Brevet FR2979377A1 — publié le 20130301

Système et procédé pour prévoir des frottements dans une turbine La présente invention concerne les turbines et, en particulier, la prévision de frottements éventuels d'une partie du rotor de turbine contre les pièces montées dans le carter de la turbine ou contre le carter de turbine lui-même pendant un démarrage de la turbine. Généralement, les turbomachines ont, en leur centre, un rotor qui tourne dans un carter ou une enveloppe fixe. Un fluide de travail (un gaz ou de la vapeur) passe sur une ou plusieurs rangées d'aubes mobiles de rotor à disposition circonférentielle, qui s'étendent radialement depuis le pourtour de l'arbre du rotor, et une ou plusieurs rangées d'aubes fixes de stator, à disposition circonférentielle, qui s'étendent d'une manière centripète depuis la surface intérieure du carter jusqu'à l'arbre du rotor. Le fluide de travail coopère avec les aubes et fait tourner l'arbre du rotor pour entraîner une charge telle qu'un alternateur électrique ou un compresseur. Afin d'assurer une extraction aussi grande que possible d'énergie du fluide, les bouts des aubes du stator sont généralement très proches de la surface du rotor. De même, les bouts des aubes du rotor sont généralement très proches de la surface interne du carter. Une telle configuration empêche que des quantités excessives de fluide de travail n'évitent la rangée d'aubes de rotor sans leur communiquer d'énergie. Les différences de dilatation thermique, pendant les régimes de fonctionnement, entre le carter et le rotor provoquent des variations des jeux aux bouts. Dans les cas extrêmes, les variations peuvent aboutir à un phénomène appelé "frottement" dans lequel les bouts arrivent au contact d'un autre objet. Par exemple, les bouts des aubes du rotor peuvent toucher le carter. Les turbomachines sont également soumises à toutes sortes de forces dans divers régimes de fonctionnement, en particulier pendant des régimes transitoires tels que les démarrages, les arrêts et les changements de charge. Ces forces peuvent également provoquer des frottements. Dans certains cas, le frottement peut endommager les aubes du rotor et du stator ainsi que les joints de la turbomachine. Les dégâts entraînent des réparations coûteuses et des périodes d'immobilisation des machines. En outre, lorsque des frottements sont subis pendant le démarrage, les procédures courantes nécessitent que la turbomachine soit arrêtée puis remise en marche ultérieurement. Ce processus risque de provoquer de nouvelles périodes d'immobilisation des machines. Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un système pour prévoir des frottements dans une turbine. Le système selon cet aspect comporte un système de surveillance conçu pour former des valeurs de fonctionnement pour une turbine d'après des informations reçues de la turbine, et un moteur de corrélation conçu pour former au moins une valeur corrélée à partir des valeurs de fonctionnement, qui corrèle une première valeur de fonctionnement avec une seconde valeur de fonctionnement. Le système selon cet aspect comprend également un moyen de dérivation de variables conçu pour former au moins une variable dérivée à partir d'une des valeurs de fonctionnement, et un moyen de prévision de frottements qui forme une prévision de frottements d'après la/les valeurs corrélées et la/les valeurs dérivées. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour prévoir des frottements dans une turbine. Le procédé selon cet aspect comporte : la formation, dans un système de surveillance, de valeurs de fonctionnement pour une turbine d'après les informations reçues de la turbine ; la formation, dans un moteur de corrélation, d'au moins une valeur corrélée à partir des valeurs de fonctionnement, qui corrèle une première valeur de fonctionnement avec une seconde valeur de fonctionnement ; la formation, dans un moyen de dérivation de variables, d'au moins une variable dérivée à partir d'une des valeurs de fonctionnement ; et la formation, dans un moyen de prévision de frottements, d'une prévision de frottements d'après la/les valeurs corrélées et la/les valeurs dérivées. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un plan de flux de données illustrant un système pour et un procédé de création de prévision de frottements ; et - la figure 2 illustre un système dans lequel des formes de réalisation de la présente invention peuvent être mises en oeuvre. La figure 1 illustre un système 100 pour prévoir des frottements selon une forme de réalisation, monté dans un exemple de système de turbine 102. Sur la figure 1, le fonctionnement du système 100 est illustré de façon qu'il comprenne des informations de flux de données ainsi que des pièces individuelles. Le système 100 peut servir à créer une prévision (prévision 122 de frottements) quant à l'éventualité de la survenance de frottements pendant le prochain démarrage du système de turbine 102. Dans une forme de réalisation, des paramètres de fonctionnement de la turbine peuvent être réglés afin d'éviter ou de réduire la probabilité de frottements en fonction d'une prévision 122 de frottements. Le système de turbine 102 peut comprendre n'importe quel type de turbine. Par exemple, le système de turbine 102 pourrait comprendre une turbine à gaz, une turbine à vapeur ou autre dispositif qui convertit l'énergie d'un fluide de travail en énergie mécanique. Dans le cas où le système de turbine 102 comprend une turbine à vapeur, le système de turbine 102 comprend généralement un condenseur 104 qui contient de l'eau. L'eau du condenseur 104 est convertie en vapeur par une chaudière 108, puis fourni à une turbine à vapeur 130 via un conduit 106 d'eau/vapeur. La vapeur circule dans la turbine à vapeur 130 et est renvoyée dans le condenseur 104. Pendant que la vapeur circule dans la turbine à vapeur 130, elle se détend et fait tourner le rotor 132 de la turbine sous l'effet de l'interaction de la vapeur avec les aubes fixées au rotor 132 de la turbine. Le rotor 132 de turbine peut servir, par exemple, à entraîner un alternateur (non représenté) afin de produire de l'électricité. Bien que les explications qui vont suivre concernent la turbine à vapeur 130, les principes de celle-ci peuvent également s'appliquer à une turbine à gaz. La turbine à vapeur 130 comprend des aubes mobiles 134 (ailettes) de rotor qui s'étendent radialement vers l'extérieur depuis le rotor 132 de turbine. Des aubes 136 de stator s'étendent radialement vers l'intérieur depuis un carter extérieur 138 de la turbine à vapeur 130 vers le rotor 132 de turbine et sont globalement disposées entre les aubes longitudinalement consécutives 134 du rotor. La turbine à vapeur 130 peut comprendre une ou plusieurs sections à haute, moyenne et basse pression et de la sorte, peut comprendre plus d'un conduit 106 d'eau/vapeur relié à celle-ci, fournissant de la vapeur à différentes pressions différentes sections de la turbine à vapeur 130. Par ailleurs, chacune des sections peut comprendre une cuvette de chauffage (ou de réchauffage) dans laquelle de la vapeur est portée à la température/la pression requises pour la section correspondante. Le système de turbine 102, quel que soit son type, est couplé au système 100 et fournit des informations au système 100. Dans la forme de réalisation illustrée, les informations sont fournies à un système de surveillance 110 de turbine. Les informations peuvent comprendre, d'une manière nullement limitative, des valeurs de fonctionnement du système de turbine 102. Les valeurs de fonctionnement peuvent être mesurées par des capteurs ou peuvent être obtenues à partir de valeurs mesurées par des capteurs. Les valeurs de fonctionnement peuvent également comprendre des informations non mesurées telles que, par exemple, le nombre et le type de démarrages qu'a connu le système de turbine 102. Dans une forme de réalisation, les valeurs de fonctionnement comprennent, d'une manière nullement limitative, la température de la vapeur à son entrée dans la turbine à vapeur 138, une température supérieure de métal de cuvette de premier étage (par exemple, à haute pression), une première température inférieure de métal de cuvette de premier étage, une température de métal d'un ou de plusieurs paliers montés sur n'importe quel étage du rotor 132, une température de sortie de refroidisseur d'huile de lubrification, une température supérieure de métal intérieur de cuvette de réchauffage d'eau, des vibrations sur l'axe transversal de l'un quelconque des paliers suivant l'axe longitudinal du rotor 132 de turbine (l'axe longitudinal est représenté par une flèche A et l'axe transversal est représenté par une flèche B) et les positions de la vanne générale d'arrêt ou d'interception. Sur la figure 1, les valeurs de fonctionnement sont illustrées par des données désignées par le repère 112. Le système de surveillance 110 peut convertir sous un format différent les informations qu'il reçoit du système de turbine 102. Dans une forme de réalisation, les valeurs de fonctionnement 112 sont fournies à un moteur de corrélation 114. Le moteur de corrélation 114 forme des valeurs corrélées 115 à partir des valeurs de fonctionnement. Les valeurs corrélées 115 peuvent comprendre une ou plusieurs valeurs qui corrèlent une valeur de fonctionnement (ou une combinaison de multiples variables) avec une ou plusieurs autres valeurs de fonctionnement. Les valeurs corrélées 115 peuvent comprendre, par exemple, une corrélation entre une différence entre les températures de vapeur d'entrée et la température intérieure supérieure du métal du premier étage et la température du métal d'un des paliers (par exemple, le premier) sur l'axe longitudinal du rotor 132 de turbine, la température de la vapeur d'entrée et la température de sortie du refroidisseur d'huile de lubrification, et la température de vapeur d'entrée et la température d'évacuation d'huile d'un des paliers (par exemple, le deuxième). Les valeurs corrélées 115 se présentent, par exemple, sous la forme d'une corrélation de Spearman ou Kendall. Les valeurs de fonctionnement 112 peuvent également être fournies à un moyen de dérivation 116 de variables qui forme des valeurs dérivées 118. Le moyen de dérivation 116 de variables peut être conçu pour former, dans une forme de réalisation, une analyse historique d'une ou de plusieurs des valeurs de fonctionnement 112. Dans une forme de réalisation, le moyen de dérivation 116 de variables considère les valeurs de fonctionnement 112 prises avant et après un point de montée en régime. Par exemple, le moyen de dérivation 116 de variables peut prendre en considération des valeurs de fonctionnement 112 qui vont de 90 minutes avant un point de montée en régime de la turbine (par exemple, le démarrage à chaud de la turbine) jusqu'à 30 minutes après la montée en régime. Limiter de cette manière les valeurs de fonctionnement 112 permet de réduire le temps de calcul tout en interceptant des valeurs concernant un démarrage de turbine. Le moyen de dérivation 116 de variables et/ou le moteur de corrélation 114 peuvent éventuellement être conçus pour filtrer certaines valeurs à partir des valeurs de fonctionnement 112 respectivement avant la formation des variables dérivées 118 et des valeurs corrélées 115. Dans une forme de réalisation, les valeurs qui ont été mesurées lorsque la turbine fonctionnait hors d'une plage définie de vitesses de rotation (en tours/min) sont extraites par filtrage. La plage peut comprendre une limite initiale (par exemple, 7 tours/min) et une limite terminale (par exemple, 1000 tours/min). Dans une forme de réalisation, le moyen de dérivation 116 de variables est conçu pour déterminer le changement ou la vitesse de changement d'une ou de plusieurs des valeurs de fonctionnement 112. De plus, le moyen de dérivation 116 de variables peut être conçu pour déterminer le niveau des valeurs de fonctionnement 112 au début de la plage de vitesses de rotation (par exemple, lorsque la turbine tournait à 7 tours/min) et le niveau de la valeur de fonctionnement à la fin de la plage de vitesses de rotation (par exemple, 1000 tours/min), ainsi que la différence de valeurs sur cette plage. Par exemple, les variables dérivées 118 peuvent comprendre les vibrations dans le sens de l'axe B de l'un quelconque des paliers lorsque la turbine a atteint la fin de la plage, les contraintes initiales mesurées dans l'alésage du rotor ou sur la surface extérieure du rotor de la section haute pression, la température du métal de l'un quelconque des paliers à la fin de la plage de vitesses de rotation. Dans une forme de réalisation, le moteur de corrélation 114 et/ou le moyen de dérivation 116 de variables prennent en compte uniquement les valeurs de fonctionnement 112 liées au démarrage précédant immédiatement le prochain démarrage prévu. Dans une autre forme de réalisation, le moteur de corrélation et/ou le moyen de dérivation 116 de variables prennent en considération les valeurs de fonctionnement 112 liées à plusieurs démarrages précédant immédiatement le prochain démarrage prévu. Le système 100 comporte également un moyen de prévision 120 de frottements qui, à partir d'une ou de plusieurs des valeurs de fonctionnement 112, des valeurs corrélées 114 et des variables dérivées 118, forme une prévision 122 de frottements indiquant une probabilité que des frottements accompagnent un prochain démarrage. Dans une forme de réalisation, le moyen de prévision 120 de frottements applique un algorithme formé d'après un examen des régimes de turbines qui ont connu des frottements. Dans une forme de réalisation, l'algorithme utilise au moins une des valeurs corrélées 115 et au moins une des variables dérivées 118 pour former la prévision de frottements. La prévision 122 de frottements peut être une valeur binaire (par exemple, oui ou non) ou peut être exprimée en termes de probabilité de survenance de frottements. Dans une forme de réalisation, la prévision 122 de frottements repose sur la détermination d'une probabilité (p) de frottements qui peut être exprimée comme dans l'équation (1) ci- dessous : e(L) (1) 1) =1+ e(L) Dans une forme de réalisation, L est exprimée en fonction d'au moins une des valeurs corrélées 115 et d'au moins une des variables dérivées 118 et peut prendre, par exemple, la forme de l'équation (2) ci-dessous : L = A (CV) + B (DV) (2) où A et B sont des coefficients, CV est l'une des valeurs corrélées 115 et DV est l'une des variables dérivées 118. Dans une forme de réalisation, les valeurs de A et B peuvent être formées d'après une analyse de survenances antérieures de frottements, ce que permet le choix de CV et de DV. De plus, on comprendra que L peut reposer sur n'importe quel nombre de CV et de DV différentes. Une forme de réalisation de la présente invention a pour effet technique que, d'après des fonctionnements antérieurs, il est possible de former une prévision de l'éventualité de survenance de frottements au moment du prochain démarrage d'une turbine. Considérant maintenant la figure 2, il y est représenté une forme de réalisation d'un système de traitement 200 pour mettre en oeuvre les principes expliqués ici. Le système de traitement 200 est un exemple de serveur ou autre dispositif informatique dans lequel peut être mis en oeuvre le système de prévision 100 de frottements (figure 1). Dans cette forme de réalisation, le système de traitement 200 a une ou plusieurs unités centrales (processeurs) 201a, 201b, 201c, etc. (appelés de manière collective ou générique processeur(s) 201). Dans une forme de réalisation, chaque processeur 201 peut comprendre un microprocesseur d'ordinateur à jeu d'instructions réduit (RISC). Les processeurs 201 sont couplés à une mémoire système 214 et divers autres composants via un bus système 213. Une mémoire morte (ROM) 202 est couplée au bus système 213 et peut comprendre un système élémentaire d'entrée/sortie (BIOS) qui commande certaines fonctions de base du système 200. La figure 2 représente en outre un adaptateur 207 d'entrée/sortie (E/S) et un adaptateur 206 de réseau couplé au bus système 213. L'adaptateur d'E/S 207 peut être un adaptateur d'interface de systèmes de petit ordinateur (SCSI) qui communique avec un disque dur 203 et/ou un lecteur de stockage 205 à bande ou quelque autre composant similaire. L'adaptateur d'E/S 207, le disque dur 203 et le lecteur de stockage à bande 205 sont désignés ici collectivement sous l'appellation de mémoire de masse 204. Un adaptateur 206 de réseau interconnecte le bus 213 avec un réseau extérieur 216 permettant au système 200 de communiquer avec d'autres systèmes de ce type. Un écran (par exemple, un moniteur d'affichage) 215 peut afficher la prévision de frottements 122 et peut être connecté au bus système 213 par l'adaptateur d'affichage 212, lequel peut comprendre un adaptateur graphique afin d'améliorer les performances des applications utilisant de nombreux graphiques, et un contrôleur vidéo. Dans une forme de réalisation, les adaptateurs 207, 206 et 212 peuvent être connectés à un ou plusieurs bus d'E/S qui sont connectés au bus système 213 à l'aide d'une passerelle de bus intermédiaire (non représentée). Des bus d'E/S appropriés pour connecter des périphériques tels que des unités de commande de disques durs, des adaptateurs de réseaux et des adaptateurs graphiques comprennent ordinairement des protocoles courants tels que le protocole d'interface de composants périphériques (PCI). Des dispositifs d'entrée/sortie supplémentaires sont représentés connectés au bus système 213 à l'aide de l'adaptateur 208 d'interface utilisateur et de l'adaptateur d'affichage 212. Un clavier 209, une souris 210 et une enceinte acoustique 211 sont tous interconnectés au bus 213 à l'aide de l'adaptateur 208 d'interface utilisateur qui, par exemple, peut comprendre une puce d'E/S intégrant de multiples adaptateurs de dispositifs dans un seul circuit intégré. Le système de traitement 200 peut être n'importe quel ordinateur ou plate-forme informatique et peut comprendre un terminal, un dispositif sans fil, un appareil contenant des informations, un dispositif, un poste de travail, un mini-ordinateur, un ordinateur central, un serveur, un assistant numérique personnel (PDA), n'importe quel autre dispositif informatique mobile ou portatif ou n'importe quel autre dispositif informatique plus grand. En outre, le système de traitement 200 peut également être mis en oeuvre dans une architecture informatique distribuée telle qu'un nuage. Le système de traitement 200 peut comprendre de multiples dispositifs informatiques reliés les uns aux autres par un réseau de communications. Par exemple, il peut exister une relation client- serveur entre deux systèmes et le traitement peut être réparti entre les deux. N'importe quel système d'exploitation d'ordinateur peut être utilisé par le système de traitement 200. Le système de traitement 200 comprend également une interface réseau 206 pour communiquer par l'intermédiaire d'un réseau 216. Le réseau 216 peut être un réseau local (LAN), un réseau métropolitain (MAN) ou un réseau étendu (WAN), par exemple l'Internet ou la Toile mondiale. Liste des repères 100 Système 102 Exemple de système de turbine 104 Condenseur 106 Conduit d'eau/vapeur 108 Chaudière 110 Système de surveillance de turbine 112 Valeurs de fonctionnement 114 Moteur de corrélation 115 Valeurs corrélées 116 Moyen de dérivation de variables 118 Valeurs dérivées 120 Moyen de prévision de frottements 122 Prévision de frottements 130 Turbine à vapeur 132 Rotor de turbine 134 Aubes de rotor 136 Aubes de stator 138 Carter extérieur 200 Système de traitement 201 Processeurs 201a-201c Unités centrales 202 Mémoire morte (ROM) 203 Disque dur 204 Stockage de masse 205 Lecteur de stockage sur bande 206 Adaptateur réseau 207 Adaptateur d'entrée/sortie (E/S) 208 Adaptateur d'interface utilisateur 209 Clavier 210 Souris 211 Enceinte acoustique 212 Adaptateur d'affichage 213 Bus système 214 Mémoire système 215 Ecran 216 Réseau extérieur REVENDICATIONS1. Système (100) pour prévoir des frottements dans une turbine, comportant : un système de surveillance (110) conçu pour former des valeurs de fonctionnement (112) pour une turbine d'après des informations reçues de la turbine ; un moteur de corrélation (114) conçu pour former au moins une valeur corrélée (115) à partir des valeurs de fonctionnement (112), qui corrèlent une première valeur de fonctionnement avec une seconde valeur de fonctionnement ; un moyen de dérivation de variables (116) conçu pour former au moins une variable dérivée (118) à partir d'une des valeurs de fonctionnement (112) ; et un moyen de prévision (120) de frottements qui effectue une prévision (122) de frottements d'après la/les valeurs corrélées (115) et la/les valeurs dérivées (118). 2. Système (100) selon la revendication 1, dans lequel les valeurs de fonctionnement (112) comprennent une ou plusieurs des valeurs suivantes : une température de vapeur à son entrée dans la turbine ; une température supérieure de cuvette du premier étage ; une température inférieure de cuvette du premier étage ; la température d'un palier couplé à n'importe quel étage d'un rotor de la turbine ; une température de sortie de refroidisseur d'huile de lubrification ; une température intérieure supérieure de réchauffage d'eau de la cuvette ;une mesure de vibrations sur un axe longitudinal du rotor ; une position d'une vanne générale d'arrêt ; et une position d'une vanne d'interception. 3. Système (100) selon la revendication 2, dans lequel les valeurs corrélées (115) comprennent une ou plusieurs des corrélations suivantes : une corrélation entre une différence entre les températures de vapeur d'entrée et la température intérieure supérieure du métal du premier étage et la température du métal d'un des paliers sur l'axe longitudinal du rotor (132) de turbine ; une corrélation entre la température de vapeur d'entrée et la température de sortie du refroidisseur d'huile de lubrification ; et une corrélation entre la température de vapeur d'entrée et la température d'évacuation d'huile d'un des paliers. 4. Système (100) selon la revendication 3, dans lequel les valeurs corrélées (115) sont formées d'après une corrélation de Spearman ou de Kendall. 5. Système (100) selon la revendication 2, dans lequel les variables dérivées 118 comprennent un changement ou une vitesse de changement d'une ou de plusieurs des valeurs de fonctionnement (112). 6. Système (100) selon la revendication 2, dans lequel les variables dérivées 118 comprennent une valeur initiale ou une valeur finale d'une des valeurs de fonctionnement (112). 7. Système (100) selon la revendication 1, dans lequel le moyen de prévision (120) de frottements forme la prévision (122) de frottements d'après une relation entre un facteur de probabilité p et une valeur L de façon que e(L) P= 1+ e(L)où L est au moins partiellement formée par la/les valeurs corrélées (115) et la/les valeurs dérivées (118). 8. Procédé pour prévoir des frottements dans une turbine, comportant : la formation, dans un système de surveillance (110), de valeurs de fonctionnement pour une turbine d'après des informations reçues de la turbine ; la formation, dans un moteur de corrélation (114), d'au moins une valeur corrélée (115) à partir des valeurs de fonctionnement (112), qui corrèle une première valeur de fonctionnement avec une seconde valeur de fonctionnement ; la formation, dans un dériveur (116) de variables, d'au moins une variable dérivée (118) à partir d'une des valeurs de fonctionnement (112) ; et la formation, dans un moyen de prévision (120) de frottements, d'une prévision (122) de frottements d'après la/les valeurs corrélées (115) et la/les valeurs dérivées (118). 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les valeurs de fonctionnement (112) comprennent une ou plusieurs des valeurs suivantes : une température de vapeur à son entrée dans la turbine ; une température supérieure de cuvette du premier étage ; une température inférieure de cuvette du premier étage ; la température d'un palier monté sur n'importe quel étage d'un rotor de la turbine ; une température de sortie de refroidisseur d'huile de lubrification ; une température intérieure supérieure de cuvette de réchauffage d'eau ;une mesure de vibrations sur un axe longitudinal du rotor ; une position d'une vanne d'arrêt générale ; et une position d'une vanne d'interception. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les valeurs corrélées (115) comprennent une ou plusieurs des corrélations suivantes : une corrélation entre une différence entre les températures de vapeur d'entrée et la température intérieure supérieure du métal du premier étage et la température du métal d'un des paliers sur l'axe longitudinal du rotor (132) de turbine ; une corrélation entre la température de vapeur d'entrée et la température de sortie du refroidisseur d'huile de lubrification ; et une corrélation entre la température de vapeur d'entrée et la température d'évacuation d'huile d'un des paliers.