Turbines à vapeur : Chapitre 2, auxiliaires et fonctionnement

Auxiliaires et fonctionnement des turbines à vapeur

• Chapitre 2 traite des auxiliaires et du fonctionnement des turbines à vapeur
• L'apprentissage comprend la description des systèmes d'huile lubrifiante, les systèmes de vireur, les circuits de turbines à condensation et les types de régulateurs.

Systèmes à huile lubrifiante

• Les turbines nécessitent des systèmes de lubrification pour assurer l'alimentation en huile à toutes les pièces en mouvement.
• La complexité du système de lubrification dépend de la taille de la turbine.
• Les petites turbines (<150 kW) utilisent des paliers à anneau graisseur et la lubrification manuelle pour les autres pièces.
• Les turbines de taille moyenne peuvent avoir un palier à anneau huilé et un système de circulation pour lubrifier les engrenages et les paliers.
• Les grandes turbines ont des systèmes de circulation d'huile qui alimentent les paliers, les mécanismes du régulateur, et les robinets d'étranglement de vapeur hydraulique.
• Un système d'huile type comprend un réservoir, une pompe (350-500 kPa) et un collecteur pour alimenter les mécanismes de régulation.

Système d'huile lubrifiante type pour une génératrice de la turbine

• Le réservoir d'huile a une capacité de 4542 à 9084 litres, selon la taille de l'appareil.
• Les pompes à huile aspirent du réservoir à travers des crépines et refoulent l'huile à haute pression (552-827 kPa).
• L'huile circule vers les systèmes d'huile pour puissance et relais du régulateur, et vers les refroidisseurs d'huile puis les paliers de la génératrice.
• L'huile pour puissance actionne les servomoteurs et les robinets de commande hydraulique.
• L'huile pour relais agit comme milieu de régulation sensible et doit être à haute pression.
• L'huile de lubrification est à basse pression (69 kPa - 138 kPa) après être passée dans un réducteur de pression.
• L'huile est refroidie dans les refroidisseurs (43°C - 49°C en sortie) avant d'atteindre les paliers.
• Dans les paliers, l'huile lubrifie et agit comme frigorigène.
• L'huile est collectée dans un collecteur de retour et retourne au réservoir.

Vireurs

• Empêchent la cambrure (affaissement) ou le dos d'âne (flexion vers le haut) du rotor lorsqu'une turbine est arrêtée.
• Le vireur fait tourner l'arbre de la turbine à basse vitesse (20-40 tr/min).
• Une turbine froide doit virer pendant environ trois heures avant le démarrage.
• Après l'arrêt, une turbine doit virer pendant les 24 heures suivantes.
• Les génératrices refroidies à l'hydrogène doivent virer pour éviter une perte excessive d'hydrogène.
• Le système comprend un moteur électrique et des engrenages de réduction.
• La roue de désengrenage possède un étrier suspendu actionné par un piston à huile.

Systèmes d'huile de levage

• Les grandes turbines avec des rotors lourds ont une pompe à huile qui alimente la partie inférieure des paliers à environ 10 000 kPa.
• Cela soulève l'arbre de quelques millimètres pour éviter le contact métal-métal.
• L'huile de levage est alimentée avant le démarrage du vireur et pendant le fonctionnement à basse vitesse.
• La pompe à huile de levage est arrêtée entre 50 et 60 tr/min de la turbine.

Circuits de turbine à condensation

• Il existe deux classes générales de turbines : à condensation (pressions inférieures à la pression atmosphérique) et à contre-pression (pressions égales ou supérieures à la pression atmosphérique).
• La vapeur produite dans une centrale thermique est transformée en travail mécanique à l'arbre de la turbine.
• Un réacteur nucléaire peut être utilisé comme source de chaleur pour le cycle à vapeur, où la chaleur est transférée à un échangeur de chaleur par un frigorigène en circulation.
• Le fluide de travail est de la vapeur.

Circuit de turbine à vapeur à condensation

• L'objectif principal est d'alimenter la turbine en énergie thermique qui peut être transformée en puissance mécanique.
• L'équipement auxiliaire comprend les réchauffeurs d'eau d'alimentation et les désaérateurs.
• La vapeur principale de la chaudière se détend dans la turbine à haute pression, accomplit du travail et retourne à la section du réchauffeur dans la chaudière.
• La vapeur se détend ensuite dans la turbine à basse pression accomplissant également du travail.
• La vapeur d'échappement de la turbine basse pression passe au condenseur où l'eau élimine la chaleur latente de la vapeur.
• L'eau condensée est pompée à travers les réchauffeurs basse pression et haute pression, puis dans l'économiseur.

Régulateurs de turbine à vapeur

• Les régulateurs contrôlent le débit de vapeur pour maintenir une vitesse constante ou une pression constante.
• Turbine à condensation : le régulateur contrôle le débit de vapeur pour maintenir une vitesse constante.
• Turbine à contre-pression : le régulateur contrôle l'alimentation en vapeur pour maintenir une contre-pression constante.
• Turbine à soutirage : le régulateur contrôle les débits de vapeur pour maintenir la vitesse et la pression au point de soutirage constants.
• Il existe deux catégories de régulateurs : sensibles à la vitesse et sensibles à la pression.

Régulateurs sensibles à la vitesse

• Trois méthodes de régulation sensible à la vitesse sont utilisées dans les turbines à vapeur : régulation des tuyères, étranglement et dérivation ou surcharge.

Régulation des tuyères

• Utilisée dans les turbines à action, ajustant le débit de vapeur vers les tuyères d'entrée.
• Deux agencements sont utilisés : levée de barre et levée de came.
• La conception levée de barre comprend une rangée de tuyères d'entrée actionnées par des poids qui déplacent une barre. La longueur des tiges détermine la séquence d'ouverture.
• La conception levée de came utilise une came pour contrôler la séquence et l'ouverture de chaque tuyère individuellement.

Régulation par étranglement

• Un seul robinet à l'entrée de la turbine règle le débit de vapeur.
• Utilisée avec les turbines à réaction, où l'étranglement contrôle la charge de 0% à 100%.

Régulation de dérivation ou de surcharge

• Utilisée sur les turbines à action et à réaction.
• Deux robinets d'étranglement : un à l'entrée du premier étage et un à une entrée située en aval des quelques premiers étages.
• Permet de maintenir la vitesse et de produire une puissance supplémentaire en cas de charges élevées ou de surcharges.

Régulateurs sensibles à la pression

• Contrôlent une contre-pression stable à l'échappement ou extraient la vapeur et la refoulent à une pression contrôlée.
• Habituellement, une combinaison de régulation de vitesse et de pression est utilisée pour la stabilité.

Régulation de la contre-pression

• Utilise un élément sensible à la pression sur la conduite de vapeur d'échappement.
• Un contrôleur règle la position du robinet d'étranglement d'entrée de vapeur.
• Utilisée pour les turbines à condensation ou les procédés de chauffage où une pression stable est nécessaire.
• Bon rendement, mais la production de charge dépend de la demande en vapeur de procédé.

Régulation du soutirage

• Fournit de la vapeur de procédé en soutirant de la vapeur à une pression contrôlée des étages intermédiaires.
• Les systèmes sont complexes et doivent permettre les changements de charge sans modifier le soutirage.

Affaissement du régulateur

• Changement de vitesse qui résulte d'une augmentation de la charge.
• Un régulateur idéal maintient une vitesse constante, mais la plupart ont des pertes mécaniques.
• L'affaissement du régulateur est la différence entre la vitesse à charge nulle et la vitesse à pleine charge, exprimée en pourcentage.

Régulation isochrone

• Donne une régulation parfaite de vitesse avec un affaissement zéro.
• Utilisée lorsque les forces motrices fonctionnent seules.
• Dans un fonctionnement parallèle, peut provoquer des oscillations entre les turbines.

Régulateurs sensibles à la vitesse (mécanique, mécanique-hydraulique et électronique-hydraulique)

Le régulateur de vitesse est un contrôleur à action proportionnelle, c'est-à-dire que chaque changement de puissance entraîne une variation de la vitesse de la turbine. Le régulateur contrôle l'ouverture des robinets de contrôle en fonction de cette variation de vitesse. Compte tenu de l'affaissement de vitesse du régulateur, la fréquence n'est pas constante sur l'échelle complète de charge sans un réglage extérieur. a) Mécanique : b) mécanique-hydraulique; ou c) électronique-hydraulique, le régulateur sensible à la vitesse est :

Régulateurs mécaniques

• Simple, avec des poids fixés à l'extrémité de l'arbre de la turbine qui pivotent.
• L'extrémité de la tige en contact avec les poids régule une soupape à double siège.
• Les poids pivotent en raison de la force centrifuge, et leur mouvement actionne la soupape régulatrice.
• Inconvénient : affaissement de vitesse élevé (environ 10%).

Régulateurs mécaniques-hydrauliques

• Utilise un robinet pilote et un amplificateur hydraulique pour réduire les pertes mécaniques.
• Les poids positionnent un robinet pilote à huile qui admet de l'huile à haute pression déplaçant la soupape régulatrice.
• L'affaissement de ce régulateur peut être réduit à presque zéro.

Systèmes de déclenchement de survitesse mécaniques

• Empêche la vapeur d'entrer dans la turbine si la vitesse devient excessive.
• Situé à l'extrémité avant de l'arbre de la turbine et conçu pour fermer l'alimentation en vapeur.
• La vitesse de déclenchement se situe entre 10% et 12% au-dessus de la vitesse normale de marche.

Boulon de déclenchement de base

• Un boulon/poids maintenu dans un trou dans l'arbre.
• Un ressort le maintient à l'intérieur lors d'un fonctionnement normal.
• En cas de survitesse, le boulon est projeté à l'extérieur par la force centrifuge.
• Un système de tringlerie mécanique contrôle le débit de vapeur vers la turbine lors des conditions normales de marche.

Systèmes de déclenchement de survitesse électroniques

• Les turbines à vapeur sont munies d'un système d'arrêt pour empêcher d'endommager la machine.
• Le déclencheur se met en marche pour arrêter la machine si le régulateur de vitesse ne contrôle pas la dernière.
• À la figure 29, l'arbre de la turbine contient une roue d'engrenage entaillée.
• Pour fermer un robinet d'arrêt d'urgence, un dispositif de verrouillage ou un mécanisme de décharge d'huile est actionné lorsque la vitesse de l'arbre dépasse un niveau sécuritaire normalement 10% de survitesse.
• Le système est indépendent du régulateur.

Procédure de démarrage d'une turbine à condensation

• Lubrifier les tringleries du régulateur et vérifier les niveaux d'huile du palier
• S'assurer que tout le condensat est retiré des conduites de vapeur et d'échappement
• Ouvrir lentement le robinet de sectionnement entre la turbine et commencer la lubrification
• Mettre en service et vérifier que les pressions et débits sont adéquats
• Préparer l'unité commandée et vérifier les jauges
• Commencer à faire tourner la turbine et être à l'écoute de tout problème
• Augmenter lentement les tours par minute
• Vérifier toute situation de survitesse après le démarrage
• Augmenter graduellement la charge de la turbine
• Enregistrer la date, l'heure et les tours par minute de tout déclenchement de la turbine

Procédure d'arrêt d'une turbine à contre-pression

• Réduire la charge de la turbine à zéro
• Commencer l'alimentation en huile et fermer l'alimentation en vapeur à la turbine
• Fermer tout liquide et l'eau de refroidissement, si nécessaire.

Procédure de démarrage d'une turbine à condensation et à soutirage

• S'assurer que le réservoir à huile principal contient suffisamment d'huile lubrifiante de qualité pour grande turbine.
• 2 à 3 heures avant l'admission de vapeur à la turbine Démarrer la pompe à huile lubrifiante.
• S'assurer que chaque palier reçoit une bonne alimentation en huile et mettre le vireur en service.
• Mettre en service l'unité commandée par la turbine et admettre la vapeur d'étanchéité aux presse-garnitures.

Procédure d'arrêt d'une turbine à condensation et à soutirage

• Réduire graduellement la charge de la turbine à zéro et fermer les éjecteurs d'air et créer un vide dans le condenseur, puis fermer la vapeur du condenseur de garniture.
• Ouvrir tous les robinets de vidange et s'assurer qu'un niveau normal pour l'alimentation en eau est maintenu.
• Démarrer la pompe à huile de levage, le vireur et, lorsque le vireur est à la vitesse normale pour la circulation, fermer la pompe à huile de levage.
• Laisser tourner la turbine pendant 24 heures puis fermer la pompe lubrifiante.

Ce chapitre décrit les auxiliaires et le fonctionnement des turbines à vapeur. Il présente les systèmes d'huile, les circuits de condensation et les types de régulateurs. Comprendre ces systèmes est essentiel pour le fonctionnement efficace des turbines.