Vitesse terminale

1.4 Régulation électronique

Traditionnellement, les premiers régulateurs mécaniques et mécano-hydrauliques, ont rempli leur fonction principale de maintien de la sécurité de l’unité de manière fiable. La présence de vannes d’arrêt d’urgence et de vannes de régulation en série a permis de se prémunir contre l’incapacité occasionnelle d’une vanne à répondre à son signal de commande, tandis que le mode de défaillance du dispositif mécanique de détection des erreurs de vitesse a généralement consisté en une lente détérioration des performances plutôt qu’en une défaillance soudaine. Même ainsi, la mise en place de deux ensembles de vannes à vapeur en série, dont l’un est actionné directement par un système de protection distinct, a également annulé l’effet d’une défaillance soudaine. La fiabilité des systèmes de gouvernance mécaniques n’a donc pas été étroitement surveillée dans le passé.

Avant d’aborder la configuration des systèmes de gouvernance électrohydrauliques actuels sur les centrales à turbine modernes, il est nécessaire de comprendre la signification de la fiabilité dans ce contexte. La définition générale de la fiabilité est la probabilité d’accomplir avec succès une tâche souhaitée, généralement sur une période de temps déterminée. Si l’on prend la tâche totale des systèmes de régulation et de protection pour empêcher une dangereuse survitesse, la probabilité de réussite doit être si élevée qu’il n’y a jamais de défaillance. On y parvient en fournissant des systèmes de régulation et de protection complètement indépendants, utilisant un matériel différent et des techniques différentes pour la détection de la vitesse, fonctionnant par des voies différentes vers les deux ensembles de soupapes connectés en série. De toute évidence, la fiabilité du régulateur de vitesse doit être aussi élevée que possible pour atteindre cet objectif et peut être définie comme la probabilité de ne pas dépasser le point de consigne de déclenchement de la survitesse. Cependant, dans tout système de régulation général, la sortie de la position de la vanne présente trois modes de défaillance. Une vanne peut se fermer, s’ouvrir ou rester dans sa position actuelle. Ce n’est que lorsque l’un des deux derniers modes se produit et qu’il est suivi d’un événement entraînant une décharge soudaine de la turbine, par exemple l’ouverture du disjoncteur d’une turbine entraînant un générateur, que le déclencheur de survitesse entre en action. Il est également possible, dans une turbine non couplée, qu’une défaillance se produise par une demande de vitesse excessive.

Les défaillances causées par l’ouverture intempestive d’une vanne peuvent être conçues pour être moins probables que les défaillances résultant de la fermeture d’une vanne. Par exemple, la perte des alimentations hydrauliques ou électriques peut être amenée à fermer la vanne par un ressort de fermeture ou par une polarisation électrique nulle préréglée.

Dans la pratique, l’effet le plus probable sur le fonctionnement sera un défaut provoquant une réduction de la charge ou une perte complète de la charge. On verra sur le schéma de principe (Fig 2.11) que des défauts uniques dans un canal de vanne peuvent provoquer la fermeture d’une vanne, donnant une perte partielle de charge. Une perte de charge complète nécessiterait une défaillance de la partie de traitement commune du régulateur. Il y a donc de bonnes raisons d’améliorer la fiabilité de cette partie du régulateur en fournissant des techniques de redondance ou de surveillance. Celles-ci sont décrites plus loin dans cette section. La probabilité de ne pas atteindre une perte de charge complète est donc une autre caractéristique importante du régulateur.

Parce que la redondance ou la surveillance est normalement employée, lorsque des défauts se produisent dans la partie de traitement commune du régulateur, ils seront annoncés à l’opérateur afin que la maintenance puisse être effectuée. Des pannes peuvent également se produire dans les canaux des vannes individuelles et n’entraîner qu’une perte partielle de la charge. Ces pannes peuvent généralement être réparées en ligne sans perturber le fonctionnement et sans entrer dans les définitions précédentes de la fiabilité. Elles seront cependant embrassées dans les statistiques globales de  » temps moyen entre les défaillances  » pour le régulateur et auront évidemment de l’importance pour l’utilisateur des systèmes de régulation.

La figure 2.12 montre un schéma fonctionnel détaillé d’un système de régulation typique. La principale caractéristique d’un système analogique est que chaque fonction est assurée par un ensemble discret de composants de circuit, dont la seule tâche est de remplir cette fonction en convertissant les signaux d’entrée en signaux de sortie dont l’amplitude (en termes de tension ou de courant) est directement proportionnelle à la fonction de transfert requise. Cette caractéristique est particulièrement adaptée à l’adoption d’une approche modulaire du matériel, où une fonction (ou un groupe de fonctions) est exécutée par un module et la ou les sorties sont transmises aux modules suivants. Cela permet une approche simple de la recherche de défauts par la surveillance des niveaux de signal.

FIG. 2.12. Schéma fonctionnel détaillé d’un système de régie à un seul canal

Un système à trois canaux peut être réalisé pour satisfaire aux exigences de fiabilité établies pour les systèmes de régie. Si une défaillance se produit dans un canal, elle fait en sorte que la sortie de ce canal s’écarte des deux autres canaux. Des circuits de détection sont incorporés, en plus des trois canaux de traitement, pour identifier les canaux défaillants et les déconnecter avant qu’ils ne puissent contribuer à une sortie erronée. Comme les circuits de détection déterminent la sortie sur la base des canaux fonctionnant correctement, ils sont souvent appelés « circuits de vote majoritaire ». La figure 2.13 montre le schéma fonctionnel de la figure 2.12 divisé en trois canaux parallèles indépendants. La partie centrale de traitement du régulateur se termine là où les trois sorties de chaque réseau de linéarisation sont contrôlées par les circuits finaux de vote majoritaire associés aux servos de la vanne de vapeur. Ces circuits sont extrêmement simples et donc fiables. Ils ont pour caractéristique que pour de faibles écarts entre les signaux d’entrée, le signal de sortie est la moyenne des entrées alors que, pour des écarts importants, le mode d’action devient celui d’un sélecteur médian.

FIG. 2.13. Schéma fonctionnel d’un système de régulation à trois voies

On remarquera sur le schéma que le déchargeur de pression d’échappement est isolé du chemin de signal principal par un système de vote majoritaire triplex. Étant donné que les défaillances des transducteurs sont un facteur majeur de la fiabilité du système, cela donne une mesure supplémentaire de protection pour le régulateur de base qui continuera à fonctionner comme un système complet à trois canaux.

Chaque amplificateur d’asservissement de vanne est ostensiblement à un seul canal et la configuration précise est étroitement associée au système hydraulique utilisé pour amplifier les signaux électroniques en forces suffisamment importantes pour positionner les vannes à vapeur. Les différentes configurations utilisées sont décrites en détail dans la section 1.5 de ce chapitre. Pour l’instant, il convient de noter qu’un certain degré d’autosurveillance est prévu afin qu’une vanne, un relais hydraulique ou un amplificateur d’asservissement défectueux s’identifie à l’opérateur et applique un signal de fermeture à la vanne. La surveillance entre les vannes est effectuée dans certains régulateurs, car il est habituel que toutes les vannes d’un même type (par exemple, les vannes du régulateur HP) aient le même pourcentage d’ouverture, dans certaines limites. Cependant, cette forme de surveillance doit faire l’objet d’un veto lors des essais en charge des vannes où une seule vanne d’un ensemble est fermée à tout moment.

Après avoir exposé la structure de base d’un système de régulation analogique à trois canaux, il convient maintenant d’examiner plus en détail certains des blocs fonctionnels représentés sur la Fig 2.12. La fourniture de détecteurs de vitesse séparés à plage étroite et à plage étendue découle de l’exigence (pour une turbine entraînant un générateur) d’un contrôle précis à la fréquence du réseau.

Le détecteur de vitesse à plage étroite utilise soit les caractéristiques d’un circuit accordé, soit des techniques de synchronisation des impulsions pour déterminer l’écart par rapport à la vitesse de référence correspondant à la fréquence nominale du réseau. Le circuit de détection fournit une conversion linéaire de la fréquence en tension sur une plage limitée uniquement. La raison pour laquelle on fournit un signal séparé à plage étroite est que, en utilisant ces techniques, on peut obtenir une meilleure précision à long terme. Cependant, aucune des deux techniques ne fonctionne correctement lorsqu’il y a un écart important (par exemple, > 10%) par rapport à la fréquence de référence. Dans le circuit accordé, cela est dû à une perte de linéarité en s’éloignant du point nul au point que des erreurs grossières dans le sens de la sortie se produiront à des fréquences sous-harmoniques. Le circuit de synchronisation mesure le temps nécessaire pour qu’un certain nombre de dents d’une roue sensible à la vitesse passent devant le détecteur et le compare à une référence temporelle précise et fixe. Le nombre de dents passant par un tour de roue et le nombre de dents prises en compte pour la mesure sont déterminés pour fournir un compromis entre la précision de la mesure (plus il y a de dents, mieux c’est) et une réponse transitoire adéquate, en particulier du signal d’accélération dérivé (plus il y a de mesures par seconde, mieux c’est). La précision avec laquelle les dents sont coupées sur la roue et la combinaison du détecteur de vitesse et du circuit de déclenchement pour enregistrer le passage des dents sont également considérées avec soin lors de la conception.

Certains des régulateurs les plus récents utilisent une technique de temporisation d’impulsions pour la détection de la vitesse avec un auto-ranging pour déterminer le nombre optimal de dents qui doivent être temporisées. Cela permet d’obtenir une plage adéquate du signal de vitesse sur l’ensemble du régime de fonctionnement de la turbine, depuis la vitesse approximative de barrage jusqu’à la plage de survitesse.

Pour les turbines où il existe un détecteur à plage étroite, il faut prévoir un circuit séparé de détection de vitesse à large plage. Typiquement, cela comprend un circuit de pompe à diode, donnant une conversion linéaire de la fréquence en tension sur une plage requise allant de la vitesse d’arrêt jusqu’à la vitesse synchrone maximale. Des systèmes de régulation à large plage peuvent fonctionner pour contrôler l’accélération au moyen des vannes de régulation ou des vannes d’arrêt HP. Le démarrage sur les vannes de régulation présente l’avantage de pouvoir « réchauffer » le réservoir de vapeur HP avant l’admission de la vapeur dans la turbine, mais cet arrangement nécessite un contrôle très sensible à de petites ouvertures de vanne afin d’assurer une augmentation régulière de la vitesse. Le contrôle des vannes d’arrêt HP permet l’utilisation d’une vanne pilote intégrée pour le contrôle de la vapeur pendant la phase de démarrage. Comme celle-ci présente une caractéristique position de la vanne/débit de vapeur à gain plus faible, la sensibilité requise du régulateur de position de la vanne est moins critique.

C’est pourquoi, comme dans le cas du régulateur à plage étroite, ces exigences sont commodément exécutées par un potentiomètre motorisé convenablement contrôlé par l’opérateur. Une pratique plus récente emploie l’équivalent électronique du potentiomètre motorisé (illustré à la Fig 2.14).

FIG. 2.14. Consigne numérique de vitesse – schéma fonctionnel

Le contrôle de vitesse sur le terminal de l’opérateur fournit une entrée à deux comparateurs de signaux C1 et C2, dont l’autre entrée est équivalente à la vitesse demandée. S’il n’y a pas de différence entre ces deux demandes de vitesse, aucun oscillateur n’est activé et le compteur conserve son compte existant, donnant le signal de demande défini à la sortie du convertisseur numérique-analogique (CNA). Si l’opérateur demande une vitesse terminale plus élevée, le comparateur approprié active son oscillateur associé pour augmenter le compte jusqu’à ce que la sortie du DAC atteigne la vitesse terminale sélectionnée par l’opérateur. L’effet est que la sortie du DAC augmente jusqu’à ce qu’elle atteigne la vitesse terminale, le taux d’augmentation étant proportionnel à la fréquence de l’oscillateur, définie par le contrôle du taux d’accélération qui se trouve également sur le bureau de l’opérateur. Bien qu’il existe généralement un choix de cinq taux de montée en régime, l’oscillateur  » inférieur  » est normalement fixé pour donner un seul taux rapide de diminution de la vitesse.

La vitesse demandée est comparée à la vitesse mesurée dans l’amplificateur d’erreur de vitesse, dont le gain est réglé de telle sorte qu’une variation de 10 % de la position de la vanne est obtenue pour environ 1 % de variation de l’erreur de vitesse de la turbine. Cela implique un gain de boucle plus faible que le statisme normal de 4 % du régulateur à plage étroite, ce qui donne une grande marge de stabilité. L’amplificateur d’erreur de vitesse agit par l’intermédiaire des régulateurs de vannes d’arrêt ou de régulation pour assurer un contrôle précis de la vitesse réelle de la turbine par rapport à celle sélectionnée par l’opérateur. Comme la turbine et le générateur ne sont pas synchronisés pendant la montée en régime, la charge est légère et, avec des pressions de vapeur proches de la normale, seule une petite partie de l’ouverture totale de la vanne est nécessaire pour atteindre la vitesse de montée en régime. Souvent, une limite de demande de vapeur est appliquée pendant le démarrage et si cette limite est dépassée, l’opérateur est alerté d’un défaut possible.

Deux types de dispositifs de détection de vitesse sont couramment utilisés, les deux employant une détection sans contact de la rotation d’une roue dentée directement clavetée sur l’arbre principal de la turbine. Pour des raisons de sécurité, la roue dentée est montée à l’extrémité HP de la machine de sorte que dans le cas improbable d’une défaillance de l’arbre ou de l’accouplement, la perte soudaine du couple de charge serait détectée par la survitesse de l’extrémité HP de la machine et le régulateur agirait pour fermer toutes les vannes de vapeur de la turbine.

Le premier type de dispositif de détection de vitesse est le capteur magnétique illustré à la Fig 2.15. La bobine de détection est enroulée autour de la pièce polaire qui dirige le champ magnétique de l’aimant permanent vers la roue dentée. Une tension est générée chaque fois que le champ magnétique est perturbé.

FIG. 2.15. Dispositif de détection de vitesse à capteur magnétique

Si une dent de la roue est opposée à la pièce polaire, le champ magnétique est concentré par la dent. En l’absence de dent, le champ est moins concentré. Le passage des dents de la roue devant la pièce polaire fait varier le flux liant la bobine et génère une tension, dont la forme d’onde est quasi-sinusoïdale aux vitesses de fonctionnement normales. Cependant, à faible vitesse, la forme d’onde sera plus déformée et, en dessous d’un certain seuil bien défini, la sortie de la sonde sera inadéquate. Cette situation est acceptable pour les besoins de la régulation puisque les contrôles de l’intégrité de la vitesse sont intégrés dès le début de la mise en route. L’amplitude de la tension de sortie de la sonde dépend du réglage de l’entrefer, qui doit être vérifié par rapport aux recommandations du fabricant de la turbine lors des révisions. En général, un système de régulation analogique triplé nécessite trois sondes ; cependant, une sonde de rechange est souvent installée, qui peut être substituée à une sonde défectueuse par une connexion manuelle lorsqu’elle est en ligne.

Le deuxième type de dispositif de détection de vitesse est le transducteur de proximité qui consiste en une sonde reliée à une unité oscillateur-démodulateur par un câble d’extension d’interconnexion. L’avantage de ce système est qu’il peut détecter le passage des dents jusqu’à une vitesse nulle, ce qui peut être important dans les applications nécessitant une faible vitesse de barrage. L’équipement est cependant plus complexe et repose sur l’utilisation de câbles d’interconnexion spécialement taillés entre les deux unités. Le principe de fonctionnement est le suivant : un signal de fréquence radio est généré par l’oscillateur et rayonné dans la région de la pointe de la sonde. Lorsque ce champ électromagnétique est intercepté par la roue dentée, des courants de Foucault sont générés dans le matériau et, selon la présence ou non d’une dent, une perte d’énergie variable se produit dans la force du signal de retour qui est détecté par le démodulateur.

Une caractéristique de la plupart des régulateurs électroniques est qu’ils exercent un contrôle individuel sur chaque vanne de régulation de vapeur dans la turbine en réponse à un signal global de demande de vapeur. Cela permet de tester en charge les vannes individuelles et également de surveiller les défauts avec la possibilité de fermer une vanne en cas de défaillance. Une mention particulière est faite ici des caractéristiques de la boucle de position de la vanne et de son importance pour obtenir le contrôle souhaité de la charge de la turbine.

Dans des conditions d’entrée de vapeur constantes, la puissance de sortie d’une turbine est une fonction linéaire du débit de vapeur passant par le point de non-charge à un faible pourcentage du débit de vapeur maximal. Cette caractéristique est connue sous le nom de ligne de Willans et est illustrée à la Fig 2.16 (a). Dans la turbine à condensation classique utilisée pour entraîner un générateur de puissance, la chute de pression à travers la turbine est également directement proportionnelle au débit de vapeur qui la traverse.

FIG. 2.16. Caractéristiques typiques débit/charge/valve de vapeur

La caractéristique souhaitée est donc que l’entrée de la demande de vapeur au régulateur de position de la valve ait une relation linéaire avec le débit de vapeur. Cependant, les caractéristiques inhérentes à la conception de la vanne sont non linéaires, de sorte qu’une fonction de linéarisation de la vanne doit être introduite dans le régulateur pour rétablir la linéarité requise. En particulier, la relation entre la surface de la vanne et le débit de vapeur n’est pas linéaire pour les valeurs du rapport de pression (à travers la vanne) inférieures à la valeur critique. Se référer à Kearton, page 628 et la caractéristique typique est montrée à la Fig 2.16 (b). Selon la forme de la soupape, il y aura également une relation non linéaire entre la levée de la soupape et la surface de la soupape, ce qui donne la caractéristique illustrée à la figure 2.16 (c). Pour linéariser ces deux effets, la demande de vapeur est formée par des circuits de linéarisation afin d’obtenir une caractéristique de la forme illustrée à la figure 2.16 (d). Des effets versins supplémentaires provenant de l’agencement du levier entraînant la prise de position de la vanne peuvent également être inclus dans la compensation.

Chaque contrôleur de vanne individuelle a pour entrée des signaux de demande de vapeur de vanne à trois canaux. Sa fonction est de prendre un vote majoritaire de ces signaux pour former une demande de signal, de fournir une linéarisation et de fournir une commande de position de la vanne de vapeur de turbine, en utilisant le signal dérivé d’un transducteur de position de vanne comme retour. De plus, une surveillance du fonctionnement du vote majoritaire et des défauts de la servo-vanne ou du transducteur de position est effectuée, avec la possibilité d’un arrêt automatique en cas de perte de contrôle précis de la position de la vanne.

1.4.1 Traitement numérique

Deux types de traitement numérique sont employés sur les derniers systèmes de régulation des machines CEGB. Les deux fournissent une mesure très précise de la vitesse de la turbine et ont des fonctions précises, telles que les caractéristiques de linéarisation de la vanne de vapeur, résidant dans le logiciel pour la précision et la facilité de réglage.

Un type utilise la configuration triplex, modulaire et redondante très similaire à celle précédemment montrée dans la Fig 2.13. Chaque canal simple utilise un module combiné processeur et mémoire qui constitue un élément de calcul de vitesse indépendant à part entière. Le module comprend également toutes les caractéristiques intégrées permettant son utilisation dans le système triplex. Des liaisons de bus parallèles sont utilisées pour la communication avec les périphériques, tandis que des liaisons série sécurisées assurent la communication entre les canaux à des fins d’harmonisation des canaux et de détection des défauts.

Comme pour un régulateur analogique, un vote majoritaire ‘2 sur 3’ est effectué à des points clés du système. Les variables de contrôle sont saisies au moyen de points de consigne qui peuvent être augmentés ou diminués par l’utilisateur. Les points de consigne de haute priorité, tels que les points de consigne de vitesse et de charge, sont accessibles à l’opérateur par un accès direct au processeur. Les points de consigne de priorité inférieure, qui modifient les caractéristiques de la commande (par exemple, la variation du statisme), sont accessibles via une liaison de communication série avec le processeur d’interface. Les modificateurs de commande, tels que le déchargement du vide, sont envoyés aux canaux depuis le processeur d’interface via des liaisons série. La temporisation du système, la synchronisation entre les canaux et le processus de surveillance des défauts sont choisis pour répondre aux besoins d’une réponse transitoire adéquate et pour permettre un fonctionnement anormal, tel que le fonctionnement avec un canal défectueux et le rétablissement ultérieur du canal.

Comme pour le régulateur analogique, des amplificateurs de vanne individuels acceptent les trois sorties de canal de vitesse triplex sous forme analogique et les traitent pour piloter les bobines de servovalve sur chaque vanne de vapeur.

Le deuxième type de régulateur employant un traitement numérique utilise une configuration complètement différente. Un régulateur de vitesse de base monocanal distinct est prévu pour chaque vanne vapeur. À ce niveau, appelé régulateur de base (BLG), il existe une intégrité élevée en raison de la redondance multiple et des contrôles d’erreur intégrés qui déclenchent la fermeture de la vanne vapeur correspondante en cas de défaut d’un canal de vanne.

Au niveau de commande supérieur (UCL), un seul processeur d’unité fournit toutes les autres fonctions requises dans un système de régulation. Toutes les interfaces avec l’opérateur et l’installation, à l’exception des signaux de base connectés directement au BLG, sont traitées par l’UCL. Les commandes de sortie de l’UCL pour modifier la vitesse, la charge ou le mode de fonctionnement prennent effet à travers le BLG, mais seulement si elles répondent aux critères d’acceptabilité stockés au niveau de la base. Cette forme de gouverneur numérique est représentée schématiquement à la Fig 2.17.

FIG. 2.17. Microgouverneur – schéma-bloc

Le matériel et le logiciel du BLG sont totalement standard pour toutes les applications alors que, à l’UCL, le matériel est un mini-ordinateur standard mais le logiciel intègre toutes les fonctions et paramètres particuliers à l’application. Une caractéristique particulière de la conception est la capacité de l’UCL à fournir des communications à l’opérateur via un panneau d’affichage à caractères multiples. Cela permet de guider l’opérateur de manière interactive pour chaque mode d’opération et de lui permettre de voir la réponse à ses actions. De plus, des détails précis sont donnés sur toute alarme de défaut du régulateur qui pourrait se produire. L’opérateur peut également sélectionner des formes particulières d’affichage, par exemple pour faciliter la mise en route de la turbine.

Le canal BLG comprend tout le matériel et les voies de signal depuis le bus-signal de la sonde de vitesse jusqu’à la servo-vanne électrohydraulique de son relais de vanne vapeur associé. En plus de valider les entrées de données provenant de l’UCL, le BLG incorpore des installations d’autocontrôle étendues. En cas de défaut, la vanne de vapeur est fermée par un moyen indépendant grâce à son propre matériel de surveillance à sécurité intégrée.