Brevet FR2006004A1 — publié le 19691219

La présente invention concerne les systèmes de circulation de vapeur d'eau à débit variable. Un dispositif appelé "aérothermosurpresseur" a été développé récemment en particulier pour améliorer le rendement 5 des turbines à gaz. L'aérothermosurpresseur comprend une section de cpl cylindrique, étroite et -courte :fixée;à l'échappement d'une turbine et une section divergente de forme générale conique fixée à la section du col. Un dispositif permet d'injecter de l'eau dans le courant des gaz dechappement vers la 10 section étroite du col. L'eau est ainsi évaporée. s augmente la pression de stagnation à la sortie de 1'aérothermosurpresseur, et améliore le rendement de la turbine à gaz. Plus récemment, un dispositif un peu similaire appelé "thermosurpresseur de vapeur d'eau" a été développé pour 15 l'utilisation dans un système de circulation de vapeur' d'eau. Le thermosurpresseur de vapeur d'eau comporte en série une section d'entrée convergente de forme générale conique, une section courte de col et une section de diffuseur divergente de forme générale conique. Un dispositif permet l'injection d'eau 20 sous la forme de gouttelettes très fines dans la section du col du thermo surpre s seur. D.e la vapeur surchauffée est envoyée dans la section d'entrée et à travers le thermosurpresseur. Pendant l'accélération de la vapeur d'eau surchauffée à travers l'entrée convergente, il se produit une chute de pression. La récupération 25 de la pression pendant la décélération dans la section du. diffuseur est sensiblement supérieure à la chute de pression nécessaire, pendant la période d'accélération, car la densité du courant de vapeur d'eau est augmentée par l'eau injectée qui s'évapore en désursaturant la vapeur surchauffée. Il en résulte par suite une 50 augmentation nette de lâ pression de stagnation. Une quantité importante de vapeur surchauffée est nécessaire pour le fonctionnement à pleine capacité d'un thermosurpresseur dé vapeur d'eau. Pendant le démarrage d'un réacteur nucléaire réfrigéré par de la vapeur d'eau ou d'un 35 autre système nécessitant une circulation de vapeur d'eau surchauffée, cette quantité importante peut ne pas être disponible. Dans ces conditions, le thermosurpresseur de vapeur d'eau peut être utilisé en pompe à injecteur avec un ajutage à 69 11098 2 2006004 injecteur axial unique important en amont du col du thermosurpresseur pour entraîner lés fluides. ' • '• Les systèmes de circulation de vapeur d'eau coiïigùrtant des thermosurpresseurs d"e vapeur ontUn rendement élevée en particulier 5 parce qu'ils ne démandent pas le pompage direct*-de "quanti tés importantes de vapeur. Cependant; il èst possible de'perfectionner encore le système. Il subsiste des problèmes relatifs au fonctionnement à charge partielle d'un tHeràôsurprësseur"de; vapeur. Quand lé débit de vapéur surchauffée décroît, -à travers "le thermosurpres-10 "seur, la capacité d'évaporation de 1*eau décroît. Si le débit d'eau injectée n'est pas correctement réglé, une quantité excessive d'èau peut être entraînée dans la vàpeùr saturée sortant du thermosurpresseur. De même, les profils dé la section d'entrée et de la section de col du thermosurpresseur, choisis optimaux pour 15 le débit à pleine capacité, ne sont pas optimaux pour des débits plus faibles. De façon similaire, des profils optimaux d'entrée et de col pour le fonctionnement en thermosurpresseur peuvent ne pas convenir pendant"le fonctionnement en pompe à injecteur au démarrage du'système. Il est par suite nécessaire d'améliorer les 20 thermosurpresseurs de vapeur d'eau pour le fonctionnement sous charge variable. La présente invention a pour objet un thermosurpresseur répondant aux conditions indiquées ci-dessus dans lequel le dispositif injecteur d'eau est sous la forme d'un distributeur torique 25 mobile axialement dans la section d'entrée du thermosurpresseur. Le débit d'eau à travers les orifices de pulvérisation du distributeur peut être réglé d'après' le d'ébit de vapeur surchauffée dans le thermosurpresseur. Quand l'anneau distributeur est déplacé en avant vers le col du thermosurpresseur, il réduit la section trans-30 versale du col.. En fin de course le'distributeur vient en contact avec la paroi du thermosurpresseur près de la section du col. Cela permet l'écoulement dé la vapeur d'eau uniquement à travers le distributeur torique qui se ôomporte alors en pârôi d'entrée du thermosurpresseur. L'entrée"du thermosurpresseur peut ainsi 35 être établie pour le fonctionnement optimal à pleine charge et la surface intérieure du distributeur torique pëùt-'être établie pour constituer uné s'ûrface d'entrée optimale pour le fonctionnement à charge par'tïëile. Cé dispositif est hautemèht-efficace dans un équipement'pour la'production d'énergie - à réacteur nucléaire 69 11098 2006004 réfrigéré par de la vapeur d'eau, parce que la charge peut varier d'une façon avantageuse dans une plage substantielle de fonctionnement. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus parti-5 culièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels! La figure la est une coupe schématique d'un thermosurpresseur selon l'invention réglé pour le fonctionnement à pleine charge, la figure 1b représente le thermosurpresseur de la figure la, 10 réglé pour le fonctionnement aux deux tiers de la pleine charge, la figure l£ représente le thermosurpresseur de la figure la, réglé pour le fonctionnement au tiers de la pleine charge, la figure 2 est une coupe d'un turbosurpresseur selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, et 15 la figure 3 représente schématiquement un équipement pour la production d'énergie à partir d'un réacteur nucléaire comportant un thermosurpresseur selon l'invention. Les figures la, 1b et l£ représentent un thermosurpresseur selon l'invention réglé pour le fonctionnement à pleine charge, à 20 2/3 de charge et à 1/3 de charge. Le thermosurpresseur représenté comprend une section d'alimentation 10 recevant la vapeur d'eau surchauffée. La section d'alimentation 10 est raccordée à la section d'entrée 11 du thermosurpresseur par des brides 12 et 13. La section d'entrée 11 est raccordée à la section de diffuseur 1k 25 par des brides 15 et 16. La section de diffuseur 14, qui est représentée partiellement, est un conduit de forme générale conique à divergence progressive. La section d'entrée 11 et la section de diffuseur 14 constituent le corps du thermosurpresseur.' La partie la plus étroite du 30 corps, dans la région des brides 15 et 16 est le col du thermosurpresseur. Un distributeur torique 17 comportant un certain nombre d'orifices pulvérisateurs 18 de petite dimension, est monté dans La section d'entrée 11 pour pulvériser des gouttelettes très fines 35 d'eau ou d'un autre liquide dans la section du col du thermosurpresseur. Le distributeur 17 est divisé en une section intérieure et une section extérieure par Une cloison de forme générale annulaire 19. L'eau est envoyée dans le distributeur 17 à travers des con- 69 11098 4 2006004 duits 20 et 21. Des déflecteurs 22 sont situés dans le distributeur 17 à cSté des positions de raccordement des conduits 20 et 21 pour que le conduit 20 envoie l'eau uniquement dans la section intérieure du distributeur 17 et que le conduit 21 envoie 5 l'eau uniquement dans la section extérieure du distributeur 17. Un ajutage de pompe à injecter 23 est monté suivant l'axe du thermosurpresseur. L'ajutage 23 est alimenté en fluide d'entraînement à travers un conduit d'alimentation 25. L'eau est envoyée dans les conduits 20 et 21 à travers un - 10 conduit cylindrique divisé 26 qui entoure le conduit d'alimentation 25 auquel il est fixé. Le conduit 26 est divisé suivant la ligne 27 pour que l'eau arrivant dans le manchon extérieur 28 à travers le conduit 29 passe dans le conduit 20 à travers des ouvertures 30 et que l'eau arrivant par le conduit 32 passe dans le conduit 21 à 15 travers l'ouverture 33. Le conduit d'alimentation 25 est monté pour pouvoir être * déplacé longitudinalement suivant l'axe du thermosurpresseur. Le distributeur 17, les conduits 20 et 21 et le conduit 26 sont fixés au conduit 25 pour être déplacés solidairement^avec celui-ci. 20 Plusieurs ailettes 34 guident cet ensemble. Des joints 35 et 36 constituent des coussinets pour le conduit 25 et le conduit 26 à leur passage à travers le manchon 28' et la paroi de la section d'alimentation 10. Un élément de guidage 38 guide le conduit 26 pendant son déplacement et constitue en même temps une cloison 25 séparant les courants d'eau arrivant par les conduits 29 et 32. La figure la^ représente cet ensemble conditionné pour le . fonctionnement à débit total. La vapeur d'eau surchauffée arrive alors avec le débit maximal et le distributeur 17 est à la plus grande distance de la paroi de la section d'entrée 11. Le profil 30 de la paroi de la section d'entrée est choisi pour obtenir le rendement maximal à plein débit. L'eau est envoyée dans le distributeur 17 à travers les conduits 29 et 32 avec le débit total possible dans le système. Typiquement, environ 1/3 du total de l'eau passe à travers le conduit 29 et environ 2/3 du total, de l'eau 35 à travers le conduit 32. Quand le débit de vapeur saturée décroît à travers la section d'alimentation 10, par exemple quand la charge du groupe turbine- génératrice décroît, le distributeur 17 est déplacé 'vers la paroi de la section d'entrée 11, et le débit d'eau vers le distributeur 17 déeroît proportionnellement. 69 11098 5 2006004 Il a été constaté que quand le débit de vapeur surchauffée est inférieur à celui pour lequel l'aire en section transversale du col du thermosurpresseur est optimale, la section du col doit être réduite pour maintenir le rendement. Quand le distributeur 17 5 approche de la paroi de la section d'entrée II, il produit un effet d'étranglement qui réduit la section efficace du col* De même, quand le débit de vapeur surchauffée décroît, la quantité d'eau nécessaire décroît proportionnellement. La figure 1b représente l'appareil réglé pour le fonction-10 nement le plus efficace quand l'arrivée de vapeur surchauffée est environ des2/3 du débit à plein régime. Le distributeur 17 est représenté déplacé vers la droite Jusqu'à une position pour laquell Les formes des parois intérieures et extérieures du distri-15 buteur 17 sont aussi établies pour obtenir les caractéristiques optimales d'écoulement pour une plage large des débits de vapeur. Le conduit 29 fournit toujours de l'eau à environ 1/3 du débit maximal aux orifices pulvérisateurs de la section intérieure du distributeur 17. Le débit d'eau à travers le conduit 32 vers les 20 orifices pulvérisateurs de la section extérieure du distributeur 17 est réduit de moitié, c'est-à-dire d'environ 2/3 à environ 1/3 du débit total à plein régime. Quand le débit de vapeur tombe à 2/3 du débit total, le débit total d'eau est ainsi réduit à environ 2/3 (1/3 à travers chaque conduit 29 et 32) du débit total 25 à plein régime. La figure lç_ représente l'appareil réglé pour un débit de vapeur surchauffée d'environ 1/3 du débit à plein régime. Le distributeur 17 est représenté déplacé vers la droite pour venir en contact avec la paroi de la section d'entrée 11. La paroi iiité-30 rieure du distributeur 17 se comporte alors en section d'entrée de thermosurpresseur avec une section transversale réduite d'une façon importante. Le conduit 29- fournit -toujours de l'eau au débit initial, c'est-à-dire environ-1/3 du débit à plein régime. Aucune circulation d'eau n'a lieu à travers le conduit 32. La 35 section du col ainsi que l'alimentation en eau sont alors réduites proportionnellement pour réduira le débit de vapeur. L'eau continue à être pulvérisée directemeht dans le courant de' vapeur, mais seulement à travers les orifices de la section intérieure du distributeur 17. 69 11098 6 2006004 Cet appareil permet une variation régulière du débit entre la capacité totale et 1/3 de cette capacité. Bien entendu, l'appareil peut- être réalisé pour une" plage plus large cm plus étroite. L'ajutage de pompe à injecteur 23 et le conduit dfalimenta-5 tion 25 forment le dispositif de démarrage du système et servent à déplacer axialement l'ensemble comportant le distributeur dans la section d'entrée 11 du thermosurpresseur.. Le débit d'eau et la position du distributeur -peuvent être réglés manuellement, si .cela est désiré. Quand le. débit de vapeur varie fréquemment ou si 10 une commande plus précise est nécessaire, le système peut comporter dans la canalisation d'eau et le dispositif de positionnement du distributeur peut être actionné par un moteur, les vannes et le dispositif de positionnement étant commandés par un appareil de contrôle et de commande classiques détectant les variations du 15 débit de vapeur. La figure 2 représente en coupe un mode de réalisation particulièrement avantageux d'un thermosurpresseur selon l'invention à débit variable. Cet appareil est raccordé à une source de vapeur surchauffée 20 par me grille 100. La vapeur passe vers le thermosurpresseur 101 qui comporte une entrée convergente, un col étroit et un diffuseur divergent. - Un distributeur torique ou en anneau 102 est monté coaxiale-ment dans la section d'entrée du thermosurpresseur. Bien qu'un 25 seul distributeur soit représenté, 'deux ou plus de deux distributeurs coaxiaux peuvent aussi être utilisés. Une'paroi annulaire de séparation 103 divise le distributeur 102 en une section intérieure et une section extérieure. La paroi intérieure 104 et la paroi extérieure 105 comportent un grand nombre d'orifices pulvé-30 risateurs 106 de petite section. L'eau arrive dans le distributeur 102 à travers trois conduits d'alimentation également espacés autour du distributeur 102. Deux de ces conduits sont seuls 'représentés sur la figure 2. Le conduit 108 débouche dans ia section intérieure du distributeur 102. Le 35 conduit 109, ainsi que le troisième conduit non' représènté débouchent dans la section extérieure, du distributeur 102. Ces conduits reçoivent l'eau d'un conduit 110 qui entoure le conduit d'alimentation 111 pour l'ajutage de la pompe à injecteur. 11098 7 2006004 Un logement 112 venu de matière avec le corps, du .thermosurpresseur supporte le conduit 110 par l'intermédiaire d'une pièce rapportée démontable 113, et ce logement comporte deux passages 115 et 116 pour l'arrivée de l'eau. L'eau arrivant par le passage 5 115 passe à travers des ouvertures 117 de la pièce rapportée ou manchon 113 et ensuite à travers les ouvertures 118 du conduit 110* L'eau arrivant par le passage 116 passe parles ouvertures 119 du manchon 113 et ensuite à travers les ouvertures 120 dans le conduit 110. Le conduit 110 est divisé en deux sections par une 10 paroi transversale 121 et deux parois axiales, non représentées, pour établir un passage indépendant entre les ouvertures 120 et le conduit d'alimentations108. L'autre section ou passage du conduit 110 fait communiquer les ouvertures 118 avec le conduit 1Q9 et le troisième conduit non représenté. 15 Le conduit 110 peut coulisser axialement solidairement avec le conduit 111 à travers les douilles 123 et 124 qui constituent en même temps des joints. Des fuites faibles d'eau à travers les douilles 123 et 124 ne réduisent$pas les performances de l'appareil. Le conduit 111 est fileté dans la partie située à l'exté-20 rieur du manchon 113. La partie filetée 125 traverse me douille taraudée 126 qui comporte une gorge circulaire dans laquelle est engagée la partie supérieure du manchon 113 pour maintenir la position axiale. De ce fait, quand la douille 126 est tournée, par exemple au moyen du volant 127, le conduit 111 et l'ensemble 25 comportant le distributeur sont déplacés axialement. Les fuites sont empêchées entre le tube 111 et le manchon 113 et entre le manchon 113 et le corps de l'appareil par des presses-étoupes 128 et 129. Le manchon 113 est maintenu en place par une bague de presse-étoupe 130 qui est fixée sur le corps de logement 30 112 par des goujons et des écrous 131 et qui porte sur le presse-étoupe 129- Pendant le fonctionnement à débit total de vapeur à travers le thermosurpresseur, le distributeur 102 est placé à la distance optimale du col du thermosurpresseur et lfeau est pulvérisée à 35 travers les orifices 106 avec le débit nominal maximal. Suivant l'exemple de réalisation considéré, 1/3 du débit total d'eau est envoyé à travers le conduit d'alimentation 108 et les orifices pulvérisateurs intérieurs, tandis que 2/3 de l'eau sont envoyés à 11098 8 2006004 travers le conduit 109 et le troisième conduit non représenté, et à travers les orifices pulvérisateurs extérieur». Quand le débit de vapeur décroît, le débit d'eau vers les orifices pulvérisateurs extérieurs est réduit proportionnellement. Simultané-^ ment, le distributeur 102 est déplacé vers le col pour maintenir la section transversale optimale du col. Quand le débit de vapeur est tombé à environ 1/3 du débit à plein régime, le distributeur 102 est placé en contact avec la paroi du col et la pulvérisation d'eau à travers les orifices pulvérisateurs extérieurs est arrêtée. Le conduit d'alimentation 111 sert à supporter le conduit 110, constitue la partie d'entraînement de l'ensemble à distributeur et en même temps le conduit d'arrivée de fluide vers l'ajutage de pompe à injecteur 135 pendant le démarrage du système. Bien que la description qui précède concerne l'injection de içj gouttelettes d'eau dans un courant de vapeur d'eau surchauffée, il est rappelé qu'un appareil selon l'invention peut être utilisé pour l'injection dAautres liquides dans d'autres courants de gaz chauds. Par exemple de l'eau, de l'alcool ou un mélange des deux peut être injecté dans les gaz d'échappement d'une turbine à gaz 20 Par passage à travers un thermosurpresseur pour augmenter le rendement de la turbine. Cependant, le système à eau et vapeur d'eau est particulièrement avantageux en raison du rendement exceptionnellement élevé obtenu dans le thermosurpresseur de vapeur d'eau. Dans les installations de production d'énergie électrique dans 25 lesquelles des turbines fonctionnent à la vapeur surchauffée, cette vapeur étant produite par un système générateur à combustibles classiques ou par un système nucléaire, il est en générai nécessaire de pomper des quantités importantes de vapeur saturée à travers le surchauffeur. Le thermosurpresseur de vapeur a une 20 capacité exceptionnelle pour fournir des quantités importantes de vapeur d'eau saturée haute pression et pour faire circuler cette vapeur à travers le surchauffeur. Le thermosurpresseur à débit variable selon l'invention est particulièrement utile dans le cas des réacteurs nucléaires réfri-25 gérés par de la vapeur d'eau et fournissant de la vapeur surchauffée à un groupe turbine-génératrice ou à un autre équipement d'utilisation. Un équipement pour la production d'énergie à réacteur nucléaire est représenté schématiquement sur la figuie 3» 11098 9 2006004 L'installation de production d'énergie de la figure 3 comprend principalement un réacteur nucléaire 200 qui alimente en vapeur d'eau surchauffée une turbine 201. Le réacteur 200 comprend une cuve sous pression cylindrique verticale 202 fermée à l'extrémité 5 inférieure par un fond bombé 203 et à l'extrémité supérieure par un couvercle amovible en dôme 204. La cuve 202 contient le coeur 205 chargé de combustible nucléaire disposé pour engendrer de la chaleur. L'énergie thermique produite dans le coeur 205 est réglée par des barres de commande dont 10 une est représentée schématiquement en 208. Des ouvertures 206 et 207 représentées schématiquement permettent la circulation verticale du réfrigérant à travers le coeur pour l'évacuation de la chaleur. Le coeur 205 est situé dans un écran 210 supporté par le- fond bombé 203. Une chambre d'arrivée 211 est formée à l'intérieur de 15 l'écran 210 sous le coeur 205 pour recevoir la vapeur d'eau sensiblement saturée avant son passage à travers le coeur 205. Une chambre de sortie 212 est aussi formée à l'intérieur de l'écran 210 au-dessus du coeur 205 pour recevoir la vapeur d'eau surchauffée provenant du coeur. 20 Une partie de la vapeur surchauffée passe de la chambre de sortie 212 vers la turbine 201 à travers une canalisation 213 raccordée à la paroi supérieure de cette chambre. La turbine 201 entraîne une génératrice 214 pour produire de l'énergie électrique. La vapeur est condensée dans un condenseur principal 215 et l'eau 25 de condensation est refoulée par une pompe 216 vers un réservoir accumulateur ou bâche 217. Plusieurs thermosurpresseurs de vapeur sont logés dans l'espace annulaire compris entre l'écran 210 et la paroi intérieure de la cuve sous pression 202. Un seul thermosurpresseur est représenté sur la 20 figure 3 pour simplifier la figure. Le thermosurpresseur 220 est monté pour recevoir de la vapeur surchauffée de la chambre de sortie 212 et pour renvoyer la vapeur sensiblement saturée dans la chambre d'entrée 211. Le distributeur 223 mobile axialement est alimenté à travers deux conduits 224 et 225. Cette combinaison est similaire 35 à celle représentée sur les figures ]a, lb et l£. Environ un- tiers du débit total d'eau est pompé par la pompe 226 à travers la canalisation 227 et une vanne 228 avec un débit constant vers les orifices pulvérisateurs intérieurs du' distributeur 223» pompe 229 pompe l'eau à travers la canalisation 230 et une vanne de réglage 11098 10 2006004 231 vers les orifices pulvérisateurs extérieurs du distributeur 223. Un appareil de commande 233 détecte le débit de vapeur à travers le thermosurpresseur 220, régie la vanne 231 et commande 5 le dispositif d'entraînement 234 pour régler la position du distributeur 223 par rapport au col du thermosurpresseur. Une chaudière de démarrage 235 fournit de la vapeur d'eau à l'ajutage de pompe à injecteur 236, à travers une canalisation 237. La partie flexible 238 de la canalisation 237 permet le dépla-10 cernent du distributeur pour le réglage. Bien entendu, d'autres dispositifs, par exemple des tubes télescopiques, peuvent remplacer la section flexible 238 pour permettre les déplacements du distributeur 223 tout en assurant la connexion d'alimentation entre la canalisation 237 et l'ajutage de pompe à injecteur 236. Quand la charge varie, la quantité de vapeur sortant de la chambre de sortie 212 vers la turbine 201 varie aussi. Quand la charge décroît, les barres de commande sont introduites dans le coeur pour réduire la production de chaleur par le coeur. La circulation de vapeur d'eau décroît à travers le thermosurpresseur et par suite l'appareil de commande 233 ferme partiellement la vanne 231 et provoque le déplacement du distributeur 223 vers le col du thermosurpresseur. Quand la charge augmente la quantité de vapeur doit augmenter, de sorte que l'appareil de commande 233 ramène le distributeur 233 en arrière et ouvre davantage la vanne 231 pour augmenter le débit d'eau. La circulation de vapeur est ainsi facilement modifiée et le thermosurpresseur 220 fonctionne constamment avec un rendement élevé. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autre variantes, 30 sans que l'on sorte de son cadre. 11098 ii 2006004 REVENDICATIONS 1. Un thermosurpresseur à débit variable pour la vapeur d'eau ou d'autres fluides comportant un corps de thermosurpresseur comprenant en série une section d'entrée convergente, une section 5 de col et une section divergente de diffuseur caractérisé par au moins un distributeur annulaire monté coaxialement dans la section d'entrée avec des orifices pulvérisateurs pour pulvériser des gouttelettes d'eau finement divisée vers la section du col, un dispositif pour alimenter en eau à un débit variable les orifi-10 ces pulvérisateurs du distributeur, et un dispositif pour rapprocher et éloigner le distributeur de la paroi voisine de la section du col du thermosurpresseur. 2. Le thermosurpresseur selon la revendication 1 caractérisé par un ajutage de pompe à injecteur monté suivant l'axe du corps 15 du thermosurpresseur et du distributeur. 3. Le thermosurpresseur selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé par des dispositifs indépendants pour diriger l'eau vers un premier groupe d'orifices pulvérisateurs sur le côté intérieur du distributeur et vers un second groupe d'orifices pul- 20 vérisateurs situés sur le côté extérieur du distributeur. 4. Le thermosurpresseur selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation en eau dirige l'eau uniquement vers le premier groupe d'orifices pulvérisateurs du côté intérieur du distributeur quand celui-ci est positionné pratiquement en con- 25 tact avec la paroi du thermosurpresseur.