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REVENDICATIONS
1. Procédé pour faire varier le régime d'une turbine dans une installation comportant une génératrice de vapeur, une pompe d'eau d'alimentation produisant dans la génératrice une pression haute supérieure à la pression critique de la vapeur, un surchauffeur, au moins une vanne ajustable réductrice de pression située entre le surchauffeur et la génératrice de vapeur et permettant d'ajuster la pression de la vapeur sortant de la génératrice de vapeur et allant vers le surchauffeur, une turbine recevant la vapeur provenant du surchauffeur et au moins une vanne de commande de la turbine pour régler l'entrée de la vapeur dans la turbine, caractérisé en ce qu'il consiste à ajuster la vanne de commande de la turbine à une position ouverte déterminée,
à maintenir la vanne réductrice de pression en position d'ouverture complète et à faire varier le débit de la pompe d'eau d'alimentation de manière à faire varier la pression de vapeur dans la génératrice de vapeur entre la pression haute supérieure à la pression critique de la vapeur et une pression plus basse mais supérieure à la pression critique, ce qui a pour résultat de faire varier la pression de vapeur à la vanne de commande de la turbine entre la pression haute et la pression plus basse.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour faire varier le régime de la turbine entre 100% et 65% du régime nominal, on fait varier en outre le débit de la pompe d'eau d'alimentation de manière que la pression de la vapeur produite dans la génératrice de vapeur lorsque la turbine fonctionne à 85% du régime nominal soit égale à ladite pression haute et que la pression de la vapeur produite dans la génératrice de vapeur lorsque la turbine fonctionne à 65% du régime nominal soit égale à ladite pression plus basse, et on fait varier l'ouverture de la vanne de commande entre une position complètement ouverte, ce qui correspond à 100% du régime nominal, et ladite position ouverte déterminée, ce qui correspond à 85% du régime nominal.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour faire varier le régime de la turbine entre 65% du régime nominal et 0% du régime nominal, on fait varier en outre l'ouverture de la vanne réductrice de pression entre une position complètement ouverte, ce qui correspond à 65% du régime nominal, et une position complètement fermée, ce qui correspond à 0% du régime nominal.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour faire varier le régime de la turbine entre 100% et 65% du régime nominal, on ouvre en outre complètement la vanne de commande de la turbine et on fait varier le débit de la pompe d'eau d'alimentation de manière que la pression de la vapeur produite dans la génératrice de vapeur lorsque la turbine fonctionne à 100% du régime nominal soit égale à ladite pression haute et que la pression de la vapeur produite dans la génératrice de vapeur lorsque la turbine fonctionne à 65% du régime nominal soit égale à ladite pression plus basse.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour faire varier le régime de la turbine entre 65% du régime nominal et 0% du régime nominal, on fait varier en outre l'ouverture de la vanne réductrice de pression entre une position complètement ouverte, ce qui correspond à 65% du régime nominal, et une position complètement fermée, ce qui correspond à 0% du régime nominal.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour faire varier le régime de la turbine entre 100% et 85% du régime nominal, on ouvre en outre complètement la vanne de commande de la turbine et on fait varier le débit d'eau d'alimentation de la pompe, de manière que la pression de la vapeur produite dans la génératrice de vapeur lorsque la turbine fonctionne à 100% du régime nominal soit égale à ladite pression haute, et que la pression de la vapeur produite dans la génératrice de vapeur lorsque la turbine fonctionne à 85% du régime nominal soit égale à ladite pression plus basse.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour faire varier le régime de la turbine entre 85% et 0% du régime nominal, on fait varier en outre l'ouverture de la vanne réductrice de pression entre une position complètement ouverte, ce qui correspond à 85% du régime nominal, et une position complètement fermée, ce qui correspond à 0% du régime nominal.
L'invention concerne un procédé permettant de faire varier le régime d'une turbine dans une centrale à vapeur comportant une installation génératrice de vapeur à pression hypercritique et une turbine.
On a utilisé dans le passé diverses méthodes pour régler le régime des turbines à vapeur dans les centrales comportant une génératrice à vapeur pour produire de la vapeur sous pression et un surchauffeur disposé entre la génératrice de vapeur et la turbine. La turbine elle-même est généralement munie d'une ou plusieurs vannes de commande permettant de faire varier la quantité de vapeur fournie à la turbine, et par là de commander son régime.
Parmi les procédés permettant de commander le régime des turbines dans les installations fonctionnant à des pressions de vapeur inférieures à la pression critique on peut citer:
1) L'utilisation d'un système d'étranglement fournissant une pression constante et de vannes fonctionnant d'une manière séquentielle. La surface active de tuyère au premier étage de la turbine est variée d'une façon séquentielle par les vannes de commande, ce qui permet de commander le flux de vapeur arrivant sur la turbine.
2) L'utilisation de vannes à étranglement variable, où le régime de la turbine est modifié en faisant varier simultanément l'ouverture de toutes ces vannes, ce qui modifie le flux de vapeur arrivant sur la turbine.
3) L'utilisation d'un système permettant de modifier la pression de la vapeur à la sortie du générateur. ce qui permet de modifier la pression de la vapeur dans les tuyères et les vannes; dans ce système, les vannes de commande sont maintenues en position fixe.
4) Enfin, I'utilisation de dispositifs hybrides, correspondant aux procédés 1 et 3 ou 2 et 3, que l'on fait intervenir à différents régimes de fonctionnement.
Chaque procédé a ses avantages et ses inconvénients lorsqu'il est utilisé dans des installations industrielles. Le procédé adopté dépend de la manière dont la génératrice de vapeur et la turbine à vapeur sont conçues. On connait par exemple le procédé décrit dans le brevet US 4.241.585.
Alors que les procédés décrits ci-dessus sont utilisables sur des installations où la pression de la vapeur est inférieure à la pression critique, ils peuvent être inutilisables dans des installations à vapeur hypercritique, c'est-à-dire utilisant des pressions de vapeur supérieures à la pression critique. qui est de 225,6-105 Pa. Ceci est en partie dû à la construction des génératrices de vapeur. Dans les installations à vapeur hypocritique, la variation de la pression de vapeur est obtenue en modifiant le chauffage de la génératrice de vapeur, ce qui modifie la pression de la vapeur fournie à la turbine.
Ce procédé n'est pas utilisable dans toutes les installations à vapeur hypercritique: ainsi, dans les génératrices à vapeur hypercritique normalement utilisées aux Etats-Unis, on ne laisse jamais tomber la pression de la vapeur au-dessous de la pression critique lorsque la génératrice de vapeur est en service.
C'est le but de l'invention que de fournir un procédé permettant de faire varier le régime d'une turbine dans une installation génératrice à vapeur hypercritique et une turbine, qui consiste à faire varier la pression pour modifier dans un certain intervalle le régime de la turbine tout en (1) réduisant au minimum les changements de température et par conséquent les chocs thermiques auxquels est soumise la turbine haute-pression et en (2) améliorant le rendement thermique lorsque la turbine fonctionne à bas régime. Cette deuxième caractéristique peut permettre de faire d'importantes économies de carburant dans les centrales à vapeur.
Le procédé selon l'invention est défini par la revendication 1.
Dans une forme d'exécution de l'invention, on fait varier le
régime de la turbine entre 100% de son régime nominal et 85% de son régime nominal en ajustant l'ouverture de la vanne de commande entre la position d'ouverture complète (100%) et celle d'ouverture partielle (85%). Pour faire varier le régime de la turbine dans l'intervalle 85%-65% du régime nominal, on fait varier le débit de la pompe d'eau d'alimentation de manière à faire varier la pression dans la génératrice de vapeur entre une pression haute, c'est-à-dire supérieure d'une valeur déterminée à la pression critique (85%), et une pression plus basse, c'est-à-dire légèrement supérieure à la pression critique (65%). Pour faire varier le régime de la turbine dans l'intervalle allant de 65% à 0% du régime nominal, on fait varier l'ouverture de la vanne réductrice de pression entre sa position complètement ouverte (65%) et sa position complètement fermée (0%).
Dans une autre forme d'exécution de l'invention, pour faire varier le régime de la turbine dans l'intervalle allant de 100% à 65% du régime nominal, on ouvre complètement la vanne de commande et on fait varier le débit de la pompe d'eau d'alimentation de manière à faire varier la pression haute susmentionnée, c'est-à-dire supérieure d'une valeur déterminée à la pression critique (100%), et la pression plus basse susmentionnée, c'est-à-dire légèrement supérieure à la pression critique (65%). Pour faire varier le régime de la turbine dans l'intervalle allant de 65% à 0% du régime nominal, on modifie l'ouverture de la vanne réductrice de pression.
Dans une autre forme d'exécution de l'invention. on fait varier le régime de la turbine entre 100% et 85% de son régime nominal en maintenant la vanne de commande complètement ouverte et en faisant varier le débit de la pompe d'eau d'alimentation de manière à faire varier la pression dans la génératrice de vapeur entre la pression haute susmentionnée, c'est-à-dire supérieure d'une valeur déterminée à la pression critique (100%), et la pression plus basse susmentionnée, c'est-à-dire légèrement supérieure à la pression critique (85%).
Pour faire varier le régime de la turbine dans l'intervalle 85% 0% du régime nominal, on fait varier l'ouverture de la vanne réductrice de pression entre sa position complètement ouverte (85%) et sa position complètement fermée (0%).
De préférence, les différentes composantes de l'installation sont conçues de manière que l'on puisse modifier le régime de la turbine en modifiant la pression de la pompe d'alimentation entre une pression haute, c'est-à-dire supérieure d'une valeur déterminée à la pression critique, et une pression plus basse, mais suffisamment plus grande que la pression critique. La valeur de cette seconde pression dépend de la construction de la génératrice de vapeur.
Une mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrite, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, dans lequel
la fig. 1 est un schéma synoptique représentant une centrale fonctionnant avec de la vapeur hypercritique sur laquelle on peut utiliser le procédé suivant l'invention permettant de faire varier le régime de la turbine,
la fig. 2 est un graphique représentant la variation de la pression d'étranglement à la vanne de commande de la turbine en fonction de son régime lorsqu'on utilise un cycle de fonctionnement selon l'invention et un cycle de fonctionnement usuel, les fig. 3a, 3b, 3c sont des graphiques représentant la variation des principales températures de vapeur en fonction du régime d'une turbine utilisée dans une installation du type représenté sur la fig.
1, fonctionnant selon le cycle de l'invention et selon le cycle usuel,
les fig. 4a et 4b sont des graphiques représentant les pressions d'entrée et de sortie de la turbine haute-pression en fonction du régime de cette turbine lorsqu'elle est utilisée dans une installation du type représenté sur la fig. 1 fonctionnant selon le cycle de l'invention et selon le cycle usuel, et
la fig. 5 est un graphique représentant la variation du rendement énergétique en fonction du régime d'une turbine fonctionnant selon le cycle de l'invention et selon le cycle usuel.
La fig. 1 est un schéma synoptique représentant une installation typique génératrice de vapeur hypercritique-turbine. On voit que la vapeur est produite dans une génératrice de vapeur 1 et qu'elle passe par une ou plusieurs vannes réductrices de pression 2 et par un surchauffeur 3. Cette vapeur passe ensuite dans une conduite de vapeur 4 aboutissant à des vannes de commande 5 de la turbine qui commandent l'entrée de la vapeur au premier étage d'une turbine à haute pression 6. Bien qu'une seule vanne soit représentée, on peut en prévoir plusieurs comme dans le cas du procédé de commande (1) décrit plus haut utilisé dans les installations fonctionnant à des pressions de vapeur inférieures à la pression critique.
La vapeur passe ensuite de la turbine haute-pression 6 dans un premier réchauffeur 7 alimentant une première turbine à vapeur réchauffée 8. La vapeur sortant de cette première turbine à vapeur réchauffée peut être acheminée sur un second réchauffeur 9 alimentant une seconde turbine à vapeur réchauffée 10. La vapeur sortant de cette seconde turbine à vapeur réchauffée est acheminée sur des turbines basse-pression. La turbine haute-pression, la première et la seconde turbine à vapeur réchauffée et les turbines basse-pression sont toutes accouplées à une ou deux génératrices électriques 1 1 selon l'agencement des turbines. L'utilisation d'un second rechauf- feur 10 est optionnelle: lorsque cela est souhaité, la vapeur sortant de la première turbine à vapeur réchauffée 8 peut être directement acheminée sur une turbine basse-pression.
La vapeur sortant des turbines basse-pression va à un condenseur de vapeur 12. Le condensat 13 formé dans le condenseur est pompé par une pompe à condensat 14 par des réchauffeurs de condensat basse-pression 15 vers la pompe d'eau d'alimentation 16. La pompe d'eau d'alimentation envoie l'eau par des réchauffeurs d'eau haute-pression 17 dans le générateur de vapeur 18. Cette pompe d'eau d'alimentation 16 maintient la pression entre la pompe et la vanne de division à une valeur préalablement choisie et supérieure à la pression critique de la vapeur. Lorsque la vanne réductrice de pression 2 est complètement ouverte cette même pression va jusqu'à la vanne de commande 5 de la turbine.
La mise en oeuvre de la première forme d'exécution du procédé conçue pour l'installation de la fig. 1 se fait comme suit. Pour modifier le régime de la turbine haute-pression 6 dans l'intervalle 100%85% du régime nominal, on fait varier l'ouverture de la vanne de commande 5 entre la position d'ouverture complète (100% du régime nominal) et celle d'ouverture partielle (85% du régime nominal).
Pour faire varier le régime de la turbine dans l'intervalle d'approximativement 85-65% du régime nominal, on ajuste la vanne de commande 5 à une position déterminée partiellement ouverte et on ouvre complètement la vanne réductrice de pression 2. On fait varier alors la pression dans la génératrice de vapeur 1 et à la vanne de commande 5 en modifiant la pression de la pompe d'eau d'alimentation 16 dans un domaine situé entre une pression haute, c'est-à-dire supérieure d'une valeur déterminée à la pression critique, et une pression plus basse, c'est-à-dire légèrement supérieure à la pression critique.
Pour faire varier le régime de la turbine dans l'intervalle allant de 100% à approximativement 85% du régime nominal, on peut aussi ouvrir complètement les vannes de commande de la turbine et modifier la pression au niveau de ces vannes comme décrit précédemment.
Pour faire varier le régime de la turbine dans l'intervalle allant approximativement de 65% à 0% du régime nominal, on modifie l'ouverture de la vanne réductrice de pression 2. Quand on réduit l'ouverture de la vanne réductrice 2, on réduit la pression au niveau de la vanne de commande 5 partiellement ouverte à des pressions inférieures à la pression critique, réduisant ainsi la pression à l'entrée de la turbine haute-pression 6. La présence d'une ou plusieurs vannes réductrices de pression 2 garantit que la pression à l'intérieur de la génératrice de vapeur 1 restera supérieure de manière permanente à la pression critique, empêchant ainsi tout risque de dommages dû aux chocs thermiques à la génératrice de vapeur, ceci même lorsque la pression dans le surchauffeur 3 et la conduite de vapeur 4 en aval de la vanne 2 est inférieure à la pression critique.
Une autre mise en oeuvre conçue pour l'installation de la fig. 1 se fait comme suit. Pour modifier le régime de la turbine haute-pression dans l'intervalle allant de 100% à approximativement 65 /ó du régime nominal, on ouvre complètement la vanne de commande 5 de la turbine 6 et on fait varier la pression de la pompe d'eau d'alimentation 16 de manière à faire varier la pression à la vanne de commande 5 dans un domaine situé entre une pression haute, c'est-àdire supérieure d'une valeur déterminée à la pression critique, et une pression basse, c'est-à-dire légèrement supérieure à la pression critique.
Pour faire varier le régime de la turbine dans l'intervalle allant approximativement de 85 /ó à 0% du régime nominal, on fait varier l'ouverture de la vanne réductrice de pression entre les positions complètement ouverte (85% du régime nominal) et complètement fermée (0% du régime nominal).
Une caractéristique des trois méthodes est que l'on fait varier le régime dans une partie de l'intervalle de la variation totale en modifiant le débit de la pompe d'eau d'alimentation de manière à faire varier la pression de la vapeur produite entre une pression haute, c'est-à-dire supérieure d'une valeur déterminée à la pression critique, et une pression plus basse, c'est-à-dire légèrement supérieure à la pression critique.
Dans la fig. 2 on a représenté graphiquement la variation du régime de la turbine en fonction de la pression dans un cycle classique et de la pression dans un cycle utilisant la première forme d'exécution de l'invention dénommé pour des raisons de commodité Cycle de Dolan . Dans le cycle classique, où la vanne de commande 5 est soumise à une pression constante supérieure à la pression critique, la modification de régime est obtenue en modifiant l'ouverture de la vanne de commande de la turbine. Pour faire varier le régime de la turbine dans l'intervalle 100%-85% avec le Cycle de
Dolan, on utilise le même procédé que dans le cycle classique, c'est Åa-dire qu'on fait varier l'ouverture de la vanne de commande.
De ce fait, la pression à l'étranglement 21 reste supérieure à la pression critique 20 avec les deux cycles et la pression de la génératrice de vapeur 22 est identique.
Avec le Cycle de Dolan, on fait varier le régime de la turbine entre approximativement 85% du régime nominal et approximativement 65% du régime nominal en réduisant la pression à la vanne d'étranglement de la pression utilisée à plein régime à une pression légèrement supérieure à la pression critique 20. Comme cela a été expliqué plus haut, cela est réalisé en faisant varier la pression de la pompe d'eau d'alimentation 16 de manière à réduire la pression de la vapeur dans la génératrice 22. Le régime de la turbine est diminué au-dessous de 65% du régime nominal en fermant la vanne réductrice de pression qui, comme cela est représenté sur la fig. 2, réduit la pression à la vanne d'étranglement au-dessous de la pression critique tout en maintenant la pression de vapeur dans la génératrice à une valeur légèrement supérieure à la pression critique.
L'avantage du Cycle de Dolan par rapport à un cycle classique ressort sur les fig. 3 et 4.
A la fig. 3 on voit en (a) la variation de la température finale de la vapeur pour un cycle de Dolan et un cycle classique, en (b) la variation de la température de la vapeur à la sortie du premier réchauffeur 7 et en (c) la variation de la température de la vapeur à la sortie du second réchauffeur 9: ce sont des variations typiques approximatives représentées en fonction du régime exprimé en % par rapport au régime nominal; en (b) et (c) les courbes du cycle classique C sont en tirets et les courbes du Cycle de Dolan D en trait plein.
A la fig. 4 on voit en (A) la variation de la température d'entrée et en (B) la variation de la température de sortie de la turbine hautepression 6. Les courbes D correspondent au Cycle de Dolan, les courbes C à un cycle classique où la turbine 6 est commandée par une vanne de commande 5 et les courbes C2 à un cycle classique où la turbine est commandée par une tuyère et 2 vannes. Alors que la variation de la température de la vapeur entrant dans les turbines en fonction du régime de la turbine observé avec le Cycle de Dolan est très voisine de celle observée avec le cycle classique (fig. 3a, 3b, 3c),
I'utilisation du Cycle de Dolan provoque des changements de température moins importants dans la turbine haute-pression 6 lorsqu'on fait varier le régime de la turbine dans un large intervalle que l'utilisation d'un cycle classique, comme cela est illustré sur les fig. 4a et 4b.
Ceci-est important car les chocs thermiques dans cette turbine sont réduits.
Le fait d'avoir des températures de vapeur plus éievées dans un large intervalle de régimes améliore le rendement énergétique de l'installation.
Dans la fig. 5, on a comparé le rendement énergétique obtenu en utilisant un Cycle de Dolan conformément à la présente invention et le rendement énergétique obtenu en utilisant un cycle classique. Le rendement est exprimé en in en fonction du régime. La courbe C correspond au rendement d'un cycle classique, où la turbine est commandée avec une vanne de commande, Dl au rendement d'un
Cycle de Dolan, où la turbine est commandée avec une vanne de commande, et D2 au rendement d'un Cycle de Dolan où la turbine est commandée par une tuyère et 2 vannes. On voit qu'avec le Cycle de Dolan dans l'intervalle des régimes allant de 85% à environ 20% du régime nominal le rendement est meilleur qu'avec le cycle classique d'une turbine utilisant une pression constante reçue par l'intermédiaire d'une vanne de commande dont on modifie l'ouverture.