluides à l'ensemble de presse-étoupe en aval de la première section de turbine et en amont du premier conduit. Le deuxième conduit reçoit une partie de la vapeur à haute température et à haute pression passant dans l'ensemble de presse-étoupe à partir de la première section de turbine. Une vanne est reliée vis-à-vis des fluides au deuxième conduit. La vanne est configurée de façon à être actionnée de façon sélective de façon à permettre à la vapeur à haute température et à haute pression de se mélanger à la vapeur à basse pression et à basse température dans le deuxième conduit. Des exemples de réalisation de la présente invention comprennent également un procédé de détermination d'une fuite à l'intérieur d'une turbine à vapeur comportant des première et deuxième sections de turbine opposées reliées par un arbre entouré par un ensemble de presse-étoupe. La première section de turbine laisse fuir de la vapeur à haute température et à haute pression le long de l'arbre à l'intérieur de l'ensemble de presse-étoupe. La turbine à vapeur comprend des premier et deuxième conduits reliés à l'ensemble de presse-étoupe, le deuxième conduit étant positionné entre le premier conduit et la première section de turbine. Le procédé comprend le guidage de la vapeur à haute température et à haute pression à travers le deuxième conduit, et l'introduction d'une vapeur à basse température et à basse pression dans le premier conduit. On fait passer la vapeur à basse température et à basse pression le long de l'arbre vers le deuxième conduit. Le procédé requiert de plus l'actionnement d'une vanne reliée vis-à-vis des fluides au deuxième conduit, et le mélange de la vapeur à haute température et à haute pression et de la vapeur à basse température et à basse pression dans le deuxième conduit pour former un écoulement de vapeur combiné. Au moins un paramètre de l'écoulement de vapeur combiné est mesuré, et la vanne est réglée jusqu'à ce que le paramètre au nombre d'au moins un de l'écoulement de vapeur combiné chute par rapport à un paramètre correspondant de l'écoulement de vapeur à haute température et à haute pression. Une quantité de vapeur à haute température et à haute pression fuyant à partir de la première section de turbine le long de l'arbre vers la deuxième section de turbine est calculée en fonction de l'écoulement de vapeur combiné. Des éléments et caractéristiques et avantages additionnels sont réalisés à partir de techniques d'exemples de réalisation de la présente invention. D'autres exemples de réalisation et aspects de l'invention sont décrits en détail ici et sont considérés comme faisant partie de l'invention revendiquée. Pour une meilleure compréhension de l'invention ainsi que des avantages et éléments et caractéristiques de celle-ci, on se référera à la description et aux dessins : - la figure 1 est une représentation schématique d'une turbine à vapeur comportant des turbines haute pression (HP) et à pression intermédiaire (PI) construites selon des exemples de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est un schéma général d'un système pour déterminer une fuite entre les turbines haute pression et à pression intermédiaire ; et - la figure 3 est un organigramme illustrant un procédé de détermination de fuite entre les turbines haute pression et à pression intermédiaire de la figure 1. Si l'on se réfère initialement à la figure 1, une turbine à vapeur qui, selon un exemple de réalisation de la présente invention, est représentée comme faisant partie d'une turbine à vapeur à cycle combiné (CCP), est globalement indiquée en 2. La turbine à vapeur 2 comprend une première section de turbine, ou section de turbine haute pression (HP), 4 reliée de façon opérationnelle à une deuxième section de turbine, ou section de turbine à pression intermédiaire (PI), opposée 6 par un arbre 8. Un ensemble de presse-étoupe médian 10 s'étend autour de l'arbre 8. L'ensemble de presse-étoupe médian 10 comprend une pluralité de bagues de presse-étoupe (non représentées), qui constituent un joint d'étanchéité autour de l'arbre 8. La turbine à vapeur 2 comprend également un premier conduit 14 relié vis-à-vis des fluides à l'ensemble de presse-étoupe 10. Le premier conduit 14 comprend une première section d'extrémité 16, reliée vis-à-vis des fluides à l'ensemble de presse-étoupe 10, qui s'étend vers une deuxième section d'extrémité 17 par l'intermédiaire d'une section intermédiaire 18. Selon l'exemple de réalisation représenté, la deuxième section d'extrémité 17 est reliée à une section de bol à pression intermédiaire (non référencée séparément) de la deuxième section de turbine 6. La turbine à vapeur 2 comprend de plus un deuxième conduit 24 comportant une première partie d'extrémité 26 reliée vis-à-vis des fluides à l'ensemble de presse-étoupe 10, qui s'étend vers une deuxième partie d'extrémité 27 par l'intermédiaire d'une partie intermédiaire 28. La deuxième partie d'extrémité 27 est reliée à une unité de condenseur 30 dans l'exemple de réalisation représenté. Cependant, on devra comprendre que la deuxième partie d'extrémité 27 pourrait être reliée à n'importe quelle unité à pression plus basse associée à la turbine à vapeur 2. Le deuxième conduit 24 est représenté comme comprenant un capteur de pression 40 pour détecter un paramètre de pression de vapeur dans le deuxième conduit 24, un capteur de température 42 pour détecter un paramètre de température de vapeur dans le conduit 24, un débitmètre 44 pour détecter un paramètre d'écoulement de vapeur dans le deuxième conduit 24 et une vanne 48. Dans l'exemple de réalisation représenté, la vanne 48 est actionnée électriquement de façon à commander un écoulement de vapeur passant par le deuxième conduit 24. Cependant, on devra comprendre que la vanne 48 peut également être actionnée manuellement. La première section de turbine 4 reçoit un écoulement de vapeur à haute température et à haute pression (HT/HP) 54 à partir d'un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) 56. La vapeur à haute température et à haute pression 54 a une température d'environ 566° C (1050° F) et une pression absolue d'approximativement 13,8 MPa (2000 psia). Durant le fonctionnement, une partie de la vapeur à haute température et à haute pression 54 s'écoule le long de l'arbre 8 à l'intérieur de l'ensemble de presse-étoupe 10 vers la deuxième section de turbine 6. La vapeur à haute température et à haute pression 54 entrant dans la deuxième section de turbine 6 affecte un rendement global de la turbine à vapeur 2. A cette fin, il est souhaitable de contrôler la fuite autour de l'arbre 8. Pour déterminer la quantité de fuite à l'intérieur de l'ensemble de presse-étoupe 10, la turbine à vapeur 2 comprend un système de mesure de fuite 60, illustré en figure 2. Un système de mesure de fuite 60 comprend un dispositif de commande 104 relié de façon opérationnelle au capteur de pression 40, au capteur de température 42, au débitmètre 44 et à la vanne 48. Comme cela sera décrit plus complètement ci-dessous, un écoulement de vapeur à basse température et à basse pression (BT/BP) 164 est introduit dans le premier conduit 14. On devra comprendre que le terme "vapeur à basse température et à basse pression" désigne de la vapeur à une température et à une pression qui sont inférieures à celles de la vapeur à haute température et à haute pression dans la première section de turbine 4. Le système de mesure de fuite 60 ouvre de façon sélective la vanne 48, permettant à la vapeur à haute température et à haute pression 54 à l'intérieur de l'ensemble de presse-étoupe 10 de se mélanger à de la vapeur à basse température et à basse pression 164 de façon à former un écoulement de vapeur homogène combiné 174 dans le deuxième conduit 24. Le dispositif de commande 104 détermine la quantité de fuite de vapeur à haute température et à haute pression en fonction de paramètres d'au moins l'écoulement combiné. On se référera à présent à la figure 3 pour décrire un procédé 200 de détermination d'une quantité de vapeur à haute température et à haute pression fuyant dans l'ensemble de presse-étoupe 10. Initialement, de la vapeur à haute température et à haute pression 54 est amenée à s'écouler à partir de la première section de turbine 4, le long de l'ensemble de presse-étoupe 10, vers la deuxième section 6, comme indiqué dans le cadre 202. La vapeur à haute température et à haute pression 54 a pour origine le fonctionnement de la turbine à vapeur 2. Une fois que la turbine à vapeur 2 a atteint des niveaux de fonctionnement, la vanne 48 est ouverte, comme indiqué dans le cadre 204. Lorsque la pression chute à l'intérieur de l'ensemble de presse-étoupe 10, de la vapeur à basse température et à basse pression 164, ayant une température connue et une pression connue, commence à s'écouler vers le deuxième conduit 24, comme indiqué dans le cadre 206. Le dispositif de commande 104 contrôle la température et la pression de la vapeur passant par le deuxième conduit 24. La vanne 48 continue à être ouverte, provoquant une chute de pression dans le deuxième conduit 24. La pression de la vapeur à haute température et à haute pression 54 continue de chuter, jusqu'à ce que la vapeur à basse température et à basse pression 164 entre dans le deuxième conduit 24, de façon à former un écoulement de vapeur combiné 174. Une fois qu'un paramètre, par exemple, la température, de l'écoulement combiné, commence à chuter vers la température prédéterminée, comme cela est détecté par le capteur de température 42, le dispositif de commande 104 demande au débitmètre 44 un débit d'écoulement de l'écoulement combiné 174, comme indiqué dans le cadre 210. Selon la formule donnée ci-dessous, le dispositif de commande 104 calcule alors une quantité de vapeur à haute température et à haute pression 54 fuyant dans l'ensemble de presse- étoupe 10, comme indiqué dans le cadre 212. En ce point, la détermination d'un espace ou espacement de fonctionnement à chaud efficace entre l'ensemble de presse-étoupe 10 et l'arbre 8 peut être calculée dans le cadre 214. Q = kAr~ où : k = coefficient d'écoulement en fonction du type de presse-étoupe A = surface de section transversale de trajet d'écoulement = f(Pression et géométrie de presse-étoupe) En ce point, on devra apprécier le fait que la présente invention procure un système et un procédé pour déterminer une fuite de vapeur dans une turbine à vapeur à l'aide de valeurs connues au lieu de paramètres inférés. L'utilisation de valeurs connues accroît la précision de mesure, ce qui permet aux ingénieurs d'établir un espacement de fonctionnement efficace entre l'arbre et l'ensemble de presse-étoupe, de façon à améliorer le fonctionnement de la turbine à vapeur. On devra également apprécier le fait que, alors que la vapeur à basse température et à basse pression est décrite comme émanant d'une section de bol à pression intermédiaire de la turbine à pression intermédiaire, différentes autres sources de vapeur à basse température et à basse pression ayant des températures et des pressions connues peuvent être employées. Finalement, on devra apprécier le fait que les températures et les pressions décrites ci-dessus servent à des fins explicatives et peuvent varier à l'intérieur de l'étendue de l'applicabilité d'exemples de réalisation de la présente invention. De façon générale, cette description écrite utilise des exemples pour décrire l'invention, comprenant le meilleur mode, et, également, pour permettre à toute personne ayant une bonne connaissance de la technique de mettre en oeuvre l'invention, y compris de réaliser et d'utiliser tous dispositifs ou systèmes, et de réaliser tous procédés incorporés. Liste des parties 2 Centrale électrique 4 Première section de turbine (haute pression) 6 Deuxième section de turbine (pression intermédiaire) 8 Arbre Ensemble de presse-étoupe (presse-étoupe médian) Pluralité de bagues de presse-étoupe (non représentées) 14 Premier conduit 10 16 Première section d'extrémité 17 Deuxième section d'extrémité 18 Section intermédiaire (bol à pression intermédiaire non représenté) 24 Deuxième conduit 26 Première partie d'extrémité 27 Deuxième partie d'extrémité 28 Partie intermédiaire 30 Condenseur 40 Capteur de pression 42 Capteur de température 44 Débitmètre 48 Vanne 54 Vapeur à haute température et à haute pression 56 Générateur de vapeur à récupération de chaleur 164 Vapeur à basse température et à basse pression 174 Ecoulement combiné 104 Dispositif de commande REVENDICATIONS 1. Turbine à vapeur (2), caractérisée en ce qu'elle comprend : une première section de turbine (4) comprenant un écoulement de vapeur à haute température (54) ; une deuxième section de turbine (6) ; un arbre (8) reliant de façon opérationnelle la première section de turbine (4) et la deuxième section de turbine (6) ; un ensemble de presse-étoupe (10) positionné autour de l'arbre (8), l'ensemble de presse-étoupe (10) limitant une quantité de l'écoulement de vapeur haute pression (54) passant le long de l'arbre (8) de la première section de turbine (4) à la deuxième section de turbine (6) ; un premier conduit (14) relié vis-à-vis des fluides à l'ensemble de presse-étoupe (10), le premier conduit (14) étant adapté pour introduire un écoulement de vapeur à basse température et à basse pression (164) dans l'ensemble de presse-étoupe (10) ; un deuxième conduit (24) relié vis-à-vis des fluides à l'ensemble de presse-étoupe en aval de la première section de turbine (4) et en amont du premier conduit (14), le deuxième conduit (24) recevant une partie de la vapeur à haute température et à haute pression (54) passant dans l'ensemble de presse-étoupe (10) à partir de la première section de turbine (4) ; et une vanne (48) reliée vis-à-vis des fluides au deuxième conduit (24), la vanne (48) étant adaptée de façon à être actionnée de façon sélective afin de permettre à la vapeur à haute température et à haute pression (54) de se mélanger à la vapeur à basse pression et à basse température (164) dans le deuxième conduit (24). 2. Turbine à vapeur (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus : un débitmètre (44) relié vis-à-vis des fluides au deuxième conduit (24), le débitmètre (44) détectant un paramètre d'écoulement de la vapeur passant par le deuxième conduit (24). 3. Turbine à vapeur (2) selon la revendication 1, caractérisée ence qu'elle comprend de plus : un capteur de pression (40) relié de façon opérationnelle au deuxième conduit (24), le capteur de pression (44) détectant un paramètre de pression de la vapeur dans le deuxième conduit (24). 4. Turbine à vapeur (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus : un capteur de température (42) relié de façon opérationnelle au deuxième conduit (24), le capteur de température (44) détectant un paramètre de température de la vapeur dans le deuxième conduit (24). 5. Turbine à vapeur (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus : un condenseur (30), le deuxième conduit (24) menant de l'ensemble de presse-étoupe (10) au condenseur (30). 6. Turbine à vapeur (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la deuxième turbine comprend un écoulement de vapeur à basse température, l'écoulement de vapeur basse pression passant de la deuxième section de turbine au premier conduit. 7. Turbine à vapeur (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première section de turbine (4) est une section de turbine haute pression et en ce que la deuxième section de turbine (6) est une section de turbine à pression intermédiaire. 8. Turbine à vapeur (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus : un générateur de vapeur à récupération de chaleur (56) relié de façon opérationnelle à la première section de turbine (4).