EP1970543B1

EP1970543B1 - Dispositif de réglage de la pression de soutirage d'une turbine à vapeur et turbine à vapeur pourvue d'un tel dispositif.

Info

Publication number: EP1970543B1
Application number: EP08101524A
Authority: EP
Inventors: Jean-Marc Pugnet; Thomas Alban
Original assignee: Thermodyn SAS
Current assignee: Thermodyn SAS
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: EP1970543A1; FR2913719B1; FR2913719A1; ATE556196T1

Description

L'invention concerne les turbines à vapeur et se rapporte plus particulièrement aux turbines à vapeur à extraction réglée.
Dans la majorité des applications, ce type de turbine à vapeur est utilisé pour, d'une part, produire de l'électricité à partir d'un flux de vapeur à haute pression en convertissant, par détente, l'énergie thermique de la vapeur en énergie mécanique pour venir entraîner un alternateur et, d'autre part, pour constituer une source de vapeur à pression stable et régulée.
En effet, après détente, la vapeur peut être utilisée pour alimenter par exemple un réseau de chauffage, notamment urbain, ou un procédé de fabrication, par exemple dans des sucreries ou des papeteries.
Dans ce type d'applications, la vapeur doit être soutirée à pression constante.
C'est ainsi que dans les turbines à vapeur à extraction réglée, qui sont aptes à fournir de la vapeur à une pression constante, la turbine est associée à un système de régulation qui assure le contrôle, d'une part, de la vitesse de rotation de la turbine, ou sa puissance lorsque l'alternateur est couplé à un réseau de distribution électrique et, d'autre part, la pression d'extraction.
La turbine doit alors être équipée de deux organes de régulation pilotant de façon indépendante les débits de vapeur à l'admission et à l'échappement.
Pour contrôler ces deux débits, il a tout d'abord été proposé d'installer des ensembles de soupapes régulatrices à l'admission et à l'échappement. Dans les turbines de forte puissance, ces soupapes peuvent être déportées dans une fonderie séparée du corps de la turbine, alors que dans les turbines industrielles, elles sont disposées dans des boîtes à soupapes intégrées au corps même de la turbine.
En ce qui concerne la partie basse pression de la turbine, c'est-à-dire au voisinage de l'échappement, il a été proposé d'utiliser un obturateur à grilles en lieu et place des soupapes régulatrices qui compliquent généralement la fonderie du corps de turbine, en particulier en raison de leur taille.
Il a en effet été constaté que l'utilisation d'un obturateur à grilles rend la fonderie du corps de la turbine plus simple, moins lourde et moins chère à fabriquer, tout en limitant les risques de défauts.
En outre, on obtient un encombrement axial moins important, ce qui permet d'augmenter la vitesse critique ou d'installer plus d'étages de détente pour un même entre-axes entre les paliers d'extrémité de la turbine.
Les obturateurs à grilles sont généralement dotés de deux parties déplaçables l'une par rapport à l'autre de manière à régler la section de passage de l'obturateur.
Toutefois, ces deux parties sont disposées l'une en regard de l'autre.
Les efforts à développer pour changer la position angulaire de la grille tournante doivent compenser les forces de frottement qui s'exercent entre ces deux parties. Or, les faces d'extrémité des grilles sont soumises à une pression différentielle constituée par la différence entre la pression d'extraction et la pression régnant dans l'étage de détente qui suit l'obturateur à grilles. La surface des grilles qui sont soumises à ces pressions, ainsi que la pression différentielle, diminue lorsque l'on ouvre l'obturateur. L'effort maximal à développer est alors obtenu lorsque l'obturateur est entièrement fermé.
Afin de limiter les forces de frottement, ainsi que l'usure des faces en contact au sein de l'obturateur à grilles, il a été proposé de développer des revêtements spéciaux ou des systèmes à roulement.
On pourra, à cet égard, se référer aux documentes FR-93 09 451 , ou encore au document JP 2000-01 8007. Le document FR-A-2 789 470 décrit un dispositif de régulation de soutirage et constitue l'etat de la technique antérieur le plus proche.
Malgré l'utilisation de revêtements ou de systèmes permettant de réduire les efforts de frottement, ces techniques implosent une température et une pression maximale d'utilisation, en particulier pour les revêtements, et engendrent une usure des pistes de roulement, ce qui nécessite une maintenance importante.
Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de pallier les inconvénients liés aux solutions de l'état de la technique et de permettre de réduire les efforts s'exerçant au sein de l'organe de régulation de pression équipant les turbines à vapeur à extraction réglée, sans maintenance importante tout en évitant toute restriction quant aux paramètres de fonctionnement de la turbine.
L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un dispositif de soutirage d'une turbine à vapeur à extraction réglée, comprenant un obturateur à grilles destiné à être disposé dans le trajet d'écoulement de la vapeur et comprenant une grille fixe et une grille mobile par rapport à la grille fixe de manière à délimiter une section de passage réglable pour l'obturateur.
Ce dispositif de réglage comprend en outre des moyens pour appliquer un effort entre les grilles fixe et mobile de l'obturateur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'une des grilles de l'obturateur comporte au moins une rainure tournée vers l'autre grille et alimentée en vapeur à haute pression.
La rainure est pratiquée par exemple dans la grille fixe.
L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, une turbine à vapeur à extraction réglée comprenant un dispositif de réglage de pression tel que défini ci-dessus.
Selon une autre caractéristique de la turbine, la rainure est alimentée en vapeur prélevée dans un premier étage de détente situé au voisinage de l'admission de vapeur.
La rainure peut en outre être alimentée en vapeur prélevée dans un étage situé en amont d'une tubulure d'extraction de vapeur.
Dans un mode de réalisation, la turbine comporte un clapet anti-retour équipant une conduite de prélèvement de vapeur alimentant la rainure en vapeur prélevée en amont de ladite tubulure d'extraction.
La conduite peut encore comprendre une électrovanne et un organe de commande sensible à la pression pilotant ladite électrovanne de manière à provoquer l'alimentation du dispositif de réglage de pression à partir du premier étage de détente ou en vapeur prélevée en amont de la tubulure d'extraction.
Dans un autre mode de réalisation, la turbine peut comporter un piston différentiel raccordé d'une part en aval de la roue à aubes du premier étage de détente et, d'autre part, en amont de ladite tubulure d'extraction pour alimenter le dispositif de réglage en fonction du niveau relatif de pression en aval de ladite roue à aubes et en amont de ladite tubulure d'extraction.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la turbine peut en outre comporter un orifice calibré de perte de charge situé sur le trajet de la vapeur alimentant la rainure.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

la figure 1 est une vue de profil d'une turbine à vapeur à extraction réglée conforme à l'invention ;
la figure 2 est une vue de détail d'un dispositif de réglage de pression selon l'invention ;
la figure 3 est une vue de détail du dispositif de la figure 2 ;
la figure 4 montre des courbes illustrant la répartition des pressions inter-étages dans la partie haute pression de la turbine ;
la figure 5 illustre un premier mode de réalisation d'une turbine pourvue d'un dispositif de réglage selon l'invention ;
la figure 6 illustre un autre mode de réalisation d'une turbine selon l'invention ;
la figure 7 montre l'évolution des efforts axiaux s'exerçant au sein du dispositif de réglage de pression en fonction de la puissance disponible dans la partie haute pression de la turbine ; et
les figures 8 et 9 illustrent des modes particuliers de mise en oeuvre d'un obturateur à double grilles conformément à l'invention.

Sur la figure 1, on a représenté une turbine à vapeur à extraction réglée conforme à l'invention, désignée par la référence numérique générale 10.
Dans l'exemple de réalisation représenté, cette turbine est destinée à délivrer de la vapeur selon une pression réglée au moyen d'un dispositif de réglage illustré à la figure 2. Elle est également destinée à convertir l'énergie d'un flux de vapeur incident à haute pression en énergie mécanique d'entraînement d'un alternateur pour de la production d'énergie électrique.
A cet effet, la turbine 10 comporte un corps 12 en deux parties, à savoir une partie à haute pression 12 et une partie à basse pression 14.
La partie à haute pression 12 est pourvue d'une boîte à soupapes régulatrices 15 raccordée en sortie d'un dispositif de production de vapeur à haute pression, par exemple une chaudière, et comporte intérieurement un certain nombre de roues à aubes associées à des étages de détente respectifs débouchant, en aval, dans une tubulure d'extraction 16 par laquelle la vapeur est récupérée en sortie.
L'étage basse pression 14 est, quant à lui, pourvu d'une tubulure d'échappement 17 qui, par exemple, peut être rebouclée en entrée de la chaudière dans laquelle de l'eau produite par condensation au sein de la turbine est réutilisée pour produire la vapeur.
L'étage basse pression est également doté intérieurement de roues à aubes associées à des étages de détente respectifs.
Les roues à aubes équipant les étages haute et basse pression sont montées sur un arbre qui tourillonne dans des paliers avant et arrière, respectivement 18 et 19.
Par ailleurs, comme on le voit sur les figures 2 et 3, sur lesquelles les flèches F désignent le trajet de la vapeur incidente, la turbine est pourvue d'un dispositif de réglage de pression 20 constitué par un obturateur à grilles monté sur un stator 21 solidaire du carter 12 de la turbine. L'obturateur à grilles 20 est par exemple monté en aval de la tubulure d'extraction, par exemple en aval de la dernière roue à aubes 22 de l'étage à haute pression, immédiatement en amont d'un distributeur 23 assurant, comme cela est connu en soi, une détente de la vapeur afin de transformer sa pression en énergie cinétique qui sera récupérée dans la roue à aubes 25 du premier étage basse pression.
Par exemple, en se référant à la figure 4 sur laquelle on a représenté, en fonction du dédit à haute pression D, la répartition des pressions inter-étages P1, P2, P3 et P4 relativement à la pression d'admission Padm et à la pression d'extraction Pextr pour une turbine pourvue d'une partie haute pression ayant quatre roues à aubes, on peut prélever de la vapeur en aval de la première roue disposée immédiatement après l'admission.
L'obturateur à grilles comporte une grille fixe 24 montée sur le stator et une grille mobile 25 angulairement déplaçable par rapport à la grille fixe 24 sous le contrôle d'un servomoteur.
Plus particulièrement, la grille fixe 24 comporte une section hydraulique débouchant dans le distributeur 23.
De même, la grille mobile 25 comporte une section de passage localisée destinée à être positionnée, par rotation, par rapport à la section de passage de la grille 24 de manière à régler la section de passage utile de l'obturateur à grilles.
Comme expliqué précédemment, la pression différentielle s'exerçant de part et d'autre de l'obturateur à grilles augmente les efforts de frottement entre la grille fixe et la grille mobile. Ces efforts diminuent lorsque l'on ouvre l'obturateur, mais augmentent lorsque l'obturateur est fermé.
Pour pallier cet inconvénient, la grille fixe est pourvue d'une ou de plusieurs rainures 26, par exemple une seule rainure annulaire, ou une seule rainure localisée, comme représenté sur la figure 3, cette rainure 26 étant alimentée en vapeur à relativement haute pression (flèche F'). Cette rainure est pratiquée dans la face de la grille fixe tournée vers la grille mobile. La pression de vapeur régnant dans cette rainure 26 provoque un effort tendant à écarter les grilles mobile et fixe et, par conséquent, diminuer les efforts de frottement.
Par conséquent, le servomoteur servant à commander la rotation de la grille mobile est moins sollicité et l'usure des grilles mobile et fixe est considérablement limitée.
En outre, il n'est pas nécessaire de prévoir des matériaux pour la réalisation des grilles mobile et fixe ayant un faible coefficient de frottement aux températures mises en oeuvre, ce qui permet donc d'utiliser des matériaux conventionnels.
Par ailleurs, lorsque l'on utilise de la vapeur prélevée en amont pour tendre à écarter les grilles mobile et fixe, il n'est pas nécessaire de prévoir une alimentation séparée de fluide à haute pression à l'admission de la turbine.
Sur la figure 5, on a représenté un premier mode de mise en oeuvre d'un dispositif de réglage selon l'invention au sein d'une turbine à vapeur à extraction réglée.
Sur cette figure, on reconnaît l'étage à haute pression 12 et l'étage à basse pression 14, les soupapes d'admission 15, les tubulures d'extraction 16 et d'échappement 17, ainsi que l'obturateur à grilles 20 disposé entre l'étage à haute pression et l'étage à basse pression, en amont de la tubulure d'extraction 16.
Dans ce mode de réalisation, comme indiqué précédemment, la vapeur à haute pression est prélevée en aval de la première roue à aubes de l'étage à haute pression 12, par l'intermédiaire d'une canalisation 27 dotée d'une électrovanne 28 elle-même pilotée par un contacteur de pression 29 de manière à alimenter l'obturateur à grilles tant que la pression régnant dans le premier étage de la partie haute pression reste inférieure à une valeur de seuil prédéterminée. La rainure de la grille fixe est également alimentée en vapeur en aval de la dernière roue à aubes de la partie haute pression 12 par l'intermédiaire d'une conduite 30 pourvue d'un clapet anti-retour 32.
Ainsi, selon cet exemple de réalisation, la vapeur alimentant la rainure 26 de l'obturateur à grilles est prélevée dans l'étage précédant l'extraction à puissance élevée et dans un étage situé au voisinage de l'admission, à faible puissance. Dans tous les cas, la vapeur est prélevée à l'intérieur même de la turbine, sans alimentation extérieure.
On notera en outre que ce prélèvement de vapeur est automatique, et ne nécessite aucune intervention extérieure.
Dans ce mode de réalisation, lorsque la pression régnant en aval de la première roue à aubes de la partie haute pression de la turbine augmente et dépasse la valeur de seuil, l'électrovanne est fermée et l'alimentation de vapeur ne s'effectue plus que par l'intermédiaire de la deuxième conduite 30. On évite ainsi d'injecter dans la rainure 26 une pression trop importante qui, sinon, risquerait d'engendrer un effort trop important sur la grille mobile. En outre, on évite de prélever une quantité trop importante de vapeur, ce qui, sinon, risquerait de faire chuter le rendement de la turbine.
Au contraire, lorsque la puissance délivrée est relativement faible, l'électrovanne 28 est ouverte, la vapeur nécessaire pour réduire les frottements au sein de l'obturateur à grilles étant à la fois prélevée par l'intermédiaire de la conduite 30 et de la conduite 27.
Selon un autre mode de réalisation illustré à la figure 6, sur laquelle on reconnaît la turbine pourvue de ses parties haute et basse pression, les conduites d'alimentation 27 et 30 assurant le prélèvement de vapeur dans l'étage situé au voisinage de l'admission et dans l'étage précédant l'extraction et l'obturateur à grilles 20, on utilise un piston différentiel 35 pour provoquer l'alimentation de l'obturateur 20 soit à partir de la conduite 27, soit à partir de la conduite 30.
Comme on le voit, le piston est monté dans une chambre 36 comportant un premier volume 37 raccordé à la conduite 30 et un deuxième volume 38 raccordé à la première conduite 27. Le piston comporte, quant à lui, deux surfaces d'extrémité 39 et 40 tournées l'une vers le premier volume 37 de la chambre et l'autre, vers l'autre volume 38 de la chambre.
La première surface d'extrémité, référencée 37, qui est tournée vers le volume de la chambre alimenté à partir de la deuxième conduite 30, présente des dimensions supérieures à celles de la surface d'extrémité tournée vers le volume de la chambre alimenté à partir de la première conduite 27.
Ainsi, en fonction de la pression régnant au voisinage de l'admission et au voisinage de l'extraction, l'obturateur à grilles est alimenté soit à partir de la conduite 27, soit à partir de la conduite 30.
En particulier, à faible puissance, on alimente l'obturateur 20 en aval de la première roue à aubes de la partie haute pression 12 de la turbine tandis qu'à forte puissance, la vapeur est prélevée au voisinage de l'extraction.
On notera que dans l'un et l'autre mode de réalisation, on alimente l'obturateur 20 par l'intermédiaire d'un passage calibré 42 destiné à créer une perte de charge sur la ligne d'alimentation en vapeur. Ainsi, un décollement important des grilles fixe et mobile sous l'effet d'une compensation trop importante est impossible. En effet, si la puissance demandée à la partie basse pression de la turbine augmente, l'effort de contact entre les grilles diminue et la compensation tend à augmenter. Si la distance entre les grilles augmente, le débit de vapeur nécessaire à cette compensation va augmenter et la perte de charge ainsi créée dans la ligne d'alimentation va automatiquement réduire la pression de vapeur dans la rainure de compensation et donc l'effort de compensation ainsi que la consommation de vapeur. Cet orifice calibré 42 assure donc la stabilité axiale de la grille mobile 25.
En se référant enfin à la figure 7, sur laquelle on a représenté, d'une part en l'absence de compensation (courbe C1) et en présence d'une compensation des forces de frottement (courbe C2), l'évolution de la force F s'exerçant entre les deux grilles de l'obturateur en position fermée, c'est-à-dire dans une position dans laquelle l'effort maximal est demandé au servomoteur de commande, en fonction de la puissance P développée par la partie haute pression de la turbine, lorsque la pression est établie au niveau de l'extraction, on voit que seule la partie à très basse puissance n'est pas ou est très peu modifiée (zone hachurée). Ceci n'est toutefois pas gênant, car la régulation d'extraction ne peut être mise en oeuvre qu'à partir d'un débit de vapeur à haute pression suffisant et, dans ce cas, la turbine est exploitée avec l'obturateur ouvert.
On notera enfin, en référence aux figures 8 et 9, sur lesquelles des éléments identiques à ceux des figures 1 à 7 sont désignés par les mêmes références numériques, que l'invention, selon laquelle on utilise un dispositif de réglage de la pression de soutirage d'une turbine à vapeur à extraction réglée, s'applique en particulier dans le cadre d'une machine à condensation (figure 8) ou, selon un autre mode de mise en oeuvre avantageux, dans le cadre d'une machine à contrepression (figure 9).

Claims

Dispositif de réglage de la pression de soutirage d'une turbine à vapeur à extraction réglée, comprenant un obturateur à grilles (20) destiné à être disposé dans le trajet d'écoulement de la vapeur et comprenant une grille (24) fixe et une grille (25) mobile par rapport à la grille fixe de manière à délimiter une section de passage réglable pour l'obturateur et des moyens pour appliquer un effort entre les grilles fixe et mobile de l'obturateur, la grille fixe de l'obturateur comportant au moins une rainure (26) tournée vers la grille mobile, caractérisé en ce que ladite rainure (26) est alimentée en vapeur à haute pression, prélevée dans un étage situé en amont d'une tubulure (16) d'extraction de vapeur.
Turbine à vapeur à extraction réglée, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de réglage de pression selon la revendication 1.
Turbine à vapeur selon la revendication 2, caractérisée en ce que la rainure de la grille fixe est en outre alimentée en vapeur prélevée dans un premier étage de détente (12) situé au voisinage de l'admission de vapeur.
Turbine à vapeur selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un clapet anti-retour (32) équipant une conduite (30) de prélèvement de vapeur alimentant la rainure en vapeur prélevée en amont de ladite tubulure d'extraction.
Turbine à vapeur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une électrovanne (28) et un organe de commande (29) sensible à la pression pilotant ladite électrovanne de manière à provoquer l'alimentation du dispositif de réglage de pression à partir du premier étage de détente ou en vapeur prélevée en amont de la tubulure d'extraction.
Turbine à vapeur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un piston différentiel (36) raccordé d'une part en aval de la roue à aubes du premier étage de détente et d'autre part en amont de ladite tubulure d'extraction pour alimenter le dispositif de réglage en fonction du niveau de pression relatif en aval de ladite roue à aubes et en amont de ladite tubulure d'extraction.
Turbine selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un orifice calibré de perte de charge situé sur le trajet du flux de vapeur alimentant la rainure (26).