FR2489879A1 - Systeme de commande automatique pour turbine a vapeur - Google Patents

Abstract

SYSTEME DANS LEQUEL LA PRESSION DU BOUILLEUR ET LE DEBIT DE VAPEUR NE SONT PRATIQUEMENT PAS INFLUENCES PAR LES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT TRANSITOIRES DE LA TURBINE. IL COMPREND : UN SOUS-SYSTEME DE DERIVATION HAUTE PRESSION AYANT UNE VANNE 30, POUR DERIVER LA VAPEUR DE LA PARTIE HAUTE PRESSION DE LA TURBINE; -UN SOUS-SYSTEME DE DERIVATION BASSE PRESSION AYANT UNE VANNE 46, POUR DERIVER LA VAPEUR DE LA PARTIE BASSE PRESSION DE LA TURBINE; -UNE BOUCLE DE COMMANDE DE CHARGE ET DE VITESSE 56 A 68 POUR COMMANDER UNE VANNE DE REGLAGE D'ADMISSION 28: -DES MOYENS 72-76 POUR FORMER UN SIGNAL DE REFERENCE CFR, REPRESENTATIF DU DEBIT TOTAL DE VAPEUR DU BOUILLEUR; -UNE BOUCLE DE COMMANDE HP 78 A 92 POUR COMMANDER LA VANNE DE DERIVATION HP 30 ET REGLER LA PRESSION DE VAPEUR AU BOUILLEUR; -UNE BOUCLE DE COMMANDE LP 96 A 112 POUR COMMANDER LA VANNE DE DERIVATION LP 46 ET REGLER LA PRESSION DE VAPEUR DU RECHAUFFEUR. APPLICATION AUX CENTRALES ELECTRIQUES.

Description

24I98?9

L'invention concerne, d'une manière générale, les systèmes de commande automatique pour turbines à vapeur; elle a, plus particulièrement, trait aux systèmes de commande

automatique pour turbines à vapeur à circuit de dérivation.

Les grandes turbines à vapeur, du type utilisé par les services publics pour la production d'énergie électrique,

peuvent fonctionner avantageusement avec un système de déri-

vation de vapeur qui, dans certaines conditions de fonction-

nement, dérive l'excédent de vapeur de la turbine pour l'ame-

ner directement au condenseur. Le mode de fonctionnement en dérivation permet de maintenir, dans le générateur de vapeur, un taux de production et une pression élevés, quelle que soit la charge demandée à la turbine, l'excédent de vapeur étant

dérivé pendant les périodes de faible charge de cette turbine.

Lorsque la charge s'accroit, le débit de vapeur vers la tur-

bine peut être accru en proportion, le débit de vapeur dérivée diminuant en conséquence, jusqu'au moment o toute la vapeur

est dirigée vers la turbine sans dérivation. Lorsque le cir-

cuit de dérivation est complètement bloqué, le système de commande coordonnée du bouilleur maintient la caractéristique souhaitée pressiondébit, et l'accroissement de la demande de vapeur à la turbine peut être satisfaite, par exemple, par

accroissement correspondant de la pression au bouilleur.

Lorsque la charge sur la turbine diminue, la pression au

bouilleur peut être réduite jusqu'à un niveau minimum accep-

table, et l'excédent de vapeur, de nouveau dérivé de la tur-

bine. Ce mode de fonctionnement semble présenter les avantages principaux qui suivent: (1) temps de démarrage plus courts de la turbine, (2) utilisation de plus grandes turbines en service cyclique, avec réponses plus rapides aux variations de charge, (3) disjonction au bouilleur évitée lors d'une perte de charge soudaine, (4) réduction de l'érosion par les particules solides, (5) possibilité de fonctionnement du bouilleur indépendamment de la turbine, et (6) fonctionnement plus stable du bouilleur, avec meilleure adaptation de la vapeur aux températures du métal de la turbine.

Un exposé général du mode de fonctionnement en déri-

vation ou pression variable est fait dans le volume 35 de "Proceedings of the American Power Conference", sous le titre "Bypass Stations for Better Coordination between Steam Turbine and Steam Generator Operation", par Peter Martin et

Ludwig Holly.

Contrairement au mode de fonctionnement le plus classique d'une turbine(selon lequel le bouilleur ne fournit de la vapeur que pour utilisation immédiate, sans circuits de dérivation), le mode de fonctionnement en dérivation exige un système de commande unique d'un agencement de vannes plus

complexe. Le système de commande doit assurer une coordina-

tion précise et une commande précise des diverses vannes des circuits de vapeur! et doit le faire dans toutes les conditions de fonctionnement tout en maintenant correctement le réglage

de la charge et de la vitesse de la turbine.

On a étudié divers systèmes de commande pour les turbines à Vapeur fonctionnant en mode dérivation. Dans un système connu, on utilise lapression dans le premier étage de la turbine comme signal de débit-de vapeur, à:partir duquel sont engendrés des points de réglage- de référence pour la commande des vannes de dérivatioTr han-te et: bassew pression. Ce

système ne prévoit t xtefoi! pas: de -sgpe-it-ins pour coor-

donner directement le fonctionnement des vannes de dérivation avec celui de la vanne de réglage principale qui doit répondre

à la demande de charge et de vitesse, ni avec le- fonctionnef-

ment des autres vannes du système. On sait, par ailleurs, que la pression dans le premier étage n'est pas une indication

valable du débit de vapeur dans toutes les conditions de fonc-

tionnement. Dans un autre système connu de commande de turbine à vapeur à circuit de dérivation un orifice de mesure de débit

dans la conduite de vapeur principale fournit un signal repré-

sentant le débit total de vapeur qui est utilisé pour former un signal de référence de pression permettant de commander les vannes de dérivation haute et basse pression-. Ce système a pour principal inconvénient d'exiger, pour mesurer le débit, l'introduction d'un élément dans le circuit de vapeur, ce

qui provoque une chute de pression et une perte de chaleur.

On connaît également un système de commande pour

turbine à vapeur et système de dérivation, qui apporte beau-

coup d'améliorations par rapport aux systèmes antérieurs, et dans lequel un signal de demande de charge réelle (ALD) est formé pour définir des fonctions indépendantes de référence de pression pour la-commande du bouilleur et de la pression de réchauffement. Le signal ALD est une mesure du débit réel de la vapeur allant vers la turbine, et est obtenu à partir du produit de la pression au bouilleur et d'un signal de position de la vanne de réglage d'admission engendré par la boucle de commande de la vitesse et de la charge. Le signal ALD fournit une mesure précise du débit de vapeur, sans qu'il soit nécessaire de monter un détecteur de débit qui introduit une chute de pression et une perte de chaleur dans la conduite de vapeur. De plus, contrairement à ce qui se passe avec les méthodes indirectes de mesure de débit de vapeur à partir de la pression dans le premier étage de la turbine, le signal ALD est une indication valable de ce débit dans toutes les

conditions de fonctionnement.

Considéré uniquement comme un système de commande de turbine à vapeur avec circuit de dérivation fonctionnant sur une gamme étroite de conditions de débit de vapeur au bouilleur, le système qui vient d'être évoqué constitue un progrès. Mais le mode de fonctionnement considéré est étendu à des turbines de plus en plus grandes, fonctionnant sur une plus large gamme de conditions de débit, et exigeant que le système de dérivation soit capable de supporter la totalité

de la vapeur fournie; il devient donc impératif que la tur-

bine et le système de dérivation soit commandés de telle sorte que le bouilleur ne soit pas soumis à des débits de vapeur qui, en variant fortement, entraînent de grandes

fluctuations de la pression au bouilleur. Il est particuliê-

rement important que le bouilleur soit à l'abri des effets de conditions de fonctionnement transitoires de la turbine,

comme une mise en route soudaine de cette turbine. Les sys-

tèmes de commande antérieurs n'ont pas. résolu correctement

ces problèmes sans pertes thermiques.

De plus, et notamment lorsqu'il s'agit de grandes turbines, le condenseur de vapeur et les derniers étages de la partie haute pression de la turbine sont soumis à l'effet

de températures élevées dans certaines conditions de fonc-

tionnement découlant du mode de fonctionnement en dérivation. Le problème des températures élevées dans lés derniers étages de la partie haute pression de la turbine est en partie résolu

dans un système de débit de vapeur inversé.

Mais, pour une protection complète tant du conden-

seur que des derniers étages de la partie haute pression, on doit encore imposer des limitations rationnelles au débit de vapeur dans le système de dérivation qui court-circuite les

parties basse pression de-la turbine. Ces limitations néces-

saires, qui n'interfèrent pas avec la commande de la turbine,

devraient protéger de toute surchauffe potentielle le conden-

seur et les derniers étages de la partie haute pression, notamment lorsque des débits excessivement élevés de vapeur

sont dérivés des parties basse pression.

L'invention a donc pour objectif principal un

système de commande pour turbine à vapeur pourvue d'un cir-

cuit de dérivation, qui donne une solution aux problèmes évoqués. Plus précisément, l'objectif est de réaliser un système de commande précise et complète d'une turbine à

vapeur à circuit de dérivation, tel que la pression au bouil-

leur et le débit de vapeur ne soient pratiquement pas influ-

encés par les conditions de fonctionnement transitoires de

la turbine.

L'invention a également pour objectif un système de commande pour turbine à vapeur à circuit de dérivation, pourvue de moyens pour inverser le débit de la vapeur dans

la partie haute pression de la turbine, afin d'éviter l'é-

chauffement par perte de rotation.

L'invention a aussi pour objectif un système de commande de turbine pourvu de moyens pour régler le débit de la vapeur dérivée des parties basse pression de cette

turbine, de manière à éviter que le condenseur et les der-

niers étages de la partie haute pression soient surchauffés

en raison de débits excessifs.

Ces objectifs sont atteints en réalisant un sys-

tème de commande automatique pour turbine à vapeur dans lequel on forme un signal de référence de débit combiné (CFR), une première et une seconde fonction de référence de pression étant établies à partir du signal CFR pour être utilisées comme points de réglage ou valeurs de référence, pour que la pression au bouilleur et la pression au réchauffeur soient réglées en réglant, respectivement, une ou des vannes de réglage de débit dans le sous-système de dérivation haute pression (HP) et une ou des vannes de réglage de débit dans le sous-système de dérivation basse pression (LP). Le signal CFR est formé par sommation des produits de (1) la pression au bouilleur et un signal représentatif du degré d'ouverture des vannes de réglage d'admission de vapeur, et (2) de la pression au bouilleur et un signal représentatif du degré

d'ouverture de la vanne de réglage de débit dans le sous-

système de dérivation haute pression. Le signal CFR repré-

sente en conséquence le débit total instantané de la vapeur

en provenance du bouilleur.

Un signal de demande de charge réelle (ALD), re-

présentatif de la demande en vapeur à la turbine, est formé à partir du produit d'un signal de demande turbine et de la pression au bouilleur. Le signal de demande turbine est formé

dans une boucle de commande de la charge et de la vitesse.

La position de la vanne d'interception, qui règle le débit de la vapeur vers les parties basse pression de la turbine, est réglée en fonction de l'amplitude du signal ALD, et en

fonction inverse de l'amplitude de la pression au réchauffeur.

Le signal de commande global comporte donc une

boucle de commande de la vitesse et de la charge de la tur-

bine, une boucle de commande pour le sous-système de déri-

vation haute pression, une boucle de commande pour le sous-

système de dérivation basse pression, et une boucle de comman-

de pour les vannes d'interception. Des moyens sont prévus

pour asservir la boucle de commande de dérivation basse pres-

sion, règlant normalement la pression de vapeur au réchauf-

feur, afin d'éviter un débit excessif de vapeur dans le

sous-système de dérivation basse pression LP.

La suite de la description se réfère aux dessins

annexés qui représentent: - figure 1, le bloc-diagramme d'une version recommandée d'un

système de commande de turbine conforme à-l'invention-

- figure 2, un exemple de signal de référence haute pression (PREF E formé à partir du signal de référence de débit combiné, - figure 3, un exemple de signal de référence basse pression (PREF LP)' formé à partir du signal de référence de débit combiné, - figure 4, une illustration graphique de la relation entre le débit à la vanne de réglage d'admission, le signal de

position de cette vanne, le débit à la vanne d'intercep-

tion et le signal de position de cette vanne, en fonction des variations de charge, à partir du signal de demande de la turbine et por une pression au bouilleur constante, - figure 5, une illustration graphique analogue à celle de la figure 4, montrant la coordination de commande entre la vanne d'interception et la vanne de réglage d'admission pour maintenir une pression minimum au réchauffeur sous

de faibles charges, et, par rapport, à la figure 4, démon-

trant que la coordination des vannes est indépendante de

la pression au bouilleur.

Dans la centrale de production d'énergie électri-

que représentée figure 1, un bouilleur 10 est utilisé comme source de vapeur haute pression, et fournit le fluide moteur d'une turbine à vapeur 12 à réchauffeur qui comporte une

partie haute pression HP 14, une partie de pression intermé-

diaire IP 16, et une partie basse pression LP 18. Il s'agit là d'une division classique des étages de la-turbine, mais, dans cet exposé, on se référera parfois aux parties basse pression LP de la turbine qui sont en fait constituées par la partie 16 et la partie 18. De même, le soussystème de dérivation qui court-circuite ces parties de turbine peut

être désigné comme le sous-système de dérivation basse pres-

sion ou LP. Les parties de turbine 14, 16 et 18 sont repré-

sentées couplées en tandem au gnératexu 20, mais on peut

avoir recours à d'autres agencements de couplage.

La circulation de la vapeur en provenance du bouilleur 10 se fait par la conduite 24 sur laquelle est

piquée une conduite raccordée à la partie HP 14 par l'inter-

médiaire d'une vanne d'arrêt principale 26 et d'une vanne de réglage d'admission 28. Le sous-système de dérivation haute pression comporte une vanne de dérivation HP 30 et un circuit de désurchauffe 32 et constitue un circuit de vapeur supplémentaire ou d'alternative en parallèle avec la partie HP 14. Bien qu'un seul sous-système de dérivation HP ait été représenté, on notera qu'on peut prévoir d'autres circuits de dérivation parallèles comportant chacun une vanne de réglage de débit. Quel que soit le cas, la vapeur sortant de la partie HP de la turbine passe par un clapet de retenue 34 pour se combiner à la vapeur éventuellement dérivée et la

vapeur totale débitée est envoyée dans le réchauffeur 36.

En sortie du réchauffeur 36, la vapeur peut traverser la vanne d'interception 38 et le clapet d'arrêt de réchauffeur pour être amenée aux parties IP 16 et LP 18 de la turbine

qui sont montées en série par l'intermédiaire de la canalisa-

tion 42. La vapeur sortant de la partie LP 18 de la turbine

est transférée au condenseur 44. Un sous-système de dériva-

tion basse pression LP, comportant la vanne de dérivation 46,

le clapet d'arrêt de dérivation 48, et le circuit de désur-

chauffe 50, constitue un circuit supplémentaire ou d'alter-

native qui, en parallèle avec les parties 16 et 18, revient

au condenseur 44.

La vanne de débit inverse 52 et la vanne d'évent 54 sont associées à la partie HP 14 et utilisées notamment dans des conditions de fonctionnement de charge nulle ou faible. Ces deux vannes inversent la circulation de la vapeur dans la partie HP de la turbine. Il suffit de noter que cette disposition élimine l'échauffement par perte de rotation qui se produit dans certaines conditions de charge faible du type établi en mode de fonctionnement en dérivation. Le circuit considéré est donc surtout utilisé lors du démarrage de la

turbine,-,soi-t lorsque la vapeur en débit direct dans les par-

ties 16 et 18 de la turbine sert à entraîner cette turbine alors que la vanne de réglage d'admission 28 est maintenue fermée. Bien qu'on ne fasse référence dans cet exposé qu'à une seule vanne de réglage d'admission 28, on sait que, pratiquement, plusieurs vannes-de réglage sont utilisées en agencement circulaire sur des arcs d'injection pour une admission circulaire partielle ou complète de la vapeur dans vla turbine 12. La boucle de commande de la vitesse et de la charge, destinée à régler le débit de la vapeur vers les parties 14, 16 et 18 de la turbine de manière à maintenir-des valeurs

pré-établies de vitesse et de charge, comporte un transduc-

teur de vitesse 56 qui fournit un signal représentatif de la vitesse réelle de la turbine, un circuit de référence vitesse 58 qui permet de choisir la vitesse souhaitée, un circuit de sommation vitesse 60 qui compare la vitesse réelle avec la vitesse souhaitée et fournit un-signal d'erreur représentatif de la différence entre ces vitesses, un amplificateur 62 dont le gain est inversement proportionnel au degré souhaité de régulation de la vitesse, un circuit de sommation charge 64 qui fait la somme du signal d'erreur vitesse amplifié et de la valeur de charge souhaitée fournie par le circuit de

référence charge 66, et un circuit de réglage de débit 68.

La boucle de commande de la vitesse et de la charge est

placée sous la dépendance d'un sélecteur de mode de circula-

tion 70 qui permet de mettre éventuellement hors service les soussystèmes de dérivation HP et LP, et de maintenir en position de fermeture les vannes de dérivation HP 30 et

LP 46, pour que la turbine 12 fonctionne de manière classique.

La boucle de commande de la vitesse et de la charge du sys-

tème est sensiblement identique à celle décrite dans le bre-

vet des E.U.A. no 3.097.488.

Le circuit de réglage de débit 68 fournit un signal

de commande de position de la vanne de réglage 28 afin d'ad-

mettre plus ou moins de vapeur dans la partie HP 14 de la

turbine, et peut comporter des moyens permettant de linéa-

riser les caractéristiques du débit dans cette vanne de réglage. Selon la phase de fonctionnement de la turbine 12, qui peut se trouver en démarrage, sous faible charge, sous pleine charge, etc..., le circuit-de réglage de débit 68 fournit également des signaux de commande d'ouverture ou

de fermeture des vannes de débit inverse 52 et d'évent 54.

Bien que l'invention ne concerne pas l'agencement constitué par les vannes 52 et 54, on a représenté ces dernières et

décrit leurs fonctions pour démontrer l'intérêt de l'inven-

tion dans un circuit de turbine comportant ou non l'agence-

ment considéré. La boucle de commande de la vitesse et de la charge fournit les signaux EL et E utilisés dans d'autres boucles L L de commande, soit dans les boucles de commande de dérivation

HP et LP et dans la boucle de commande de la vanne d'inter-

ception. Les signaux EL et EL constituent respectivement le signal de demande de la turbine et le signal de commande de position de la vanne de réglage d'admission. Le signal de demande de la turbine EL représente la demande en vapeur dans la turbine qui est fonction des besoins de charge et de l'erreur de vitesse, que la turbine 12 soit sous charge avec circulation directe de la vapeur dans la partie 14, ou que la circulation de la vapeur soit inversée dans cette partie, la vanne de réglage 28 étant fermée et la turbine n'étant entraînée que par la vapeur traversant les parties IP 16 et LP 18. Par ailleurs, le signal de position de la vanne de réglage d'admission EL est représentatif du degré d'ouverture ou de fermeture de la vanne 28. On remarquera, en conséquence, que les deux signaux transfèrent la même

information lorsque la turbine 12 est en régime de circula-

tion directe de la vapeur, soit lorsque la vanne de réglage 28 est plus ou moins ouverte et que les vannes 52 et 54 sont fermées. Mais ces signaux ne sont pas identiques lorsque la vanne 28 est fermée et les vannes 52 et 54, ouvertes; en fait, le signal EL est nul, provoquant la fermeture de la vanne 28. Les deux signaux sont utilisés dans les boucles de commande de dérivation HP et LP et dans la boucle de commande de la vanne d'interception qui seront décrites en

détail dans ce qui suit.

Les vannes de dérivation HP 30 et LP 46 sont comman-

dées par un signal de référence de débit.combiné CFR repré-

sentatif du débit de vapeur total en provenance du bouilleur 10. Le signal CFR est formé par sommation des produits de (1) la pression au bouilleur PB et EL et (2) la pression au bouilleur PB et un signal représentatif du degré d'ouverture de la vanne de dérivation HP. Le multiplicateur 72 fournit le premier produit; le multiplicateur. 74 fournit le-second produit; et en sortie du circuit de sommation CFR 76, on

trouve la somme de ces produits.

Le signal CFR est envoyé sur la boucle de commande de dérivation HP qui comporte un générateur de fonction 78, un limiteur de taux HP 80, une jonction de sommation HP 82,

un amplificateur de régulation HP 84, un régulateur propor-

tionnel-intégral-différentiel (PID) 86, un correcteur de

non-linéarité HP 88, une jonction de sommation de polarisa-

tion de fermeture HP 90 et un circuit de commande de posi-

tion de vanne HP 92. Le générateur de fonction 78 fournit un signal de référence ou point de repère PREF HP' dont la valeur est fonction du signal CFR et qui est comparé à la pression au bouilleur dans la jonction de sommation HP 82

pour former un signal d'erreur HP (en supposant nulle l'in-

fluence du limiteur de taux HP 80 qui sera décrit par la suite). Le signal de pression au bouilleur PB est fourni par le transducteur de pression du bouilleur 94. Le signal d'erreur

fourni par la jonction de sommation 82 représente la diffé-

rence entre la valeur de référence et la pression réelle au bouilleur; il est réduit par le régulateur PID 86 par suite

de son effet d'étranglement sur la vanne de dérivation HP 30.

Le signal de sortie du régulateur PID 86 est représentatif

du degré d'ouverture de la vanne de dérivation HP 30 et uti-

lisé, en conséquence, comme signal d'entrée du multiplicateur 74 pour former le signal CFR, comme mentionné ci-dessus. Le

signal de sortie du régulateur PID 86 peut aussi être consi-

déré comme signal de position de la vanne de dérivation HP.

On a représenté figure 2 un exemple de la fonction établie par le générateur de fonction 78, PREF HP étant une fonction du signal CFR. Dans l'exemple représenté, PREF HP' pour les faibles valeurs de CFR, est une constante égale à une pression minimum choisie du bouilleur PB MIN qui est amenée à une seconde constante PB MAX cette dernière étant choisie de manière à être tout juste supérieure à la pression nominale au bouilleur pour les valeurs les plus élevées de CFR. Le générateur de fonction 78 comporte deux dispositifs de réglage 200 et 201 représentés figure 2 et permettant de 1 1 PB MIN et PB MX, respectivement. La pente de

la partie ascendante de la fonction PREF HP est présélection-

née en fonction des caractéristiques du bouilleur. Les géné-

rateurs de fonction, tels que celui qui vient d'être décrit et tels que celui qui sera décrit avec la boucle de commande de dérivation BP, sont connus et peuvent être du type décrit

dans le brevet E.U.A. n0 3.097.488.

Le limiteur de taux 80 évite que PREF HP augmente ou diminue à un taux excessif lors d'une variation brusque de

CFR. Une diminution brusque de CFR peut, par exemple, accom-

pagner momentanément une perte brusque de charge. Dans ces conditions, le limiteur de taux 80 évite la formation d'un

signal d'erreur important qui tendrait à faire passer rapide-

ment la vanne de dérivation 30 de sa position de fermeture

à sa position d'ouverture, ce qui se répercuterait au bouil-

leur 10 par détente rapide de la pression de vapeur. Le régu-

lateur PID 86 et l'amplificateur de régulation HP 84 reçoiven le signal d'erreur du circuit de sommation HP 82 et forment un signal proportionnel à ce signal d'erreur, sa durée et son taux de variation, afin de commander, en conséquence, la

position de la vanne de dérivation HP. Le correcteur de non-

linéarité 88 peut être un circuit de type connu, établissant une relation linéaire entre le signal de commande de la vanne de dérivation et le débit de la vapeur passant par cette vanne.- Le circuit de sommation 90 reçoit un signal de polarisation de fermeture de vanne du sélecteur de mode de débit 70, pour que, sous la direction d'un opérateur ou dans l'éventualité d'une disjonction au niveau de la vanne de dérivation, la vanne 30 et le sous-système de dérivation

haute pression puissent être fermés. En mode de fonctionne-

ment en dérivation, aucune polarisation de fermeture de vanne n'est fournie au circuit 90, et le signal de sortie du correcteur de nonlinéarité 88 détermine la position de la vanne de dérivation HP 30. Le dispositif de commande de la vanne 92 peut être un dispositif hydroélectrique du type

décrit dans le brevet E.U.A. no 3.403.892.

Le signal CFR, représentatif du débit total de la

vapeur en provenance du bouilleur 10, est également transfé-

ré sur une boucle de dérivation LP qui comporte un générateur de fonction LP 96, un limiteur de taux LP 98, une jonction de sommation LP 100,un amplificateur-,de régulation LP 102, un régulateur PID 104, une porte de faible valeur 106, un correcteur de non-linéarité LP 108, un circuit de sommation de polarisation de fermeture de vanne 110 et un dispositif de commande de position de vanne LP 112. Dans la

boucle de commande de dérivation LP, le générateur de fonc-

tion 96 fournit un signal de pression de référence ou point de repère PREF LP basé sur la- valeur du signal CFR, comme on l'a représenté, par exemple, figure 3. La fonction PREF LP est une constante pour les faibles valeurs de CFR, cette constante étant égale à la pression minimum de réchauffage permise PREH MIN; puis elle s'accroît à mesure que s'accroit la valeur de CFR. Le générateur de fonction PREF LP 96 comporte un dispositif de réglage 203 représenté figure 3 qui permet de choisir la valeur souhaitée pour PREH MIN'

cette valeur étant déterminée par les paramètres de fonc-

tionnement du bouilleur-réchauffeur 36 et de la partie HP 14 de la turbine. Le taux de variation de PREF LP est limité par le limiteur de taux 98, de sorte que le taux de variation de ce signal n'est pas plus élevé qu'un taux de variation prédéterminé lors de variations rapides du signal CFR. Le limiteur de taux LP 98 évite ainsi un fonctionnement trop

rapide de-la vanne de dérivation LP 46 et amortit les varia-

tions transitoires de pression dans le réchauffeur 36.

Dans la boucle de commande de dérivation LP, la valeur du signal PREF LP est comparée à la valeur réelle de

la pression réchauffeur PRH qui est mesurée par le trans-

ducteur de pression 114. Le circuit de sommation 100 effec-

tue cette comparaison et fournit un signal d'erreur LP dont l'amplitude et la-polarité dépend de la différence entre la valeur souhaitée de pression réchauffeur PREF LP et la valeur réelle de cette pression PRH Le signal d'erreur est

transmis à l'amplificateur de régulation LP 102 et au régu-

lateur PID 104 qui, comme l'amplificateur de régulation 84 et le régulateur 86 de la boucle de commande HP, sont des éléments connus de systèmes de commande destinés à introduire une action corrective dans une boucle de réaction. Dans la boucle de dérivation LP de la figure 1, le régulateur PID 104 fournit un signal à effet correctif qui est transmis à la vanne de dérivation LP 46 par l'intermédiaire de la porte de faiblevaleur 106 (dont le rôle sera défini dans ce qui suit), du correcteur de non-linéarité 108, de la jonction de sommation 110 et du dispositif de commande de position de vanne 112. Le correcteur de non-linéarité 108 établit une relation linéaire entre le signal de commande de la

vanne 46 et le débit de la vapeur qui traverse cette vanne.

Le dispositif de commande de position 112 est, de préférence, un dispositif hydro-électrique, de même qu'on l'a dit pour la boucle de dérivation HP. Une polarisation de fermeture de vanne est transmise au circuit de sommation 110 pour former

la vanne de dérivation LP en position de fermeture dans cer-

taines conditions de fonctionnement.

Un signal représentatif de la demande de charge réelle sur la turbine ALD est formé dans le multiplicateur ALD 116

à partir de la demande turbine EL et de la pression au bouil-

leur PB. Le signal ALD est un signal de commande pour la boucle de commande de vanne d'interception qui comporte un amplificateur 118 et un dispositif de commande de position

de vanne d'interception 120. La boucle de commande d'inter-

ception commande la fermeture de la vanne d'interception à charge réduite pour maintenir la pression minimum permise de réchauffeur PREH MIN' et, lors d'un fonctionnement en débit inverse dans la partie HP de la turbine, elle établit un réglage charge et vitesse par admission de plus ou moins de vapeur dans les parties IP 16 et LP 18, afin d'entraTner la turbine. Le signal ALD est transmis à l'amplificateur 118 (dont le gain est établi automatiquement et en permanence à

une valeur inversement proportionnelle à PRH), puis au dis-

positif de commande de position de vanne d'interception 120 qui fournit un signal proportionnel de commande de la vanne d'interception 38. En maintenant le gain de l'amplificateur 118 à une valeur inversement proportionnelle à la pression de réchauffeur, on assure que la vanne d'interception 38 est refermée sur une gamme appropriée d'amplitudes du signal

ALD, qu'elle est totalement ouverte pour les amplitudes éle-

vées de ce signal, et qu'elle est plus sensible en cas de

perte de charge sur la turbine.

On a représenté graphiquement figures 4 et 5, pour des pressions différentes au bouilleur, le fonctionnement

coordonné de la vanne de réglage 28 et de la vanne d'inter-

ception 38. On a porté sur les figures le débit dans la vanne de réglage 28, cette vanne étant maintenue enposition de fermeture par le signal EL lorsqu'on se trouve en régime de

débit inverse de vapeur, au démarrage ou en faible charge.

Pour les faibles valeurs de EL, le débit dans la vanne de

réglage est nul et la vanne est fermée, mais le débit s'ac-

croit rapidement jusqu'à un niveau réglé lorsqu'on permet à la vapeur de s'écouler directement dans la partie HP 14 de la turbine. Par exemple, la vapeur passe en débit direct

pour EL = 0,2 figure 4, et pour EL = 0,4 figure 5. Les échel-

les des figures 4 et 5 sont en unités normalisées et couvrent

une gamme de O à 1 qui correspond généralement à une excur-

sion de O à 100 % pour une variable particulière. Par exemple, une pression au bouilleur PB établie à 0,5 unité peut être considérée égale à 50 % de la pression nominale. Donc, si

l'on considère le graphique d'ouverture de la vanne d'inter-

ception des figures 4 et 5, une valeur normalisée de 1 signi-

fie que la vanne est en position de totale ouverture, une valeur de 0,5 qu'elle est ouverte à moitié, etc... Cela permet

de décrire le système de commande indépendamment des para-

mètres limitatifs d'un composant quelconque, par exemple la capacité du bouilleur ou la pression au bouilleur. On voit sur les figures que la vanne d'interception fonctionne sur la gamme EL nécessaire pour maintenir la pression minimum de réchauffeur en accord avec le signal ALD et la pression réchauffeur. Si l'on se reporte à la figure 1, et notamment à la boucle de commande de dérivation LP, ont voit que la porte de faible valeur 106 reçoit deux signaux d'entrée dont le plus faible en amplitude est automatiquement celui que l'on retrouve en sortie de la porte. Donc, le signal qui permet de commander la vanne de dérivation LP 46 est limité à la

plus faible valeur de signal à l'entrée de la porte 106.

Cette porte a pour effet de limiter a- demande de débit dans la vanne de dérivation 46. Cette disposition limite donc le débit de vapeur vers le condenseur 44 puisqu'est ainsi limité le débit total dans la vanne d'interception 38 et

dans la vanne de dérivation 46.

La demande de débit vers la vanne de dérivation LP 46 est limitée au minimum: (a) du signal de commande de pression normale, soit le signal fourni par le régulateur PID 104, ou (b) d'une limite de débit L présélectionnée réduite d'une quantité proportionnelle au rapport de la demande de charge réelle sur la turbine ALD et d'une constante K dont la valeur représente l'impact de charge de chaleur relative sur le condenseur et le débit du désurchauffeur de vapeur, comparé à la même quantité de débit dans le

sous-système de dérivation LP.

On a dit précédemment ce qu'était le signal de commande de pression normale (a). La valeur (b) représente un débit de vapeur maximum-permis dans le sous-système de dérivation LP et les parties basse pression de la turbine, et sert à limiter le débit de vapeur et minimiser l'impact haute température sur le condenseur et les derniers étages de la partie HP 14. Pour former cette deuxième limite de débit, le circuit de limitation de débit 122 fournit une valeur de référence présélectionnée L, correctement adaptée, de laquelle le rapport de ALD sur K est soustrait dans la jonction de sommation de débit de dérivation 124. Le rapport de ALD sur K est fourni par l'amplificateur 130 dont le gain est inversement proportionnel à K. La valeur de K est, de préférence, choisie pour représenter l'impact d'une charge de chaleur sur le condenseur 44 et le désurchauffeur 50 d'une quantité fixe de vapeur traversant le système de dérivation, comparé à la même quantité traversant les parties 16 et 18 de la turbine. K peut être, par exemple, de l'ordre de 1 à 3. La valeur de L, en unités normalisées de débit de condenseur maximum permis, est de préférence, comprise

entre 0,4 et 1,5.

Le système de commande conforme à l'invention sera

mieux compris par une description de son fonctionnement

lorsque la turbine passe d'une phase de fonctionnement à une

* autre, par exemple lors du démarrage ou d'une disjonction.

Il faut bien comprendre toutefois qu'un ensemble turbine-

générateur ainsi que les équipements et le système de commande associés forment une installation très complexe, de sorte qu'on n'a pas représenté, ni décrit, certaines parties de cette installation pour expliquer un certain nombre d'opérations. Cette simplification aidera à compren- dre les principes et le fonctionnement du système conforme

à l'invention.

Juste avant que démarre la turbine, le bouilleur 10 est en fonctionnement sous une certaine pression et avec

un certain débit, toute la vapeur étant dérivée de la tur-

bine et passant par les sous-systèmes de dérivation pour être

amenée au condenseur 44. L'opérateur choisit alors la pres-

sion de vapeur principale minimum permise et la pression de vapeur de réchauffeur minimum permise. Si la turbine 12 a

été correctement préchauffée et conditionnée pour fonction-

ner, elle est démarrée par commande de formation d'un signal

de demande de la turbine approprié dans le circuit de réfé-

rence vitesse 58 et le circuit de référence charge 66. La turbine étant en phase démarrage, le circuit de commande de débit 68 maintient la vanne de réglage d'admission 28 fermée pour que l'entraînement se fasse par la vapeur traversant les

parties IP 16 et LP 18, par l'intermédiaire de la vanne d'in-

terception 38, afin d'éviter tout échauffement par perte

de rotation dans la partie 14. Dans certaines conditions pré-

établies qui n'offrent pas d'intérêt particulier pour l'in-

vention, le circuit de commande de débit 68 provoque l'ouver-

ture de la vanne d'évent 54 et de la vanne de débit inverse 52, de sorte que la circulation de la vapeur est inversée

dans la partie 14, ce qui élimine les pertes de rotation.

Lorsque la turbine 12 est synchronisée avec le réseau électrique raccordé au générateur 20, on peut arrêter

la circulation en débit inverse dans la partie 14 de la tur-

bine et établir la circulation en débit direct de la vapeur.

Cette inversion de régime se fait par l'intermédiaire du circuit de commande de débit 68 qui, en quelques secondes, provoque la fermeture des vannes 52 et 54 et l'ouverture de la vanne de réglage d'admission 28. Avant que la circulation en débit direct de la vapeur soit établie dans la partie 14 de la turbine, le signal de demande de la turbine EL est fourni à la boucle de commande de vanne d'interception rendant cette vanne sensible aux besoins en charge et vitesse

de la turbine. A ce moment EL est maintenu à zéro pour assu-

rer que la vanne de réglage d'admission 28 est maintenue en position de fermeture. Mais la circulation dans la partie 14 de la turbine se faisant en débit direct, EL et EL sont identiques. Le signal EL est égal à zéro lorsque la turbine 12 est en régime de débit inverse, mais les boucles de commande de dérivation HP et LP restent néanmoins opérationnelles de manière à commander la position de la vanne de dérivation HP 30 et de la vanne de dérivation LP 46. En régime de débit inverse, le signal de sortie du multiplicateur 72 est bien entendu nul puisqu'un signal d'entrée de ce multiplicateur est égal à zéro. Mais les signaux d'erreur fournis par les jonctions de sommation 82 et 100 amènent respectivement les vannes de dérivation 30 et 46 en condition d'équilibre quel que soit le sens de circulation de la vapeur. Donc, même si

la turbine 12 est en régime de débit inverse, utilisé notam-

ment pour les démarrages et un fonctionnement sous faible charge, la boucle de commande de dérivation HP commande la vanne de dérivation 30 de manière à maintenir la pression au bouilleur à une valeur dépendant du point de référence de pression fourni par le générateur de fonction 78, et la boucle de commande de dérivation LP commande la vanne de

dérivation 46 de manière à maintenir la pression au réchauf-

feur à une valeur dépendant du point de référence de pres-

sion fourni par le générateur de fonction 96.

La trbine étant passée en régime de débit direct, la charge peut être accrue par établissement d'une valeur de

charge appropriée dans le circuit de référence de charge 66.

L'accroissement de cette valeur provoque l'accroissement de E et E et celui du degré d'ouverture de la vanne de réglage

L L

d'admission 28 pour qu'une plus grande quantité de vapeur admise dans la turbine 12 permette de soutenir la charge accrue. La vapeur étant amenée en plus grande quantité à la turbine 12, alors que le débit de vapeur en provenance du bouilleur reste constant, les vannes de dérivation 30 et 46

doivent être refermées en proportion. Pour les charges éle-

vées sur la turbine 12, les vannes de dérivation 30 et 46

peuvent être complètement fermées, toute la vapeur en prove-

nance du bouilleur 10 traversant la turbine pour que cette

dernière puisse supporter la charge imposée.

Dans le cas o se produit une perte brusque de charge électrique, par exemple dans le cas o le générateur est coupé du réseau d'alimentation, la vanne de réglage d'admission 28 et la vanne d'interception 38 passent très

rapidement en position de fermeture pour éviter que la tur-

bine soit endommagée par survitesse.

Il est souhaitable que le bouilleur 10 soit à l'abri de telles variations brusques dans le fonctionnement de la

turbine ainsi que des effets d'autres phénomènes transitoi-

res. Lorsque la vanne de réglage d'admission 28 passe rapide-

ment en position de fermeture, L devient nul et la pression PB au bouilleur tend à s'accroître s'il n'y a pas d'autre

commande.Mais la boucle de commande de dérivation haute pres-

sion détecte toute augmentation importante de la valeur PB en sortie du circuit de sommation 82 et règle la pression par le signal PREF HP en ouvrant la vanne de dérivation HP 30

de manière à accroître le débit dans le sous-système de déri-

vation HP. Le signal CFR peut varier rapidement par suite de la chute rapide de EL à zéro, mais le limiteur de taux 80

évite des variations rapides de la valeur de PREF HP trans-

féré à la jonction de sommation 82. Donc, pendant la courte

période suivant un phénomène transitoire, la vanne de déri-

vation HP 30 passe rapidement en position d'ouverture afin de maintenir la pression PB sensiblement à la valeur qu'elle avait avant ce phénomène transitoire. Lorsque la vanne de dérivation 30 est ouverte, le signal de commande de la vanne, représentatif du degré d'ouverture de cette vanne (pris en sortie du régulateur PID 86), est renvoyé au multiplicateur 74 pour stabiliser le signal CFR qui, à son tour, donne une valeur stable au signal PREF HP' Il en résulte globalement que PB et le débit de la vapeur en provenance du bouilleur sont maintenus sensiblement constants en dépit de variations

brusques dans le fonctionnement de la turbine.

La boucle de'âommande de dérivation LP, qui règle la pression de réchauffeur PRH en fonction du signal de référence BREF LP dérivé du signal CPR, est de même stabilisée puisque

le signal CFR reste stable.

k

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Système de commande automatique pour turbine à vapeur (12) fonctionnant avec un bouilleur (10) qui fournit de la vapeur sous pression, la turbine comportant une partie haute pression HP (14) et au moins une partie basse pression LP (18), un conduit de vapeur raccordant les parties haute et basse pression par l'intermédiaire d'un réchauffeur de vapeur (36), le débit de vapeur vers la partie haute pression étant réglé par au moins une vanne de réglage d'admission (28) et le débit de vapeur vers la partie basse pression étant réglé par au moins une vanne d'interception (38), système caractérisé en ce qu'il comporte: - un sous- système de dérivation haute pression pour dériver la vapeur de la partie haute pression de la turbine, ce sous-système comportant au moins une vanne de dérivation haute pression (30) pour régler le débit de la vapeur qui le traverse, - un sous-système de dérivation basse pression pour dériver la vapeur de la partie basse pression de la turbine, ce sous- système comportant au moins une vanne de dérivation basse pression (46) pour régler le débit de la vapeur qui le traverse, - une boucle de commande de charge et de vitesse (56 à 68) pour commander la vanne de réglage d'admission de manière à maintenir des paramètres vitesse et charge pré-établis, - des moyens pour former un signal de référence de débit combiné CFR (72 à 76), représentatif du débit total de la vapeur en provenance du bouilleur, une boucle de commande de dérivation haute pression HP (78 à 92) pour commander la vanne de dérivation haute pression et régler la pression de vapeur au bouilleur en fonction d'un premier signal de référence, ce signal étant déterminé à partir du signal CFR, et - une boucle de commande de dérivation basse pression LP (96 à 112) pour commander la vanne de dérivation basse pression et régler la pression de vapeur au réchauffeur en fonction d'un second signal de référence, ce signal

étant déterminé à partir du signal CFR.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé

en ce qu'il comporte, de plus: -

- des moyens pour former un signal de demande de charge réelle ALD (116), représentatif du débit de vapeur qui, dans la turbine, permet de maintenir les paramètres pré- établis de vitesse et de charge, et - une boucle de commande d'interception (118,120) pour commander la vanne d'interception en fonction du signal ALD.

3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus - des moyens (86) pour former un signal de demande de vanne de dérivation HP, représentatif du degré d'ouverture de cette vanne, - des moyens pour former un signal de position de vanne de réglage d'admission, représentatif du degré d'ouverture de cette vanne, le signal CFR étant formé par la somme des produits de (1) la pression au bouilleur et le signal de position de vanne de réglage d'admission, et de (2) la pression au bouilleur

et le signal de demande de vanne de dérivation HP.

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que: - la boucle de commande de charge et de vitesse comporte des

moyens (56 à 66) pour former un signal de demande de tur-

bine, représentatif des demandes de charge et de vitesse sur la turbine, le signal ALD étant formé par le produit de la pression au

bouilleur et de ce signal de demande de turbine.

5. Système selon-la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus - un sous-système de commande en débit inverse constitué par une vanne de débit inverse (52), une vanne d'évent (54), et des moyens de commutation (68) provoquant la fermeture de la vanne de réglage d'admission et l'établissement d'une circulation de vapeur en débit inverse dans la partie HP de la turbine; lors du démarrage et dans des conditions de charge réduite, la turbine.n'étant alors entraînée que

par la vapeur circulant dans sa partie basse pression.

6. Système selon les revendications 4 ou 5, carac-

térisé en ce qu'il comporte, de plus: - des moyens limiteurs de débit associés à la boucle de commande de dérivation LP pour régler automatiquement la vanne de dérivation LP et limiter, à une valeur maximum,

le débit dans le sous-système de dérivation LP.

7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens limiteurs de débit comportent une porte de faible valeur (106) conque de manière à ne laisser passer que le plus faible des signaux d'entrée qu'elle reçoit, afin de commander la vanne de dérivation basse pression, cette porte recevant un signal formé à partir du second signal de référence et un signal formé à partir d'une valeur limite L

de débit présélectionnée, réduite d'une quantité proportion-

nelle au rapport du signal ALD sur une constante présélec-

tionnée K.

8. Système selon la revendication 7, caractérisé en.

ce que la constante K présélectionnée représente la charge de chaleur relative du débit de vapeur dans la partie basse pression de la turbine, comparée à la même quantité de vapeur

circulant dans le sous-système de dérivation basse pression.

9. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la boucle de commande d'interception comporte, pour commander la position de la vanne d'interception (38) des moyens (118) pour former un signal proportionnel au signal ALD et inversement proportionnel à une valeur présélectionnée

de pression au réchauffeur.

10. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que - la boucle de commande de dérivation haute pression comporte un générateur de fonction haute pression (78) pour former le premier signal de référence en fonction du signal CFR, un transducteur (94) pour former un signal de pressionde

vapeur au bouilleur, des moyens (82) pour comparer ce pre-

mier signal de référence et ce signal de pression et for-

mer un signal d'erreur HP de commande de position de vanne de dérivation HP, en condition d'équilibre entre les deux signaux, - la boucle de commande de dérivation basse pression comporte un générateur de fonction basse pression (96) pour former le second signal de référence en fonction du signal CFR, un transducteur (114) pour former un signal de pression de vapeur au réchauffeur, des moyens (100) pour comparer ce

second signal de référence et ce signal de pression et for-

mer un signal d'erreur LP de commande de position de vanne de dérivation LP, en condition d'équilibre entre les

deux signaux.

11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que: - le générateur de fonction haute pression est conçu pour

former le premier signal de référence à une première va-

leur constante pour les faibles valeurs du signal CFR, accroître linéairement le signal de référence avec une valeur de pente présélectionnée pour atteindre une seconde valeur constante pour les fortes valeurs du signal CFR,

ce générateur comportant des moyens (200 et 201) pour sé-

lectionner les première et seconde valeurs constantes, respectivement, et le générateur de fonction basse pression est conçu pour former le second signal de référence à une troisième valeur

constante pour les faibles valeurs du signal CFR, et ac-

croître linéairement ce signal de référence avec une va-

leur de pente présélectionnée pour les fortes valeurs du signal CFR, ce générateur comportant des moyens (203) pour

sélectionner la troisième valeur constante.

12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que la boucle de camiande de dérivation haute pression comporte des moyens (80) pour limiter-le taux de variation dans le temps du premier signal de référence, de manière à limiter le taux de variation de position de la vanne de

dérivation haute pression.

13. Système selon la revendication 12, caractérisé -en ce que: - la boucle de commande de dérivation haute pression

comporte des moyens (84, 86) pour former un signal de posi-

tion de la vanne de dérivation haute pression en fonction

du signal d'erreur haute pression, de la valeur d'intégra-

tion dans le temps de ce signal d'erreur, ainsi que de sa valeur différentielle dans le temps, - la boucle de commande de dérivation basse pression comporte des moyens (102, 104) pour former un signal de

position de la vanne de dérivation basse pression en fonc-

tion du signal d'erreur basse pression, de la valeur d'in-

tégration dans le temps de ce signal d'erreur, ainsi que

de sa valeur différentielle dans le temps.