<Desc/Clms Page number 1>
Procédé et dispositif pour la conduite de turbines à gaz ou à vapeur à charge variable.
L'invention concerne un procédé pour la conduite de turbines à gaz ou à vapeur à charge variable et un dis- positif pour la mise à exécution de ce procédé, et elle a pour but de limiter de manière plus avantageuse qu'il n'était possible jusqu'à présent la diminution du rendement liée à cel- le de la charge dans la conduite des turbines, ou même d'évi- ter sensiblement cette perte de rendement.
En effet, cette diminution du rendement est la cause pour laquelle on préfère encore souvent aux turbines les mo- teurs à piston, dont on peut réduire simplement l'alimentation quand la charge décroît. Bien que l'étranglement du débit de
<Desc/Clms Page number 2>
gaz ou de vapeur, qu'on produit généralement dans les turbines, réduise aussi la puissance de la manière voulue, il entraîne cependant une notable diminution du rendement. Aussi a-t-on déjà proposé d'éviter cette perte de rendement par le pro- cédé à pression variable qui consiste à faire varier la pres- sion de la chaudière et à faire fonctionner la turbine, en charge réduite, à une pression inférieure à la normale. Toute- fois ce procédé ne s'avère pas parfait en pratique.
Il est vrai qu'après avoir réduit la pression de la chaudière on peut maintenir uniforme la pression d'entrée de la turbine, de manière qu'à ce point de vue il ne se produise pas de per- te sensible,mais par contre on est obligé de renoncer à utiliser la fraction librement abandonnée de la différence de pression réalisable. Au lieu d'une amélioration réelle du rendement de l'installation on ne réalise donc qu'une amélioration apparente.
Pour atteindre le but spécifié, l'invention recourt à un moyen plus avantageux, en se rattachant en quelque sorte à une autre proposition connue et en développant celle-ci. En effet, on a déjà proposé, pour un bloc à plusieurs étages comprenant deux turbines à basse pression, de mettre hors circuit, en charge réduite, un étage à basse pression. Tou- tefois il s'agit dans cette proposition d'un élément qui en pleine charge tourne à une plus faible vitesse que les autres éléments et qui utilise ainsi la fraction de vapeur que ne peut absorber et utiliser l'autre turbine à basse pression, fonctionnant à une plus grande vitesse. Cet élément n'est donc prévu que pour assurer en pleine charge un meilleur ren- dement dans la zone de basse pression.
Bien que dans ce cas on obtienne un succès partiel au point de vue de la pleine charge et de la zone de basse pression, on n'atteint cepen-
<Desc/Clms Page number 3>
dant pas le but de la présente invention qui s'étend à toute la gamme de pressions.
A la différence de cette ancienne proposition, l'in- vention consiste à adapter la vitesse de la vapeur à la vitesse périphérique par adjonction ou intercalation d'éléments auxi- liaires en charge réduite, en y procédant également par une modification du circuit de la vapeur, mais dans la gamme en- tière des pressions.
Par ce moyen on évite une diminution du rendement dans toutes les conditions pour toute la gamme des pressions de l'installation.
Le procédé se prête en effet à divers modes d'exécu- tion. Une forme d'exécution consiste, par exemple, à monter en amont de la turbine une petite turbine auxiliaire, non uti- lisée normalement et calculée pour une fraction de la consom- mation normale de vapeur, dans laquelle on utilise la diffé- rence de pression de la vapeur avant son entrée dans la tur- bine principale, en abaissant ainsi la pression à une valeur plus faible assurant en charge réduite un bon rendement de la turbine principale.
On peut aussi exécuter le procédé d'une autre manière en diminuant la vitesse de la turbine principale à une valeur inférieure assurant son bon rendement en charge réduite, cette diminution de vitesse étant opérée de préférence en interca- lant entre l'arbre de la turbine et l'arbre entraîné un accou- plement à changement de vitesse progressif.
Enfin, on peut encore exécuter le procédé en mon- tant en amont de l'étage à haute pression, en charge réduite, une petite turbine auxiliaire et en mettant hors circuit une partie des derniers étages. Cette forme d'exécution est no- tamment avantageux quand on emploie le système à double cou-
<Desc/Clms Page number 4>
rant de vapeur dans l'élément à basse pression, de manière qu'en demi-charge on puisse mettre hors circuit la moitié de l'élément à basse pression.
Le dessin annexé représente plusieurs exemples d'exécution de dispositifs convenant pour exécuter l'inven- tion.
La fig. 1 représente un exemple d'exécution compre- nant une turbine d'amont. a est la turbine principale, b est la turbine d'amont, plus petites, construite pour une plus faible consommation de vapeur, et ±. est une génératrice à courant alternatif. La turbine principale fonctionnnormale- ment sous une pression d'entrée de 100 atmosphères absolues, correspondant à la pression de la chaudière. La vapeur lui est amenée par la vanne e commandée par le régulateur cen- trifuge d. Celui-ci est agencé de manière que, dans certaines limites de réglage, il actionne aussi la vanne f et, dans certaines positions limites, la vanne à fermeture rapide g.
La turbine d'amont est raccordée à la conduite de vapeur de la chaudière par une dérivation h et par la vanne hl, et elle est agencée de manière que la vapeur qui lui est envoyée se détende de 100 atmosphères absolues à 30 atmosphères absolues.
La vanne hl est commandée en fonction des différences de pres- sion en amont et en aval de la vanne e, de manière qu'elle s'ouvre plus ou moins selon que la vanne e se ferme plus ou moins pour une réduction de la charge, jusqu'à ce que, pour une certaine position de réglage, la vanne e se ferme complè- tement et la vanne hl s'ouvre complètement. Par suite, pour une charge réduite déterminée, la turbine principale a n'est alimentée que par la quantité réduite de vapeur, à 30 atmos- phères absolues, arrivant de la petite turbine d'amont, et on réalise ainsi pour cette charge réduite le rendement voulu sensiblement constant de la turbine. Comme spécifié ci-dessus,
<Desc/Clms Page number 5>
la production de vapeur dans la chaudière est réduite de ma- nière correspondante.
Il est vrai qu'avec ce procédé, malgré la réduction de la charge, la turbine d'amont est elle aussi utilisée pour la production d'énergie, mais cela ne signifie aucune augmen- tation de la puissance, car on peut maintenir sans difficul- tés dans les limites voulues la production totale d'énergie en diminuant de manière correspondante la puissance de la turbine principale par une forte détente appropriée de la quantité réduite de vapeur qui, comme le montre l'exemple, peut être poussée beaucoup plus loin que l'abaissement de pression dans le procédé à pression variable. Par suite, tout en maintenant une pression constante dans la chaudière, on peut utiliser toute la différence de pression avec un bon rendement même pour une faible charge.
La petite turbine d'amont est très peu coûteuse; comme le montre le dessin, elle peut être montée sur le même arbre que la turbine principale et elle n'exige alors aucun régulateur de vitesse à fermeture rapide spécial. Vu qu'il s'agit d'une turbine à haute pression elle peut en outre avoir des dimensions très réduites et elle peut abaisser la quantité réduite de vapeur à la pression d'entrée voulue de la turbine principale dans une seule roue.' L'abaissement de température de la vapeur peut être compensé, si on le veut, par une faible surchauffe ultérieure.
Les Figs.2 et 3 montrent des exemples se rapportant à la diminution de la vitesse périphérique de la turbine prin- cipale dans la conduite d'un turbogénérateur. Pour exécuter ce procédé, il suffit de prévoir pour le réglage de vitesse, con- nu en soi, de la turbine principale une amplitude plus grande que d'ordinaire, ce qui est réalisable sans difficulté. Pour la conduite d'une génératrice électrique, il en résulte tou-
<Desc/Clms Page number 6>
tefois l'obligation de tenir compte de la plus faible vitesse de rotation de la turbine principale en charge réduite.
Dans le cas du courant continu on peut y réussir, éventuellement et dans certaines limites, en donnant à la génératrice de plus grandes dimensions et en excitant davantage l'enroule- ment de champ en charge réduite, et alors il est même avanta- geux que pour une plus faible vitesse il n'y ait qu'une frac- tion de la charge. Toutefois, pour de plus grandes différences de vitesse, on emploie avantageusement deux génératrices, comme le montre la Fig. 2 où les deux génératrices à courant continu cl et c2 sont montées sur le même arbre entraîné par la turbine al.
On supposera que le nombre de tours normal n est 1000, que le nombre de tours pour une charge réduite est 500 et que la tension est de 500 volts. Suivant l'invention, on connecte alors les deux génératrices en parallèle pour la vi- tesse de rotation normale et en série pour une charge réduite et de cette façon on obtient chaque fois la puissance voulue en utilisant la même différence de pression, mais des quanti- tés de vapeur différentes, selon la charge.
Les connexions électriques requises à cet effet sont connues et, par suite, il n'est pas nécessaire de les repré- senter.
Dans les installations à courant alternatif tripha- sées ou non, on peut aussi atteindre le résultat voulu en in- tercalant entre l'arbre de la turbine et la génératrice élec- trique un accouplement à changement de vitesse progressif, par exemple un accouplement hydraulique de construction appropriée.
Ces accouplements sont eux aussi connus en soi, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de les représenter spécialement. Avec leur aide on peut régler de la manière voulue la vitesse de la génératrice électrique en rapport avec la consommation de
<Desc/Clms Page number 7>
vapeur réduite quand la vitesse de la turbine diminue.
Eventuellement, on peut recourir à l'emploi d'un changeur de fréquence.
Dans beaucoup de cas, par exemple quand il est possi- ble de désaccoupler la génératrice pour passer au service de nuit, on peut aussi procéder de manière à n'employer que des accouplements ordinaires, en désaccouplant la génératrice de la turbine et en l'accouplant pour une charge réduite à l'ai- de d'une autre transmission.
En outre, on peut aussi opérer en employant une gé- nératrice principale pour la pleine charge et une plus petite génératrice pour une charge réduite. La Fig. 3 représente une disposition convenant à cette fin.
Comme le montre la Fig. 3, il est prévu outre la génératrice principale c3 une génératrice auxiliaire ±.4 pour une charge réduite et entre ces deux génératrices on dispose une transmission désaccouplable ayant la forme d'un pignon baladeur k, monté sur l'arbre i de la turbine, qu'on peut fai- re mettre en prise soit avec le pignon 1 monté sur l'arbre de la génératrice principale, soit avec le pignon m monté sur l'arbre de la génératrice auxiliaire. Par suite, si normale- ment la turbine a2 fonctionne par exemple à une vitesse n = 5000 et si la génératrice principale c3 fournit 1000 volts, on doit construire la génératrice auxiliaire c1 de telle ma- nière que, par exemple pour une vitesse n = 2000 de la turbine, elle fournisse également 1000 volts.
Pour cette disposition la génératrice auxiliaire ne fonctionne donc pas en pleine charge et la génératrice auxiliaire ne fonctionne pas en charge ré- duite, mais éventuellement on peut aussi adopter une disposi- tion propre à faire fonctionner la génératrice principale eomme changeur de phase, en même temps que la génératrice auxiliaire, pour une charge réduite.
<Desc/Clms Page number 8>
Un autre moyen d'adapter le débit de vapeur réduit à la turbine en charge réduite consiste à monter en amont de l'étage à haute pression une petite turbine auxiliaire, à mettre hors circuit les derniers étages de la turbine et à répartir ainsi la différence de pression sur l'ensemble modifié. Avec des turbines très importantes on peut alors recourir à la mesure, connue en soi, consistant à raccorder en parallèle deux ou plusieurs éléments dans l'étage à basse pression. Il suffit alors de ne déconnecter du groupe qu'un seul élément en charge réduite.
Sur la Fig. 4, a4 est un étage à haute pression, a5 et a6 sont les étages à basse pression, fonctionnant suivant le système à double courant de vapeur, qui actionnent chacun une génératrice c5 ou c6, et bl est une turbine auxiliai- re, ne fonctionnant pas normalement, qu'on peut monter en amont de l'étage à haute pression. En charge réduite, après avoir diminué la production de vapeur, on détend les quanti- tés réduites de vapeur, dans-la turbine auxiliaire, à la pression plus faible procurant à l'étage à haute pression le rendement avantageux, et on met hors circuit, par exemple, l'élément a5 de la turbine à basse pression à double courant de vapeur. Par suite, seul l'élément a6 est encore alimenté depuis l'étage à haute pression a4 , devenu étage à pression moyenne, par les quantités réduites de vapeur parcourant cet étage.
Le réglage des vannes peut s'opérer en substance de la même manière que dans le cas de la Fig. 1.
Dans le cas d'étages à basse pression à un seul courant de vapeur on met complètement hors circuit les derniers étages.
On peut aussi multiplier les dispositifs décrits,
<Desc/Clms Page number 9>
par exemple employer plusieurs petites turbines d'amont, ou bien on peut aussi éventuellement employer simultanément deux de ces dispositifs, comme le montre le dernier exemple cité.
Il est particulièrement avantageux que même pour une charge très réduite les étages à haute pression soient toujours alimentés de vapeur dont la température initiale reste la même. Les turbines peuvent alors toujours passer immédiatement d'une charge très réduite à la pleine charge, sans qu'il soit nécessaire de procéder préalablement à un long réchauffage ou de maintenir la chaudière inutilement sous pression.
Avec des turbines à gaz on peut employer les dispositifs servant à la mise à exécution de l'invention, en les conformant de manière appropriée sensiblement comme c'est décrit ci-dessus.
REVENDICATIONS ---------------------------
1. Procédé pour la conduite de turbines à vapeur à charge variable, servant à assurer par une modification du circuit de la vapeur un bon rendement en charge réduite, caractérisé en ce qu'on adapte la vitesse de la vapeur à la vitesse périphérique, dans toute la gamme des pressions de la turbine, par adjonction ou intercalation d'éléments auxiliaires en charge réduite, en maintenant constante la pression dans la chaudière, mais en diminuant la production de vapeur.