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REGISTRE DE DEVIATION DES FUMEES D'INSTALLATION DE
CENTRALES ELECTRIQUES DITES A CYCLE COMBINE Obiet de l'invention
La présente invention vise a apporter des améliorations au registre de déviation des fumées qui est destiné aux centrales électriques dites à cycle combiné.
Arrière-plan technologique
Les centrales électriques dites à cycle combiné sont constituées d'une turbine à gaz entraînant un alternateur, d'une chaudière de récupération d'énergie générant de la vapeur et d'une turbine à vapeur entraînant également un alternateur.
Une chaudière est prévue pour récupérer l'énergie calorifique contenue dans les gaz d'échappement de la turbine à gaz, les derniers étant en fait caractérisés par un grand volume et une température élevée.
Le cycle combiné se caractérise par une pollution très réduite, un rendement très élevé, et une grande vitesse de démarrage.
Dans ce type d'installation, un conduit de dérivation des fumées, qualifié généralement de"by-pass fumée", est généralement installé sur le circuit des gaz d'échappement de la turbine à gaz, avant la chaudière, afin de permettre, selon les nécessités, de diriger les gaz chauds soit directement vers l'atmosphère, soit vers la chaudière. Ceci assure une indépendance des cycles gaz et vapeur et permet de bénéficier des avantages inhérents à la turbine à gaz, à savoir un démarrage extrêmement rapide et un délai d'installation très court, lorsque le cycle vapeur n'est pas disponible ou n'est pas nécessaire. La turbine travaille alors en cycle ouvert c'est-à-dire avec évacuation directe des fumées à l'atmosphère.
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Bien entendu, le by-pass fumée doit être équipé d'un organe permettant de dévier le débit de gaz chaud, à savoir un registre de déviation des fumées.
Il est à noter que le marché actuel des turbines à gaz tend à une augmentation des puissances des machines qui vont actuellement de 100 MW jusqu'à 230 MW, puissances qui risquent d'aller au-delà dans un proche avenir.
Dans ces conditions opératoires, les gaz circulent à des vitesses de l'ordre de 100 à 150 km/H et présentent des températures de l'ordre de 6500C.
Le registre de déviation des fumées qui est en fait un équipement sophistiqué, doit répondre à beaucoup de critères de performances. On peut citer entre autre un très haut niveau d'étanchéité et une manoeuvrabilité rapide et fiable en toutes circonstances. Il convient de noter également que ce fonctionnement est soumis à des conditions très sévères : très grandes dimensions (de l'ordre de 6mx7mx7m), températures élevées des fumées, chocs thermiques importants, haute vitesse des fumées et grandes turbulences de celles-ci.
On connaît déjà plusieurs technologies qui sont appliquées industriellement et qui bénéficient chacune de leurs avantages et inconvénients.
On connaît notamment les dispositifs dits"multiventelle"qui comportent deux registres, l'un sur le bypass fumée, l'autre sur le conduit des gaz en direction de la chaudière.
Chacun de ces, registres se compose généralement de plusieurs volets tournant chacun sur leur axe. La rotation des volets ouvre ou ferme le conduit des gaz où il est disposé.
Cette technique permet une bonne capacité de réglage du débit des fumées mais cette caractéristique n'est pas recherchée en cycle combiné. Leurs inconvénients sont la faible performance d'étanchéité du fait de la
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grande longueur de leur joint d'étanchéité et un risque non négligeable pouvant provenir de la fermeture simultanée des deux registres ce qui entraînerait des dégâts importants au matériel amont.
Ces registres, par suite de leurs faibles performances, ne sont pratiquement pas utilisés en cycle combiné mais sont réservés à des applications industrielles où un réglage de débit des fumées vers la chaudière peut s'avérer nécessaire.
Il existe aussi des dispositifs à simple porte articulée sur un arbre moteur. La porte ferme soit le conduit des gaz vers la chaudière, soit le conduit des gaz vers le by-pass.
Ce type de matériel offre de très bonnes performances d'étanchéité, garantissant le rendement maximum au cycle combiné et est bien adapté aux machines de puissance jusqu'à 120 MW.
Néanmoins, du fait de la pression des gaz qui s'oppose au début à l'ouverture de la porte puis ensuite vers le milieu de la course d'ouverture, les gaz d'échappement tour à tour s'opposent ou facilitent l'ouverture ce qui provoque de fortes vibrations puis enfin cette pression tend à augmenter la vitesse d'ouverture, toutes ces variations très importantes de contraintes dans l'arbre support de porte ainsi que dans tout le système de commande nécessitent un ensemble de très forte dimension.
Un autre inconvénient résulte de la limite technologique de hauteur de porte, interdisant son utilisation pour les turbines à gaz modernes de grande puissance.
Ce type de registre est cependant de loin le plus couramment utilisé de par le monde, pour des turbines à gaz limitées en puissance.
On a en conséquence proposé des registres à simple porte mais dont la commande est assurée par un arbre auxiliaire, qualifié généralement de"Toggle".
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Dans cette forme d'exécution, une simple porte est montée sur un arbre support mais la commande s'effectue par un arbre tubulaire séparé relié à la porte par des bielles.
Tout en offrant les mêmes avantages que les registres à commande directe précités, elles peuvent être mieux adaptées aux turbines à gaz de grande puissance.
Cependant, leurs inconvénients sont que le problème d'instabilité existe toujours quoi que réduit par rapport à la solution précédente.
De plus, la commande hydraulique est plus difficile à implanter, l'arbre ayant une rotation supérieure à 120 C. L'arbre de commande tubulaire doit être de gros diamètre et d'épaisseur importante car, étant situé dans le by-pass fumée il subit des contraintes thermiques et mécaniques importantes lors de la manoeuvre de la porte.
On a également proposé des registres à trois portes qui sont constitués de trois portes indépendantes les unes des autres et qui ferment chacune une partie du passage des fumées. Tout en étant adaptables aux turbines à gaz modernes de grande puissance, ils se caractérisent par de moins bonnes performances d'étanchéité (résultant de la surlongueur des joints d'étanchéité) par une complexité de commandes importantes puisqu'il faut agir sur trois arbres et par une sécurité intrinsèque douteuse du fait qu'une ouverture accidentelle est possible par simple défaut de la tension électrique.
But visé par la présente invention
La présente invention vise à offrir un dispositif amélioré adaptable aux registres des machines actuelles ainsi qu'à celles futures de puissance élevée en particulier, tout cela en évitant les inconvénients précités des solutions de l'état de la technique.
Divers avantages, caractéristiques techniques et
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perfectionnements propres à l'invention apparaîtront dans la description qui suit des éléments caractéristiques de l'invention et de formes d'exécution préférées de l'invention Eléments caractéristiques de l'invention
Pour atteindre les buts précités, il importe de protéger autant que possible les éléments de commande de la porte, de l'effet de chocs thermiques auxquels ils sont exposés dans les formes d'exécution précédemment décrites.
La solution proposée par l'invention consiste en un registre constitué d'une seule porte articulée sur un arbre destiné uniquement à supporter la porte afin de bénéficier des avantages qui y sont associés dans la forme d'exécution "Toggle".
Selon la forme d'exécution de l'invention, la manoeuvre de la porte s'effectue par des tirants articulés dans le bas de la porte par l'intermédiaire de rotules sphériques et qui traversent le corps du registre dans une paroi oblique latérale du conduit de fumée.
Les tirants sont connectés à une poutre transversale guidée, elle-même manoeuvrée par des moyens appropriés situés de part et d'autre du corps du registre.
De préférence, cette manoeuvre est assurée par deux vérins dont le mouvement rectiligne ouvre ou ferme la porte en imprimant à la poutre transversale guidée un mouvement essentiellement vertical le long des guides de la poutre.
Afin de réduire nettement les pertes de charge des fumées en cycle ouvert ainsi que la génération de bruits, consécutive au changement brutal de direction des fumées, diverses mesures spécifiques sont prévues selon l'invention.
D'une part, la porte dans sa position fermée vers la chaudière, c'est-à-dire celle du fonctionnement en cycle ouvert est disposée selon un angle incliné par rapport à
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l'horizontale.
Ceci contribue à guider les fumées en cycle ouvert vers la cheminée.
D'autre part, le coin supérieur vers le by-pass est fortement coupé par une paroi latérale, de préférence pratiquement parallèle à la porte dans ladite position fermée.
Finalement, le fond du registre comporte un logement pouvant recevoir le bas de la porte et formant butée pour celle-ci.
Toutes ces mesures contribuent à éviter les turbulences pouvant entraîner des pertes de charge et des bruits et de plus, le coin coupé permet aisément de recevoir le point de passage des tirants dans la paroi latérale du registre.
La porte est constituée d'un châssis tubulaire de résistance étudié pour pouvoir résister éventuellement à des efforts de torsion, assurant ainsi une grande stabilité de l'ensemble, et sur lequel sont montées des faces d'étanchéité munies chacune de joints d'étanchéité simples ou doubles et d'isolation thermique. Les faces sont reliées au châssis par un système souple, permettant de manière connue en soi, les libres dilatations différentielles entre les éléments.
Les joints d'étanchéité sont du type classique à lamelles métallurgiques souples, montés en simple ou double rangées, éventuellement avec injection d'air d'étanchéité assurant une totale étanchéité aux fumées.
L'échanchéité des tirants au passage du corps, est réalisée par un système de labyrinthe muni ou non de segments d'étanchéité, montés sur un système mobile permettant des mouvements transversaux relatifs des tirants par rapport au corps. Par une disposition appropriée des tirants, les mouvements transversaux précités sont cependant généralement de faible ampleur.
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Dans cette forme d'exécution, l'arbre de la porte a uniquement pour fonction de soutenir celle-ci, cet arbre n'est donc pas moteur et ses extrémités ne traversent pas le corps du registre et aucun arbre moteur complémentaire (qui dans le cas de la forme d'exécution Toggle est prévu) n'existe dans la forme proposée, ce qui évite les problèmes d'étanchéité spécifiques à ce niveau.
Les paliers de l'arbre support selon la forme d'exécution sont également constitués de rotules sphériques.
De manière classique et connue en soi, le corps du registre est isolé thermiquement, soit intérieurement, soit extérieurement.
Les systèmes de commande incluant des vérins peuvent être mécaniques ou hydrauliques. Dans le cas d'une commande hydraulique, un système de contrôle est prévu pour assurer en permanence la manoeuvre parfaitement synchronisée des deux vérins.
De plus, le registre peut être équipé d'une tôle de fermeture intégrée, installée à la sortie du registre en direction de la chaudière et qui assure une étanchéité totale aux fumées et à la température et permet le montage et/ou l'entretien de la chaudière tout en maintenant la turbine à gaz en service, en cycle ouvert.
Par rapport aux systèmes existants, le dispositif de l'invention offre des avantages importants :
Dimensions réduites de l'arbre puisque uniquement support de porte et non moteur.
Les tirants travaillent en traction-compression pure, et sont donc facilement chargés : les lourdes pièces résistant mal aux contraintes thermiques sont évitées.
- Les pertes de charge fumée sont réduites en fonctionnement de la turbine à gaz vers le by- pass fumée : le rendement s'en trouve nettement
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amélioré en cycle ouvert.
Les dimensions sont adaptables à toute turbine à gaz, quelque soit sa puissance et sa température d'échappement.
La porte est fermement tenue en 4 points avec jeux réduits et de par sa conception le point d'instabilité n'existe pratiquement plus.
- Pas de fuite aux étanchéités d'arbre puisque l'arbre ne traverse pas le corps : gains en rendement, plus de risques inhérents aux fuites de gaz chauds.
De par la forme générale, la génération de bruit est fortement réduite et permet d'éviter un silencieux additionnel éventuel.
L'invention sera décrite plus en détail sous forme d'un mode d'exécution préféré de l'invention en référence aux dessins annexés, le tout étant destiné à illustrer l'invention, sans aucun caractère limitatif.
Brève description des dessins
La figure 1 est une représentation schématique d'une centrale électrique à cycle combiné.
La figure 2 représente une vue de côté, schématique, en coupe partielle, d'un registre à tirants traversants selon l'invention dans la position d'ouverture vers le conduit de dérivation des fumées (by-pass fumée).
La figure 3 est une vue schématique similaire à la figure 2 illustrant les deux positions de la porte et le mouvement des tirants.
La figure 4 est une vue de face, de la gauche vers la droite, c'est-à-dire du côté turbine à gaz vers chaudière correspondant à la figure 2.
La figure 5 est une vue générale en perspective du registre depuis l'arrière, c'est-à-dire que les gaz provenant de la turbine à gaz arrivent depuis la droite de la figure.
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La figure 6 est une vue de détail de l'articulation de la porte sur son axe (détail A sur la figure 3).
La figure 7 est une vue de détail des joints d'étanchéité pour des tirants dans le corps du by-pass (détail B sur la figure 3) Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention.
Une centrale électrique à cycle combiné, comme l'indique la figure 1, est essentiellement constituée d'une turbine à gaz 1 entraînant un alternateur, d'une chaudière de récupération d'énergie 3 générant de la vapeur servant à alimenter une turbine à vapeur entraînant également un alternateur.
Un registre 2 doit permettre selon le cas d'utilisation ou non de la chaudière, de diriger les gaz soit directement vers l'atmosphère par la cheminée 4, soit vers la chaudière 3 et ensuite vers l'atmosphère par la cheminée 5.
La caractéristique essentielle est le fait que le registre selon l'invention est tout d'abord mono-ventelle donc est constitué d'une seule porte 10 articulée à un arbre 11 destiné uniquement à supporter la porte.
Selon l'invention, la manoeuvre de la porte s'effectue par des tirants 13 articulés dans le bas de la porte par l'intermédiaire de rotules sphériques 15. Les tirants articulés traversent le corps du registre 2 dans une paroi oblique latérale 22 du conduit de dérivation de fumée 21.
Comme il apparaît le mieux aux figures 4 et 5, les tirants sont connectés à leur partie supérieure à une poutre transversale 31, elle-même manoeuvrée par des moyens appropriés, situés de part et d'autre du corps du registre en l'occurrence, des verins hydrauliques 35.
Avantageusement, la poutre 31 est maintenue dans
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un dispositif de guidage 33.
La porte peut ainsi effectuer un mouvement depuis une position sensiblement horizontale qui ferme le conduit de dérivation de fumée (indiqué comme 10'dans la figure 3) vers une position (indiqué comme 10''dans la figure 3) qui est inclinée par rapport à l'horizontale, le coin 40 vers là by-pass est fortement coupé pour les raisons citées dans les éléments caractéristiques.
Avantageusement, le fond du registre comporte un logement formant butée 41 pouvant recevoir la porte et éviter des turbulences qui autrement seraient provoquées par la partie saillante de la porte débordant du fond.
La porte est constituée d'un châssis tubulaire de résistance sur lequel sont montées des faces d'étanchéité.
Les joints d'étanchéité sont de type classique.
Pour ce qui concerne l'étanchéité des tirants 13 au passage du corps du registre, plus particulièrement sur la partie inclinée 22, l'invention prévoit que le tirant est pourvu d'un système d'étanchéité à soufflets 43 qui permet des mouvements transversaux relatifs des tirants par rapport au corps 22.
Un système de labyrinthe de préférence muni de segments d'étanchéité permet également le mouvement longitudinal du tirant par rapport au corps.
Ainsi qu'on le notera, une disposition appropriée des tirants permet le mouvement complet (depuis la position 10'vers la position 10'') de la porte avec des mouvements transversaux limités des tirants par rapport au corps du registre.
On notera également que contrairement aux dispositifs de l'état de la technique, aucun arbre de commande n'est disposé dans le courant de gaz chauds (fumées) dérivé par le by-pass.