FR2914351A1

FR2914351A1 - Procedes et dispositifs pour controler des ensembles de vanne de turbine a vapeur

Info

Publication number: FR2914351A1
Application number: FR0852002A
Authority: FR
Inventors: Yogesh Kesrinath Potdar; David E Welch; Chin Penn Peter Chan; Guido Felice Forte
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2008-10-03
Also published as: JP2008248883A; RU2008112053A; US20080243287A1; DE102008015588A1; RU2457337C2; US7596428B2

Abstract

La présente demande procure des dispositifs et des procédés pour contrôler des ensembles de vanne (110) de turbine à vapeur. Les caractéristiques de vibration d'au moins un ensemble de vanne (110) avant le fonctionnement peuvent être mesurées. Ensuite, le comportement de cet ensemble de vanne (110) peut être contrôlé durant le fonctionnement de l'ensemble de vanne (110), puis comparé aux caractéristiques de vibration déterminées avant le fonctionnement. La comparaison du comportement de l'ensemble de vanne (110) contrôlé durant le fonctionnement avec les caractéristiques de l'ensemble de vanne (110) mesurées avant le fonctionnement peut permettre l'estimation des niveaux de contrainte subis par l'ensemble de vanne (110) durant le fonctionnement.

Description

B 08/0608 FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY

PROCEDES ET DISPOSITIFS POUR CONTROLER DES ENSEMBLES DE VANNE DE TURBINE A VAPEUR Invention de : POTDAR Yogesh Kesrinath WELCH David E. CHAN Chin-Penn Peter FORTE Guido Felice Jr Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 29 mars 2007 sous le N 11/693.263

2 PROCEDES ET DISPOSITIFS POUR CONTROLER DES ENSEMBLES DE VANNE DE TURBINE A VAPEUR La présente demande concerne de façon générale un ensemble de vanne, et concerne plus particulièrement un procédé et un système pour contrôler un ensemble de vanne utilisé dans une turbine à vapeur. Une turbine à vapeur convertit l'énergie cinétique ou thermique d'une vapeur sous pression en énergie mécanique utile. De façon générale, de la vapeur est créée dans un générateur de vapeur ou chaudière, puis traverse des vannes d'arrêt et de commande pour arriver dans des buses, qui actionnent un ensemble de rotor. L'ensemble de rotor peut alors entraîner lui-même un générateur pour produire de l'énergie électrique. Des vannes d'arrêt et des vannes de commande commandent le fonctionnement d'une turbine à vapeur par la commande de l'écoulement de vapeur dans les buses. De façon caractéristique, une vanne de commande commande l'entrée de vapeur dans les buses durant des niveaux de fonctionnement normaux. Une vanne d'arrêt est, de façon caractéristique, maintenue ouverte durant le fonctionnement normal et fermée lorsqu'un arrêt immédiat est nécessaire. Dans certaines applications, la vanne de commande et la vanne d'arrêt sont intégrées dans une unité unique.

A des niveaux de fonctionnement différents, les caractéristiques d'écoulement dans et autour des ensembles de vanne d'une turbine à vapeur peuvent provoquer des instabilités qui peuvent produire une vibration. Une vibration excessive est indésirable et peut produire une fatigue des composants et une défaillance prématurée des ensembles de vanne. On sait que des ensembles de vanne utilisés durant le fonctionnement présentent des caractéristiques de vibration venant de la vibration des ensembles de vanne eux-mêmes, ainsi que de l'écoulement dans et autour des ensembles de vanne, souvent appelés

3 vibration structurelle et vibration acoustique, respectivement. Les ensembles de vanne peuvent être affectés par les effets de vibration individuels, ainsi que par l'interaction entre les fréquences structurelle et acoustique et les formes modales. La solution actuelle pour corriger une interaction de fréquences de vibration consiste à concevoir des ensembles de vanne dont il est prévu qu'ils produisent une séparation suffisante entre leurs caractéristiques structurelles et acoustiques. Cependant, comme le nombre d'applications dans lesquelles des ensembles de vanne peuvent être utilisés augmente, leurs conditions de fonctionnement deviennent moins prévisibles. De plus, la demande sur les ensembles de vanne augmente, amenant ceux- ci à fonctionner dans des conditions plus dures et plus variables. Par conséquent, la réalisation d'une séparation adéquate entre les caractéristiques de vibration structurelles et acoustiques devient de plus en plus difficile, ce qui empêche ainsi une pleine connaissance des contraintes appliquées aux ensembles de vanne, et, par conséquent, de la fatigue subie. Il existe par conséquent un souhait de mieux comprendre les caractéristiques de vibration des ensembles de vanne utilisés dans les turbines à vapeur. De plus, il est préférable d'obtenir une compréhension des caractéristiques de vibration des ensembles de vanne durant différents états de fonctionnement pour l'utilisation en comparaison avec des caractéristiques de vibration d'ensembles de vanne lorsqu'ils sont utilisés.

La présente demande procure par conséquent des dispositifs et des procédés pour contrôler des ensembles de vanne de turbine à vapeur. Selon un premier aspect, il est proposé un procédé pour contrôler des ensembles de vanne. Tout d'abord, les caractéristiques de vibration d'au moins un ensemble de vanne avant le fonctionnement

4 peuvent être mesurées. Ensuite, le comportement de cet ensemble de vanne peut être contrôlé durant le fonctionnement de l'ensemble de vanne, puis comparé aux caractéristiques de vibration déterminées avant le fonctionnement. La comparaison du comportement de l'ensemble de vanne contrôlé durant le fonctionnement avec les caractéristiques d'ensemble de vanne mesurées avant le fonctionnement peut permettre d'estimer les niveaux de contrainte subis par l'ensemble de vanne durant le fonctionnement. Selon un autre aspect, il est proposé un système pour contrôler des ensembles de vanne de turbine à vapeur. Le système peut comprendre au moins un analyseur de caractéristiques couplé à au moins un ensemble de vanne, l'analyseur ou les analyseurs de caractéristiques pouvant être programmé(s) pour mesurer les caractéristiques de vibration de l'ensemble de vanne avant le fonctionnement et mémoriser les caractéristiques de vibration dans une mémoire. Au moins un dispositif de contrôle peut être couplé à l'ensemble de vanne pour contrôler le comportement de l'ensemble de vanne durant le fonctionnement. Au moins une unité de commande peut être couplée au(x) dispositif(s) de contrôle, l'unité de commande étant programmée pour : recevoir un comportement contrôlé de l'ensemble de vanne à partir du dispositif de contrôle, récupérer les caractéristiques de vibration à partir de la mémoire, comparer le comportement contrôlé durant le fonctionnement aux caractéristiques de vibration mesurées avant le fonctionnement, et estimer des niveaux de contrainte subis par l'ensemble de vanne durant le fonctionnement en fonction de la comparaison du comportement durant le fonctionnement et des caractéristiques de vibration avant le fonctionnement. Selon encore un autre aspect, il est proposé un procédé pour contrôler au moins un ensemble de vanne utilisé dans une turbine à vapeur. Tout d'abord, les caractéristiques fondamentales de l'ensemble de vanne peuvent être mesurées dans une pluralité de conditions de fonctionnement avant le fonctionnement. La mesure des 5 caractéristiques fondamentales peut comprendre : la mesure des fréquences de vibration naturelles de l'espace acoustique et de la structure de l'ensemble de vanne, la détermination des distributions de pression de vibration et des amplitudes de pression de vibration exercées sur l'ensemble de vanne pour au moins l'une des fréquences de vibration naturelles, la réalisation d'une analyse de réponse forcée sur l'ensemble de vanne, l'analyse de réponse forcée pouvant comprendre la prise en considération de la distribution de pression de vibration et de l'amplitude de pression de vibration. Le comportement de l'ensemble de vanne peut être contrôlé durant le fonctionnement, le comportement comprenant les fréquences de vibration de l'ensemble de vanne, les amplitudes de vibration de l'ensemble de vanne, le soulèvement de vanne de l'ensemble de vanne, les pressions de vapeur et les températures de vapeur. Ensuite, le comportement durant le fonctionnement de l'ensemble de vanne peut être comparé aux caractéristiques fondamentales de l'ensemble de vanne. Ce procédé peut permettre la prévision d'une durée de vie utile restante de l'ensemble de vanne en fonction de la comparaison du comportement durant le fonctionnement et des caractéristiques fondamentales. Ces éléments et caractéristiques de la présente demande, ainsi que d'autres, apparaîtront de façon évidente à une personne ayant une connaissance ordinaire de la technique lors de l'examen de la description détaillée qui suit, prise en relation avec les différents dessins et les revendications jointes.

La figure 1 est un schéma général du système pour

6 contrôler des ensembles de vanne. La figure 2 est un schéma général d'un système de contrôle informatisé utilisé par le système de la figure 1.

La figure 3 est un exemple d'organigramme illustrant une logique exécutée par le système de la figure 1. La figure 4 est un exemple d'organigramme illustrant une logique exécutée par le système de la figure 1. La figure 5 est un exemple d'organigramme illustrant une logique exécutée par le système de la figure 1. La figure 6 est une illustration en coupe transversale partielle d'un exemple d'ensemble de vanne de la figure 1. La figure 7 est un exemple de sortie du système de la figure 1.

La figure 8 est un exemple de sortie du système de la figure 2. La présente demande va à présent être décrite plus complètement ci-après en se référant aux dessins joints, dans lesquels certaines, mais non la totalité, des réalisations, sont représentées. En fait, l'objet de la présente demande peut être mis en oeuvre sous de nombreuses formes différentes et ne devrait pas être considéré comme limité aux réalisations exposées ici . Au contraire, ces réalisations sont présentées de telle sorte que cette description satisfasse à des exigences légales applicables. Des numéros identiques désignent tout du long des éléments identiques. La présente demande référence des schémas généraux de systèmes, de procédés, de dispositifs, et de produits de programme informatique selon au moins une réalisation décrite ici. On comprendra que chaque cadre des schémas généraux, et que les combinaisons de cadres dans les schémas généraux, respectivement, peuvent être mis en oeuvre au moins partiellement par les instructions de programme informatique. Ces instructions de programme

7 informatique peuvent être chargées dans un ordinateur à usage général, un ordinateur à usage spécial, un ordinateur câblé à usage spécial, ou un autre dispositif de traitement de données programmable pour produire une machine, de telle sorte que les instructions qui s'exécutent sur l'ordinateur ou un autre dispositif de traitement de données programmable créent des moyens pour mettre en oeuvre la fonctionnalité de chaque cadre des schémas généraux, ou de combinaisons de cadres dans les schémas généraux décrits en détail dans les descriptions ci-dessous. Ces instructions de programme informatique peuvent également être mémorisées dans une mémoire lisible par un ordinateur qui peut diriger un ordinateur ou un autre dispositif de traitement de données programmable de façon à fonctionner d'une façon particulière, de telle sorte que les instructions mémorisées dans la mémoire lisible par un ordinateur produisent un article de fabrication comprenant des moyens d'instruction qui exécutent la fonction spécifiée dans le ou les cadre(s). Les instructions de programme informatique peuvent également être chargées dans un ordinateur ou un autre dispositif de traitement de données programmable pour provoquer l'exécution d'une série d'étapes de fonctionnement sur l'ordinateur ou un autre dispositif programmable afin de produire un processus réalisé par un ordinateur de telle sorte que les instructions qui s'exécutent sur l'ordinateur ou un autre dispositif programmable produisent des étapes pour exécuter les fonctions spécifiées dans le ou les cadre(s).

Les systèmes et les procédés décrits ici peuvent être réalisés à l'aide d'un programme d'application exécuté sur un système d'exploitation d'un ordinateur. Ils peuvent également être mis en oeuvre avec d'autres configurations de système informatique, comprenant des dispositifs portables, des systèmes à multiprocesseur, basés sur un

8 microprocesseur, ou des circuits électroniques grand public programmables, des mini-ordinateurs, de gros ordinateurs, etc. Les programmes d'application qui sont des composants des systèmes et des procédés décrits ici peuvent comprendre des sous-programmes, des programmes, des composants, des structures de données, etc., qui exécutent certains types de données abrégées et exécutent certaines tâches ou actions. Dans un environnement informatique réparti, le programme d'application (entièrement ou en partie) peut être situé dans une mémoire locale, ou dans un autre dispositif de mémorisation. De plus, ou dans l'alternative, le programme d'application (entièrement ou en partie) peut être situé dans une mémoire ou dans un dispositif de mémorisation distant afin d'autoriser des circonstances dans lesquelles des tâches sont effectuées par des dispositifs de traitement distants reliés par l'intermédiaire d'un réseau de communications. Des exemples de réalisation seront ci-après décrits en se référant aux figures, dans lesquelles des numéros identiques indiquent des éléments identiques dans l'ensemble des différents dessins. Selon un aspect de la présente demande, l'impact de la fatigue, et, de façon plus caractéristique, de la fatigue de cycle élevée, sur des ensembles de vanne de turbine à vapeur, peut être déterminé. Ces systèmes et ces procédés peuvent être utilisés pour déterminer des caractéristiques fondamentales des effets de vibration sur une structure d'ensemble de vanne et sur l'espace acoustique associé.

Les fondamentaux peuvent être utilisés pour une comparaison avec un comportement contrôlé présenté par les ensembles de vanne durant le fonctionnement. Par conséquent, la combinaison de la compréhension des caractéristiques fondamentales et du comportement présenté par les ensembles de vanne durant le fonctionnement permet

9 au système de mieux informer les opérateurs des contraintes imposées aux ensembles de vanne, et, par conséquent, de l'usure et du temps estimé avant la défaillance des ensembles de vanne.

La figure 1 illustre, à l'aide d'un schéma général, une turbine à vapeur 100 dans un système à turbine à vapeur. De la vapeur peut entrer dans la turbine à vapeur 100 par l'intermédiaire d'un ou plusieurs orifices d'entrée de vapeur 120, qui sont reliés à un ensemble de vanne 110 qui commande l'entrée et le volume de la vapeur entrant dans un ou plusieurs ensembles de rotor 140 par l'intermédiaire d'un ou plusieurs orifices de sortie de vapeur 130. L'ensemble de vanne 110 peut comprendre une vanne de commande et une vanne d'arrêt dans un ensemble unique. D'une autre façon, la vanne de commande et la vanne d'arrêt peuvent résider dans des ensembles séparés. L'ensemble de vanne 110 commande l'écoulement de vapeur. Si l'ensemble de vanne 110 est ouvert, alors, de la vapeur pourra circuler vers l'ensemble de rotor 140. D'une autre façon, si l'ensemble de vanne 110 est fermé, la vapeur ne pourra pas s'écouler vers l'ensemble de rotor 140. On apprécie le fait que la turbine à vapeur 100 peut contenir plus d'un des composants décrits ici. Par exemple, des ensembles de vanne multiples 110 peuvent être configurés de façon à fonctionner en série ou en parallèle les uns avec les autres, et/ou ils peuvent être configurés de façon à fonctionner en admission à arc total ou à arc partiel. Un ou plusieurs dispositifs de contrôle 150 peuvent être intégrés à l'ensemble de vanne 110 afin de permettre le contrôle de différents paramètres de l'ensemble de vanne 110. Par exemple, l'un des dispositifs de contrôle 150 peut être un accéléromètre utilisé pour mesurer les caractéristiques de vibration de l'ensemble de vanne 110, telles que l'amplitude et la fréquence. Un autre exemple

10 de l'un des dispositifs de contrôle 150 peut être une jauge de contraintes ou une jauge de contraintes dynamique utilisée pour mesurer la contrainte appliquée à l'ensemble de vanne 110. Egalement, d'autres exemples de paramètres contrôlés par les dispositifs de contrôle 150 peuvent comprendre la pression de vapeur, la température de vapeur, le soulèvement de vanne, le déplacement, la contrainte, l'accélération, ou le temps de fonctionnement. Les personnes ayant une bonne connaissance de la technique pourront apprécier le fait que des paramètres de fonctionnement de la turbine à vapeur 100 autres que ceux mentionnés ici peuvent être contrôlés par les dispositifs de contrôle 150. Les descriptions accompagnant les figures 3 et 5 donnent davantage de détails concernant le fonctionnement de l'unité de commande 170 et des dispositifs de contrôle 150. Une ou plusieurs unités de commande en fonctionnement 170 peuvent recevoir, mémoriser et traiter des données de mesure venant des dispositifs de contrôle 150. Un ou plusieurs analyseurs de caractéristiques 160 peuvent être utilisés pour obtenir les caractéristiques de l'ensemble de vanne 110 avant qu'ils ne soit mis en fonctionnement. Par exemple, l'analyseur de caractéristiques 160 peut comprendre les capacités de réalisation d'analyses d'éléments finis, d'analyses de dynamique des fluides à calcul instable, ainsi que d'autres essais sur le terrain ou en laboratoire qui sont connus dans la technique. Les descriptions accompagnant les figures 3 et 4 donnent davantage de détails concernant le fonctionnement de l'analyseur de caractéristiques 160. Finalement, l'unité de commande 170 et l'analyseur de caractéristiques 160 peuvent être exécutés sur un ou plusieurs systèmes de contrôle informatisés 190. La description accompagnant la figure 2 donne davantage de détails concernant le fonctionnement du système de contrôle informatisé 190.

11 La figure 2 montre un schéma général du système de contrôle informatisé 190 utilisé pour caractériser et contrôler les ensembles de vanne 110, selon une réalisation illustrative de la présente demande. De façon plus caractéristique, les éléments du système de contrôle informatisé 190 peuvent être utilisés pour exécuter les fonctions de l'unité de commande 170 et de l'analyseur de caractéristiques 160. Le système de contrôle informatisé 190 peut comprendre une mémoire 210 qui mémorise une logique programmée 220 (par exemple, un logiciel) et qui peut mémoriser des données de mesure 230. La mémoire 210 peut également comprendre un système d'exploitation 240. Un processeur 250 peut utiliser le système d'exploitation 240 pour exécuter la logique programmée 220, et, ce faisant, peut également utiliser les données de mesure 230. Un bus de données 260 peut assurer une communication entre la mémoire 210 et le processeur 250. Des utilisateurs peuvent venir en interface avec le système de contrôle informatisé 190 par l'intermédiaire d'un ou plusieurs dispositif(s) d'interface d'utilisateur 270 tels qu'un clavier, une souris, un panneau de commande, ou tous autres dispositifs susceptibles de communiquer des données vers et à partir du système de contrôle informatisé 190. Par exemple, le dispositif d'interface d'utilisateur 270 peut afficher un signal pour l'utilisateur du fait qu'un niveau de vibration de seuil a été dépassé durant le fonctionnement de la turbine à vapeur 100. Le dispositif d'interface d'utilisateur peut également afficher pour l'utilisateur la durée de vie consommée ou la durée de vie restante estimée de l'ensemble de vanne 110. Le système de contrôle informatisé 190 peut être en communication avec la turbine à vapeur 100, et être également en communication avec les ensembles de vanne 110 avant l'intégration dans la turbine à vapeur 100, par l'intermédiaire d'une interface d'entrée/sortie 280. De

12 façon plus caractéristique, un ou plusieurs des systèmes de contrôle informatisés 190 peuvent effectuer l'exécution de l'unité de commande 170, par exemple le contrôle de l'ensemble de vanne 110, par l'intermédiaire du dispositif ou des dispositifs de contrôle 150. Egalement, un ou plusieurs des systèmes de contrôle informatisés 190 peuvent également assurer l'exécution de l'analyseur de caractéristiques 160 avant le fonctionnement de la turbine à vapeur 100. De plus, on appréciera le fait que d'autres dispositifs externes, tels que l'ensemble de rotor 140 ou de multiples autres turbines à vapeur 100, peuvent être en communication avec le système de contrôle informatisé 190 par l'intermédiaire de l'interface d'entrée/sortie 280. Dans la réalisation illustrée, le système de contrôle informatisé 190 peut être situé à distance vis-à-vis de la turbine à vapeur 100, bien qu'il puisse être disposé de façon conjointe, ou même intégré, avec la turbine à vapeur 100. De plus, le système de contrôle informatisé 190 et la logique programmée 220 mise en oeuvre par celui-ci peuvent comprendre un logiciel, des circuits, un micro-logiciel, ou n'importe quelle combinaison de ceux-ci. On devra également apprécier le fait que de multiples systèmes de contrôle informatisés 190 peuvent être utilisés, grâce à quoi des fonctions différentes décrites ici peuvent être exécutées sur un ou plusieurs systèmes de contrôle informatisés 190 différents. Les figures 3 à 5 sont des exemples d'organigrammes illustrant les procédés grâce auxquels une réalisation selon la présente demande peut fonctionner. La figure 3 est un exemple d'organigramme du fonctionnement fondamental de l'analyseur de caractéristiques 160 et de l'unité de commande 170 utilisés pour déterminer les caractéristiques fondamentales et le comportement de fonctionnement de l'ensemble de vanne 110, selon une réalisation illustrative de la présente demande. Dans le

13 cadre 310, l'analyseur de caractéristiques 160 peut déterminer les caractéristiques fondamentales de l'ensemble de vanne 110 dans un ou plusieurs états de fonctionnement. Les états de fonctionnement analysés par l'analyseur de caractéristiques 160 peuvent être, par exemple, le démarrage à froid, le démarrage à chaud, le démarrage entre le froid et le chaud, le transfert de charge, et l'arrêt. Comme décrit ci-dessus, on devra apprécier le fait que l'analyseur de caractéristiques 160 peut fonctionner sur un ou plusieurs systèmes de contrôle informatisés 190 et peut comprendre un ou plusieurs modules de programme mémorisés, constituant la logique programmée 220 dans la mémoire 210. Ces modules de programmes peuvent être utilisés durant l'analyse dans le cadre 310, comme, par exemple, des modules de programme susceptibles d'effectuer des analyses d'éléments finis, une dynamique des fluides à calcul instable, ou d'autres essais de laboratoire ou sur le terrain connus dans la technique. Le fonctionnement et les procédés mis en oeuvre par l'analyseur de caractéristiques 160 sont détaillés de façon plus complète dans la description accompagnant la figure 4. Après que les caractéristiques fondamentales aient été déterminées, l'ensemble de vanne 110 peut être contrôlé durant le fonctionnement dans la turbine à vapeur 100, comme indiqué par le cadre 320, à l'aide d'un ou plusieurs dispositifs de contrôle 150 en communication avec l'unité de commande 170, comme décrit en se référant à la figure 1. Le fonctionnement et les procédés mis en oeuvre par l'unité de commande 170 sont décrits de façon plus détaillée dans la description accompagnant la figure 5. Dans le cadre 330, le comportement de fonctionnement mesuré par l'unité de commande 170 peut être comparé aux caractéristiques fondamentales déterminées par l'analyseur de caractéristiques 310 afin d'identifier les contraintes

14 appliquées à l'ensemble de vanne 110 durant le fonctionnement. De façon plus caractéristique, le comportement de fonctionnement, tel que les données d'accélération et de fréquence mesurées dans le cadre 320, et le stimulus acoustique identifié par les caractéristiques fondamentales dans le cadre 310, permettent la prédiction, par l'intermédiaire d'algorithmes numériques, des amplitudes de vibration de fonctionnement, et, par conséquent, des contraintes, auxquelles l'ensemble de vanne 110 a été exposé durant le fonctionnement. Finalement, comme représenté dans le cadre 340, la compréhension des effets potentiels sur l'ensemble de vanne 110 peut permettre aux opérateurs de prévoir les effets indésirables de la fatigue de cycle élevée. De façon plus caractéristique, les contraintes de fonctionnement estimées dans le cadre 330 peuvent alors être analysées afin de calculer la durée de vie consommée de l'ensemble de vanne 110 durant le fonctionnement enregistré. La durée de vie consommée peut être calculée à l'aide de la règle de Miner, ou à l'aide d'autres techniques de prévision de contraintes, telles que des distributions probabilistes telles que des distributions logarithmiques, des distributions de Weibull, ou d'autres couramment connues dans la technique. La durée de vie consommée peut alors être mémorisée dans la mémoire 210 pour une référence et un fonctionnement ultérieurs. De plus, les calculs de durée de vie consommée peuvent être ajoutés les uns aux autres de façon cumulative afin de parvenir à une mesure de la durée de vie consommée totale ainsi qu'à une estimation de la durée de vie viable restante de l'ensemble de vanne 110. Les déterminations effectuées dans le cadre 340 peuvent être faites en temps réel, en temps quasi-réel, ou peuvent être faites principalement en fonction de données historiques.

15 La figure 4 est un exemple d'organigramme des étapes qui peuvent être effectuées par l'analyseur de caractéristiques 160 afin de déterminer les caractéristiques fondamentales de l'ensemble de vanne 110 à un ou plusieurs états de fonctionnement, selon un aspect de la présente demande. Les caractéristiques fondamentales peuvent être déterminées avant le fonctionnement, de façon caractéristique dans un banc d'essai ou dans un environnement de laboratoire, bien que des essais sur le terrain, ou analogues, comme cela est connu dans la technique, puissent être utilisés pour déterminer les caractéristiques décrites en figure 4. De plus, les caractéristiques fondamentales peuvent être déterminées, mais sans y être limitées, pour les états de fonctionnement suivants : démarrage à froid, démarrage à chaud, démarrage entre le froid et le chaud, transfert de charge, et arrêt. Malgré ces exemples d'états de fonctionnement, on apprécie le fait que les systèmes et les procédés décrits ici ne nécessitent pas la mesure de la totalité du spectre d'états de fonctionnement pour obtenir des mesures fondamentales adéquates. De plus, on apprécie le fait qu'il n'est pas nécessaire de prendre chacune des mesures décrites en se référant à la figure 4 pour obtenir une compréhension suffisante des caractéristiques fondamentales, et que, par conséquent, un sous-jeu des mesures décrites est suffisant pour obtenir une compréhension fondamentale. Dans le cadre 410, les fréquences de vibration naturelles de l'espace acoustique de l'ensemble de vanne 110 peuvent être mesurées pour un ou plusieurs états de fonctionnement. L'espace acoustique peut être défini au mieux comme étant la cavité intérieure de l'ensemble de vanne 110 que traverse la vapeur durant le fonctionnement. De façon plus caractéristique, les fréquences de vibration naturelles de l'espace acoustique peuvent être déterminées

16 à l'aide d'une analyse numérique validée. Celle-ci comprend, de façon caractéristique, la réalisation, par exemple, d'une analyse d'éléments finis dans laquelle la géométrie de l'espace acoustique est modélisée et les fréquences acoustiques et les distributions de pression normalisées sont déterminées à l'aide d'outils d'analyse d'éléments finis disponibles dans le commerce. Le but de cette étape est de comprendre avec plus de précision les fréquences de l'espace acoustique entourant la vanne de commande à l'intérieur de l'ensemble de vanne 110. De plus, on apprécie le fait que plusieurs autres procédés numériques, par exemple le procédé à élément de limite, des techniques de mesure expérimentales réelles telles que la disposition de microphones dans l'espace, ou analogues, tels qu'ils sont connus dans la technique, peuvent être utilisés pour accomplir ce but. Par conséquent, les modes structurels possibles qui peuvent être excités peuvent être prévus jusqu'à une certaine fréquence, par exemple 10 kHz. Dans le cadre 420, les fréquences de vibration naturelles de la structure

d'ensemble de vanne 110 peuvent être déterminées à un ou plusieurs états de fonctionnement. Les fréquences de vibration naturelles peuvent être mesurées à l'aide de dispositifs de mesure similaires au dispositif de contrôle 150, tels qu'un accéléromètre. La mesure tout à la fois des caractéristiques acoustiques et des caractéristiques structurelles permet l'identification d'une éventuelle interaction de vibration acoustique-structurelle, qui peut affecter sensiblement les contraintes subies par l'ensemble de vanne 110 et aider à prévoir sa durée de vie restante. Comme cela est représenté dans le cadre 430, l'amplitude et la distribution de la pression appliquée à l'espace acoustique et à la structure de l'ensemble de

17 vanne 110 peuvent être déterminées. Par exemple, des analyses de dynamique des fluides à calcul instable ou d'autres essais en laboratoire ou essais sur le terrain, comme cela est connu dans la technique, peuvent être utilisées pour identifier la distribution de pression et les amplitudes relatives dans le cadre 430. La figure 7, décrite plus en détail ci-dessous, illustre un exemple de sortie d'une analyse de dynamique des fluides à calcul instable effectuée sur l'ensemble de vanne 110 à une fréquence, un mode, et un état de fonctionnement spécifiques. La distribution et les amplitudes de pression déterminées dans le cadre 430 peuvent ensuite être délivrées sous la forme d'entrées à l'analyse de réponse forcée décrite dans le cadre 440. Une analyse de réponse forcée peut être une procédure d'analyse d'éléments finis, grâce à laquelle la réponse de contraintes peut être déterminée en des points sur l'ensemble de vanne 110 pour différentes fréquences de fonctionnement. La figure 8, décrite plus en détail ci-dessous, illustre un exemple de sortie d'une analyse de réponse forcée pour des échantillons d'emplacements sur l'ensemble de vanne 110. Les amplitudes de réponse de contraintes mesurées déterminées dans le cadre 440 peuvent être utilisées pour une comparaison avec le comportement de fonctionnement de l'ensemble de vanne 110 mesuré dans le cadre 320 de la figure 3, et sont plus complètement décrites dans la description ci-dessus des cadres 330 et 340 de la figure 3.

Comme représenté dans le cadre 435, au moins l'un parmi le déplacement, la contrainte et l'accélération de l'ensemble de vanne 110 peut, de façon optionnelle, être mesuré avant le fonctionnement pour obtenir une plus grande caractérisation du fonctionnement fondamental de l'ensemble de vanne 110. La contrainte peut être mesurée à

18 l'aide d'un dispositif de contrôle 150 tel qu'une jauge de contraintes, une jauge de contraintes dynamique, ou analogue, comme cela est connu dans la technique. L'accélération peut être mesurée à l'aide d'un dispositif de contrôle 150 tel qu'un accéléromètre, ou analogue, comme cela est connu dans la technique. Le déplacement peut être mesuré à l'aide d'une combinaison des mesures prises à partir d'une jauge de contraintes et d'un accéléromètre, à partir d'une jauge de contraintes dynamique, ou analogue, comme cela est connu dans la technique. On appréciera le fait que la prise de ces mesures est optionnelle dans cette étape, et qu'elle n'est pas nécessaire pour réaliser l'objet décrit dans cette demande.

La figure 5 est un exemple d'organigramme des étapes qui peuvent être effectuées par l'unité de commande 170 pour contrôler l'ensemble de vanne 110 durant le fonctionnement dans la turbine à vapeur 100. Dans le cadre 510, la fréquence et l'amplitude relative de vibration de l'ensemble de vanne 110 durant le fonctionnement peuvent être contrôlées. De façon plus caractéristique, un ou plusieurs dispositifs de contrôle 150, tels qu'un accéléromètre, ou analogues, qui sont couramment connus dans la technique, peuvent être fixés à l'ensemble de vanne 110 et en communication avec l'unité de commande 170. L'unité de commande 170 peut comprendre un logiciel qui lit les signaux délivrés par les dispositifs de commande 150 et qui traduit les signaux en fréquences et en amplitudes relatives de vibration. Dans le cadre 520, des niveaux de pression de vapeur entourant l'ensemble de vanne 110 peuvent être contrôlés à l'aide d'un dispositif de détection de pression connu dans la technique. Dans le cadre 530, des niveaux de température de vapeur entourant l'ensemble de vanne 110 peuvent être contrôlés à l'aide d'un dispositif de détection de température connu dans la

19 technique. Le soulèvement de la vanne de l'ensemble de vanne 110 peut être mesuré par un transducteur de déplacement variable linéaire, ou par d'autres procédés couramment connus dans la technique, comme décrit dans le cadre 540. Toutes les conditions ci-dessus peuvent être mesurées et suivies au cours du temps, comme décrit dans le cadre 550. Le suivi de ces conditions au cours du temps procure une image plus complète de la durée dont l'ensemble de vanne 110 a été soumis aux différentes conditions. De plus, le suivi des conditions de fonctionnement de l'ensemble de vanne 110 au cours du temps permet l'estimation de la durée de vie consommée du dispositif, comme décrit dans le cadre 340 en figure 3. On appréciera le fait que les conditions décrites ci-dessus ne servent qu'à des fins d'exemple, et qu'il apparaîtra de façon évidente à une personne ayant une bonne connaissance de la technique que d'autres conditions peuvent être mesurées et incluses dans l'analyse du comportement de fonctionnement de l'ensemble de vanne 110. Par exemple, comme représenté dans le cadre 545, au moins l'un parmi l'effort, la contrainte et le déplacement, peut, de façon optionnelle, être contrôlé durant le fonctionnement pour une comparaison ultérieure avec les mesures fondamentales telles qu'elles ont été mesurées de façon optionnelle dans le cadre 435 de la figure 4. La figure 6 montre un exemple illustratif de l'ensemble de vanne 110 qui peut être contrôlé durant la mise en oeuvre des présents procédés et systèmes décrits ici. L'espace acoustique 610 identifie la cavité intérieure de l'ensemble de vanne 110. Dans cet exemple d'ensemble de vanne, une vanne de commande 620 et une vanne d'arrêt 630 sont intégrées sous la forme d'une unité unique. Durant le fonctionnement, la vanne de commande 620 peut être maintenue ouverte de façon à permettre un

20 écoulement à partir de l'orifice d'entrée de vapeur 120, à travers un écran annulaire 650, à travers l'espace acoustique 610, vers l'orifice de sortie de vapeur 130. Les débits d'écoulement peuvent être commandés par la proximité du fond de la vanne de commande 620 avec le siège de vanne 640, de telle sorte que le logement de la vanne de commande 620 contre le siège de vanne arrête l'écoulement. De plus, pour arrêter immédiatement l'écoulement, la vanne d'arrêt 630 peut être rapidement logée contre le siège de vanne 640. L'interaction entre les caractéristiques de vibration de l'espace acoustique 610 et de l'ensemble de vanne 110, y compris la vanne de commande 620 et la vanne d'arrêt 630, peut affecter le comportement global de l'ensemble de vanne 110. Le dispositif de contrôle 150, tel qu'un accéléromètre, peut être disposé sur la tige de vanne de la vanne de commande 620, par exemple, pour contrôler le comportement de fonctionnement de la vanne de commande. De façon similaire, bien que cela ne soit pas représenté, un dispositif de contrôle 150 peut être disposé sur la tige de vanne de la vanne d'arrêt 630 afin de contrôler son comportement de fonctionnement. La figure 7 montre un exemple illustratif d'une distribution de pression normalisée qui peut être déterminée à l'aide d'une analyse de dynamique des fluides à calcul instable, comme dans le cadre 430 de la figure 4. Il est donné un modèle d'espace acoustique 700 d'un exemple d'ensemble de vanne 110. La sortie graphique d'une analyse de dynamique des fluides à calcul instable montre un gradient de distributions de pression normalisée allant d'une pression normalisée négative 710 à une pression normalisée positive 720. Les zones ombrées représentées sur le modèle d'espace acoustique 700 représentent différents gradients de distribution de pression normalisée ayant des valeurs relatives inférieures à la

21 pression la plus élevée, représentée par la pression normalisée positive 720, et supérieures à la pression la plus basse, représentée par la pression normalisée négative 710.

La figure 8 montre un exemple illustratif des résultats de l'analyse de réponse forcée qui peut être effectuée dans le cadre 440 de la figure 4 pour modéliser la contrainte qui peut être appliquée à l'ensemble de vanne 110. Un exemple d'espace acoustique 610 et d'ensemble de vanne 110 est représenté comme comportant des échantillons d'emplacements - un premier emplacement 820, un deuxième emplacement 830 et un troisième emplacement 840 - pour lesquels la réponse en pression peut être mesurée. La sortie d'analyse de réponse forcée 800 trace la contrainte principale en kilo-livres par pouce carré (1 kilo-livre par pouce carré 6818 kPa) sur l'axe y et la fréquence d'excitation en hertz sur l'axe x. Un exemple de sortie est représenté par une première sortie 850, une deuxième sortie 860, et une troisième sortie 870 correspondant à la contrainte provoquée sur l'ensemble de vanne 110 aux premier, deuxième et troisième emplacements 820, 830, 840 sur les fréquences comprises entre 1000 hertz et 2000 hertz. On appréciera le fait que l'espace acoustique, les emplacements pour lesquels la contrainte est représentée et les fréquences sur lesquelles la contrainte est mesurée et les valeurs des contraintes représentées dans la sortie d'analyse 800 servent à des fins illustratives uniquement et peuvent différer avec la structure et l'application de l'ensemble de vanne. Il apparaîtra de façon évidente que ce qui précède concerne uniquement les réalisations préférées de la présente demande et que de nombreux changements et modifications peuvent être effectués ici par une personne ayant une connaissance ordinaire de la technique sans s'écarter de l'esprit et de l'étendue de l'applicabilité généraux définis par les revendications qui suivent et les équivalents de celles-ci.

23 Enumération des parties par numéro de référence 100 Turbine à vapeur 110 Ensemble de vanne 120 Orifice d'entrée de vapeur 130 Orifice de sortie de vapeur 140 Ensemble de rotor 150 Dispositif de contrôle 160 Analyseur de caractéristiques 170 Unité de commande 190 Système de contrôle informatisé 210 Mémoire 220 Logique programmée 230 Données de mesure 240 Système d'exploitation 250 Processeur 260 Bus de données 270 Dispositifs d'interface d'utilisateur 280 Interfaces d'entrée/sortie 310 Cadre 320 Cadre 330 Cadre 340 Cadre 410 Cadre 420 Cadre 430 Cadre 440 Cadre 510 Cadre 520 Cadre 530 Cadre 540 Cadre 550 Cadre 610 Espace acoustique 620 Vanne de commande 630 Vanne d'arrêt 640 Siège de vanne 650 Ecran annulaire 700 Modèle d'espace acoustique 710 Pression normalisée négative 720 Pression normalisée positive 800 Sortie d'analyse de réponse forcée 820 Premier emplacement 830 Deuxième emplacement 840 Troisième emplacement 850 Première sortie 860 Deuxième sortie 870 Troisième sortie

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour contrôler des ensembles de vanne (110), caractérisé en ce qu'il comprend : la mesure de caractéristiques de vibration d'au moins un ensemble de vanne (110) avant le fonctionnement ; le contrôle du comportement dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) durant le fonctionnement ; la comparaison dudit comportement dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) durant le fonctionnement auxdites caractéristiques de vibration dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) ; et l'estimation de niveaux de contraintes subis par ledit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) durant le fonctionnement en fonction de la comparaison dudit comportement durant le fonctionnement et desdites caractéristiques de vibration avant le fonctionnement.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite mesure des caractéristiques de vibration est effectuée pour une pluralité de conditions de fonctionnement dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110), et en ce que ladite pluralité de conditions de fonctionnement comprennent au moins l'un parmi : le démarrage à froid, le démarrage à chaud, le démarrage entre le froid et le chaud, le transfert de charge, ou l'arrêt.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite mesure des caractéristiques de vibration est effectuée pour une pluralité de conditions de fonctionnement dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) et en ce qu'il comprend de plus : la détermination des fréquences de vibration naturelles de l'espace acoustique (610) dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) ; la détermination des modes de vibration naturels de 35 l'espace acoustique (610) dudit ensemble de vanne au 26 nombre d'au moins un (110) ; la détermination des fréquences de vibration naturelles de la structure dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) ; la détermination des modes de vibration naturels de la structure dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) ; la détermination de distributions de pression appliquées à la structure dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) pour au moins l'une desdites fréquences de vibration naturelles ; la détermination d'amplitudes de pression appliquées à la structure dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) pour au moins l'une desdites fréquences de vibration naturelles ; et la réalisation d'une analyse de réponse forcée (800) pour déterminer des niveaux de contraintes relatifs subis par au moins un emplacement sur ledit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110), ladite analyse de réponse forcée (800) prenant au moins partiellement en considération ladite amplitude de pression et lesdites distributions de pression.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite mesure des caractéristiques de vibration comprend de plus la détermination d'au moins l'un parmi : le déplacement dudit ensemble de vanne (110), la contrainte sur ledit ensemble de vanne (110), ou l'accélération dudit ensemble de vanne (110).

5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite détermination desdites fréquences de vibration naturelles et desdits modes de vibration naturels de l'espace acoustique (610) est effectuée à l'aide de microphones sensibles à la pression (150) et en ce que ladite détermination desdites fréquences de vibration naturelles et desdits modes de vibration naturels de la 27 structure est effectuée à l'aide d'un accéléromètre (150).

6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite détermination de distribution de pression et ladite détermination d'amplitude de pression comprennent la réalisation d'une analyse de dynamique de fluides à calcul instable.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contrôle du comportement dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) durant le fonctionnement comprend de plus : la mesure de fréquences de vibration dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) ; la mesure d'amplitudes de vibration dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) ; la mesure d'au moins l'un parmi : le soulèvement de vanne dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un, les pressions de vapeur, ou les températures de vapeur ; et la mémorisation dans une mémoire (210) dudit comportement contrôlé, comprenant la durée pendant laquelle lesdites mesures sont prises.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite mesure des fréquences de vibration et ladite mesure des amplitudes de vibration sont effectuées à l'aide d'un accéléromètre (150).

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus : le calcul d'une durée de vie consommée dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110), en prenant en considération lesdits niveaux de contrainte estimés subis par ledit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110) durant le fonctionnement ; et la mémorisation de ladite durée de vie consommée dans une mémoire (210).

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend de plus : 28 l'addition de façon cumulative de ladite durée de vie consommée afin d'estimer une durée de vie utile restante dudit ensemble de vanne au nombre d'au moins un (110); et l'affichage pour au moins un utilisateur de ladite durée de vie utile restante.