Turbines à vapeur auxiliaires et systèmes d'huile

Auxiliaire Turbine à Vapeur

• Les turbines sont des forces motrices importantes dans une usine.
• Elles nécessitent des systèmes de lubrification fiables pour graisser les pièces mobiles.
• La taille de la turbine influe sur la complexité de son système de lubrification.
• Les petites turbines (moins de 150 kW) utilisent des paliers à anneau graisseur.
• Les turbines de taille moyenne peuvent combiner un palier à anneau graisseur avec un système de circulation.
• Les grandes turbines ont des systèmes de lubrification complets pour les paliers, le régulateur et les robinets d'étranglement.

Systèmes à Huile Lubrifiante

• Le réservoir d'huile a une capacité entre 4542 et 9084 litres, selon la taille de l'appareil.
• Les pompes à huile aspirent l'huile à travers des crépines dans le réservoir.
• L'huile est refoulée à haute pression (552-827 kPa).
• L'huile sous haute pression alimente les systèmes d'huile pour la puissance, le relais du régulateur et les refroidisseurs.
• L'huile passe par un réducteur de pression.
• L'huile est refroidie dans les refroidisseurs avant d'atteindre les paliers.
• La plage des températures de sortie de l'huile est de 43°C à 49°C.

Vireurs : Fonction et Importance

• Une turbine au repos à froid a tendance à s'affaisser légèrement à cause du poids du rotor, créant une cambrure.
• Si une turbine est arrêtée chaude, le refroidissement inégal cause une déformation appelée "dos d'âne".
• Le vireur est un moteur électrique qui fait tourner l'arbre de la turbine à basse vitesse (20-40 tr/min).
• Le vireur assure un refroidissement uniforme et prévient les déformations.
• Les turbines à l'arrêt doivent virer pendant environ trois heures avant le démarrage à froid.
• Après l'arrêt, les turbines doivent continuer à virer pendant 24 heures pour un refroidissement uniforme.

Installation et Positionnement des Vireurs

• L'emplacement du vireur suspendu est crucial pour les grandes turbines.
• Le positionnement sur le côté du palier permet au pignon d'engager l'arbre sous l'axe de la turbine.
• L'installation à basse pression illustre un montage à une extrémité de la turbine.
• Le système de vireur est conçu pour maintenir une rotation constante à basse vitesse, ce qui prolonge la longévité de la turbine.

Systèmes d'Huile de Levage

• Les grandes turbines avec rotors lourds possèdent une pompe à huile de levage.
• La pompe à huile de levage alimente la partie inférieure des paliers en huile à environ 10 000 kPa.
• La pression d'huile soulève l'arbre de quelques millimètres.
• L'huile de levage élimine le contact métal-métal lors du démarrage initial.
• L'huile réduit considérablement la charge de démarrage du moteur électrique.
• L'huile de levage est alimentée avant le démarrage du vireur.
• Elle est maintenue pendant le fonctionnement à basse vitesse.
• La pompe de levage est arrêtée quand la turbine atteint 50-60 tr/min.

Circuits de Turbine à Condensation

• Il existe deux types de turbines : à condensation et à contre-pression.
• Les turbines à condensation évacuent à des pressions inférieures à la pression atmosphérique.
• Les turbines à contre-pression évacuent à des pressions égales ou supérieures à la pression atmosphérique.
• Dans une centrale thermique, la chaleur de la chaudière produit de la vapeur qui crée un travail mécanique.
• Ce principe s'applique également aux centrales nucléaires.
• Dans les centrales nucléaires la chaleur provient de la réaction du combustible nucléaire.

Centrales Thermiques Nucléaires

• Les centrales thermiques nucléaires créent de la chaleur grâce à la réaction du combustible nucléaire.
• La chaleur produite est transférée à un échangeur par un frigorigène en circulation.
• Le frigorigène assure une barrière de sécurité.
• Le fluide de travail est la vapeur, tout comme dans une centrale thermique classique.

Circuit Détaillé d'une Turbine à Vapeur

• La vapeur principale de la chaudière se détend dans la turbine HP.
• Après la turbine HP, la vapeur retourne à la section du réchauffeur dans la chaudière.
• La vapeur de la turbine HP se détend ensuite dans la turbine BP.
• La vapeur d'échappement de la turbine BP passe au condenseur à surface.
• L'eau provenant de la pompe à eau circulante élimine la chaleur latente de la vapeur.
• L'eau refroidie condense en eau dans le condenseur.
• Le condensat est pompé vers les réchauffeurs d'alimentation.
• La vapeur d'extraction dans les réchauffeurs précauffe l'eau d'alimentation.
• L'eau d'alimentation retourne ensuite à la chaudière.

Régulateurs de Turbine à Vapeur

• Les systèmes de régulation de turbine contrôlent le débit de vapeur.
• Ils maintiennent une vitesse constante avec des charges variables.
• Ils maintiennent une pression constante avec des demandes variables en vapeur de procédé. Quand une turbine à condensation contrôle un alternateur, le régulateur contrôle le débit de vapeur pour maintenir une vitesse constante.
• Dans une turbine à contre-pression, il maintient la contre-pression constante pour le procédé.
• Il existe deux catégories principales de régulateurs : ceux qui réagissent aux changements de vitesse et ceux qui réagissent aux changements de pression.

Régulateurs Sensibles à la Vitesse

• La régulation des tuyères utilisée maintient une vitesse en réglant le débit de vapeur vers les tuyères.
• Les tuyères dirigent la vapeur ensuite vers les aubes de la turbine (turbines à action).
• La régulation par étranglement utilise un ou plusieurs soupapes à l'entrée de la turbine.
• La régulation par étranglement règle le débit de vapeur dans l'enveloppe, dirigeant la vapeur en fonction de la conception interne de la turbine.
• La régulation de dérivation utilise deux vannes d'étranglement : une à l'entrée du premier étage et l'autre en aval.
• La régulation de dérivation permet à la turbine de maintenir la vitesse pendant qu'elle produit une puissance additionnelle.

Régulation des Tuyères

• Le système de levée de barre a une rangée de tuyères d'entrée au-dessus des aubes du premier étage.
• Il possède aussi un groupe de soupapes installées dans une barre horizontale.
• Les tiges de ces soupapes ont des longueurs variables.
• La longueur des tiges détermine la séquence d'ouverture ou de fermeture.
• Le système de levée de came applique le même principe.
• Le système de levée de came utilise un dispositif de came qui contrôle individuellement la séquence et l'ouverture de chaque tuyère.
• Cette approche permet de contrôler plus précisément le débit de vapeur vers les aubes de la turbine.

Régulation par Étranglement

• Le régulateur simple a une vanne à l'entrée qui règle le débit de vapeur dans l'enveloppe.
• Lasoupape d'étranglement répond au régulateur.
• La soupape augmente/réduit le débit de vapeur selon les besoins de vitesse.
• Ce système convientaux turbines de taille moyenne.
• Le régulateur hydraulique-mécanique utilise une servocommande hydraulique.
• Le régulateur hydraulique-mécanique permet un contrôle plus précis.
• Il est utilisé avec les turbines à réaction.
• Les turbines à réaction ont une chute de pression dans les aubes mobiles et exigent l'admission de vapeur sur toute la circonférence.

Régulation de Dérivation ou de Surcharge

• Ce système est utilisé sur turbines à action et à réaction.
• Il consiste en deux robinets d'étranglement.
• Un robinet est à l'entrée du premier étage et l'autre est situé en aval.
• Le deuxième point d'entrée permet à la turbine de maintenir sa vitesse.
• Il permet aussi à la turbine de produire une puissance additionnelle en cas de charge élevée/surcharge.
• La boîte à vapeur comprend un robinet d'arrêt et de déclenchement ainsi qu'un robinet d'étranglement de dérivation.
• Ces robinets dirigent la vapeur vers les tuyères appropriées.

Régulateurs Sensibles à la Pression

• Les régulateurs sensibles à la pression contrôlent une contre-pression stable.
• Ils contrôlent une contre-pression à l'échappement de la vapeur/extrait de la vapeur à mi-chemin dans la turbine.
• Ils refoulent la vapeur à une pression contrôlée à partir d'un point.
• Il y a habituellement une combinaison de régulation de vitesse/pression.
• Ils assurent un fonctionnement stable de la turbine et optimisent la production d'énergie et les besoins en vapeur de procédé.
• Ils sont également essentiels dans les installations où la vapeur est utilisée pour produire de l'électricité et pour d'autres procédés thermiques.
• Ils nécessitent un contrôle précis des paramètres.

Régulation de la Contre-pression

• Ce système utilise un élément sensible à la pression de la conduite de vapeur d'échappement.
• Un point de consigne est entré dans le contrôleur.
• Le contrôleur règle ensuite la position du robinet d'étranglement d'entrée de vapeur.
• Si la pression est basse, la vanne s'ouvre pour admettre plus de vapeur et augmenter la contre-pression.
• Si la pression est haute, la vanne se ferme, maintenant ainsi l'équilibre.
• Le rendement de la turbine à contre-pression est élevé.
• La turbine à contre-pression n'implique pas de pertes de vapeur d'échappement.
• La production de charge dépend entièrement de la demande en vapeur de procédé.

Régulation du Soutirage

• La vapeur peut être soutirée à une pression contrôlée des étages intermédiaires d'une turbine.
• Les régulations des turbines à soutirage sont complexes.
• Elles doivent permettre des changements de charge sans modifier la sortie.
• Si la demande en vapeur de soutirage augmente, la pression diminue.
• La diminution de la pression force le piston du régulateur vers le bas.
• Cela entraîne un ajustement de la tringlerie, ce qui modifie la position des soupapes d'entrée et de soutirage.
• Si la charge de la turbine augmente, le régulateur de vitesse ajuste le système.
• Il augmente l'admission de vapeur à haute pression.
• Le système permet d'accroître la charge sans changer le débit et la pression de soutirage.

Affaissement du Régulateur

• Un régulateur idéal maintient une vitesse constante quelle que soit la charge.
• Le régulateur idéal a un affaissement de 0%.
• En pratique, l'affaissement est la différence entre la vitesse à charge nulle et à pleine chart, exprimée comme un pourcentage.
• Un exemple d'affaissement typique à 10%, serait une vitesse à vide de 5000 RPM et une vitesse à pleine charge de 4500 tr/min.
• Les régulateurs à faible affaissement sont plus sensibles aux changements de charge.
• Ils offrent une régulation précise.
• Cela rend les régulateurs qui ont peu d'affaissement préférable dans des applications nécessitant un contrôle précis.

Régulation Isochrone

• La régulation isochrone permet une régulation de vitesse parfaite sans affaissement.
• Un régulateur isochrone règle la turbine à une vitesse constante à toutes les charges.
• La régulation isochrone s'applique aux turbines fonctionnant seules.
• La limitation de la régulation hsochrone est un risque d'oscillation quand les turbines fonctionnent en parallèle.
• L'oscillation est un effet où chaque turbine tente de prendre le changement de charge.
• Le phénomène de l'oscillation crée un cycle incontrôlable.

Types de Régulateurs Sensibles à la Vitesse

• Le régulateur mécanique a un système simple à poids centrifuges.
• Le régulateur mécanique et hydraulique combine les aspects mécaniques avec une amplification hydraulique.
• Le régulateur électronique et hydraulique utilise l'électronique pour un contrôle plus précis.
• Le régulateur de vitesse est un contrôleur à action proportionnelle.
• Les changements de puissance entraînent une variation de la vitesse de la turbine.
• Le régulateur contrôle l'ouverture des robinets selon cette variation.
• En raison de l'affaissement de vitesse, la fréquence n'est pas constante sans un réglage extérieur.

Régulateurs Mécaniques

• Des poids fixés à l'extrémité de l'arbre de la turbine pivotent et peuvent se déplacer.
• Les poids peuvent se déplacer vers l'intérieur ou vers l'extérieur avec la force centrifuge.
• Le mouvement des poids est transmis à la soupape régulatrice via un système de levier.
• L'inconvénient des régulateurs mécaniques simples est l'affaissement de vitesse élevé (environ 10 %).
• Les régulateurs mécaniques ne conviennent pas aux grandes machines et aux applications qui nécessitent une régulation précise.
• Plus la vitesse de rotation est grande, plus la force centrifuge est importante.
• Plus les poids se déplacent vers l'extérieur, plus les poids entraînent l'ajustement de la soupape régulatrice, contrôlant le débit de vapeur.

Fonctionnement du Régulateur Mécanique

• Si la charge de la turbine augmente, la turbine ralentit et les poids se déplacent vers l'intérieur.
• La tige du régulateur se déplace vers la gauche grâce à la force du contre-ressort.
• Le levier pivote et l'extrémité inférieure se déplace ouvrant la soupape régulatrice.
• Plus de vapeur entre dans la turbine ce qui augmente graduellement la vitesse.
• Les poids se déplacent de nouveau vers l'extérieur jusqu'à ce que le système soit équilibré.
• Au moment de l'équilibre le système se stabilise à la valeur du nouveau réglage désiré.
• Le mouvement des masses complète le cycle de régulation.

Régulateurs Mécaniques-Hydrauliques

• Le régulateur mécanique-hydraulique possède un robinet pilote et un amplificateur hydraulique.
• Il élimine la tringlerie directe des poids à la soupape régulatrice.
• Les poids positionnent un robinet pilote à huile qui admet une huile à haute pression à un piston.
• Le piston déplace la soupape régulatrice.
• L'avantage de cette conception est la réduction des pertes mécaniques.
• Les poids exigent moins de force tandis que le pilote fournit la puissance pour déplacer la soupape régulatrice.
• L'affaissement peut être réduit à presque zéro.

Fonctionnement du Régulateur Mécanique-Hydraulique

• L'huile (environ 500 kPa) est alimentée au centre du robinet pilote.
• À la vitesse normale, le robinet pilote couvre les passages d'huile vers le cylindre de l'amplificateur.
• Ça empêche l'huile de s'échapper.
• Si la charge diminue et la vitesse augmente, les poids tirent le robinet vers le haut.
• L'huile entre au haut du cylindre.
• Une partie de l'huile est évacuée du bas du cylindre, déplaçant le piston vers le bas.
• La soupape ferme davantage la vapeur.
• Si la vitesse diminue, les poids se déplacent vers l'intérieur.
• À la vitesse idéale, le robinet retourne à la position centrale de la turbine.
• La turbine continue de fonctionner à la vitesse voulue.

Système Complet de Régulation Mécanique-Hydraulique

• Une pompe à engrenages, commandée par l'arbre de la turbine, distribue la pression hydraulique aux composantes du régulateur.
• Une pompe électrique auxiliaire fournit la pression d'huile au démarrage.
• Ce mécanisme est en fonction jusqu'à que la pompe principale soit opérationnelle.
• Avant la mise en marche, le déclencheur automatique est activé manuellement pour que le robinet soit ouvert.
• Les volants rotatifs prennent une position équilibrée grâce à un contre-ressort.
• Ils assurent la stabilité et la précision du contrôle de la pression.