Brevet FR2011780A1 — publié le 19700306

L'invention est relative à un générateur de vapeur. L'économiseur a été introduit en 1845 par Green dans le but d'augmenter le rendement des chaudières en enlevant de la chaleur à basse température des gaz de combustion qui quittent 5 la chaudière. L'introduction, qui a suivi, du réchauffeur de gaz et d'air, en particulier du type rotatif à régénération, a contribué à réduire les dimensions de 1 *économiseur et les projets récents de générateurs de vapeur constituent un compromis du point de vue 0 économique entre les dimensions de la surface d'échange de. chaleur du foyer, la surface de 1'économiseur et la surface du réchauffeur de gaz et d'air, le projet conduisant aux conditions économiques optimales pour une opération continue. La chute de pression acceptable du gaz à travers l'économi-5 seur est aussi un facteur dont il faut tenir compte dans la conception de l'installation et la différence de température rela^ tivement faible entre les fluides intervenant dans l'échange de chaleur, aboutit à une valeur faible pour l'absorption calorifique de la surface de 1'économiseur . 0 La limite de température de l'eau d'alimentation pénétrant dans 1'économiseur est déterminée par la nécessité de désaérer complètement l'eau d'alimentation ; la température de sortie de 1'économiseur est souvent inférieure à la température de la vapeur produite à cette pression ou est déterminée par des res-5 trictions de température du tube, parfois en aval de 1'économiseur. La limite inférieure de la température du gaz quittant l'é-conomiseur est souvent déterminée par la nécessité pour le gaz de sortie d'être à une température supérieure au point de rosée. 10 Les limites et les contraintes de température régissant les tubes de la chaudière sont déterminées sur la base de la résistance au fluage et quelquefois elles peuvent être dépassées dans le cas d'un fonctionnement .intermittent de durée limitée. Dans la production d'énergie, la demande d'électricité à >5 court terme est souvent assurée par coupure des réchauffeurs d'eau d*alimentation, par fonctionnement en surpression ou par dérivation de vapeur en excès vers la turbine en aval du premier étage. Des trois principaux composants d'une centrale industrielle O à combustible fossile , la turbine offre une capacité de fono- 69 21874 2 2011780 tionner dans des conditions considérablement supérieures à celles de la capacité nominale pour un faible supplément de prix d'investissement de l'installation et le condenseur peut aussi se prêter à des surcharges au détriment un peu de son rendement; 5 seul le générateur de vapeur, dans les conditions des projets usuels, est limité dans les surcharges qu'il peut admettre au-delà de la production continue calculée par le fabricant» L'invention a pour but des dispositifs pour accroître la production d'un générateur de vapèur, en assurant un apport de 10 chaleur supplémentaire à l'économiseur ; l'invention est'valable pour les équipements de générateurs de vapeur existants et aussi pour les équipements futurs, dans lesquels les dispositifs destinés à accroître la production, ont été incorporés ou prévus dans le but d'une utilisation future, avec la possibili-•15 té qui en résulte dans les projets, par une sélection judicieuse des zones d'échange calorifique dans les divers composants du générateur de vapeur, par le choix des matériaux, des limites de température prévues, par un dimensionnement judicieux des tuyauteries et des équipements auxiliaires de la totalité de 20 l'installation, de mieux utiliser l'augmentation de production du générateur de vapeur. On exposera ci-dessous et décrira les moyens destinés à assurer la production supplémentaire du générateur de vapeur en se référant aux dessins annexés dans lesquels : 25 - la figure 1 représente schématiquement un générateur de vapeur conforme à l'invention et, - les figures -2 et 3 représentent, d'une manière analogue à celle de la figure 1, des dispositifs différents destinés à amener de la chaleur à 1'économiseur. 30 Le générateur de vapeur comprend un foyer 6 et une encein te 7 propre à canaliser les gaz de fumée (ces deux organes pouvant être subdivisés) et garnie de tubes 8 faiblement écartés les uns des autres, refroidis à l'eau ou par un mélange eau-vapeur, des brûleurs à mazout ou autre combustible 9, des fais-35 ceaux de tubes 10_a pour la surchauffe de la vapeur, des faisceaux de tubes de resurchauffe 10b et des tubes d'économiseur 12. Dans le dispositif de la figure 1, un complément de mazout ou autre combustible est brûlé dans un conduit 13 garni de pro-40 duits réfractaires, situé le long de l'enceinte 7 propre à cana- 69 21874 . 3 2011780 User les gaz de fumée et communiquant avec elle, et les produits de combustion à température élevée s'écoulent en avant de 1'économiseur. Le complément de mazout ou autre combustible est introduit par un brûleur 14 et de l'air de combustion est fourni par un ventilateur 15 5 qui prélève 1 ' air dans 1 ' atmosphère ambiante, ou par un tube de raccordement à la tubulure de refoulement de la soufflante principale. Le volet 17 est fermé lorsque le dispositif d'augmentation de production du générateur de vapeur n'est pas en service. ! La combustion additionnelle peut s'effectuer en variante ou 10 complémentairement dans l'espace situé directement à l'avant de 1'économiseur dans l'enceinte propre à canaliser les gaz, le mazout ou autre combustible étant introduit, par le brûleur 16, dans la mesure où le permet l'oxygène restant dans les gaz qui quittent le_ foyer lorsqu'on travaille avec un grand excès d'air amené au foyer, ou en introduisant un complément d'air de combustion et/ou d'oxygène avec le complément de mazout ou autre combustible. Dans le dispositif de la figure 2, la combustion additionnelle s'effectue dans le conduit 18 servant d'enceinte auxiliaire propre à canaliser les gaz de fumée , par introduction de mazout ou autre combustible et d'air de combustion à l'aide du brûleur 19, d'une manière analogue à celle de la figure 1, sauf J que le recyclage partiel des gaz dans l'enceinte propre à canaliser les gaz de fumée , mélangés aux gaz de combustion addition- \ nelle, est établi autour de 1'économiseur par le ventilateur 20, dont l'aspiration est raccordée par un conduit 21, à l'enceinte canalisant les gaz de fumée, en aval de 1'économiseur, la chaleur transmise aux tubes de 1'économiseur profitant de 1' augmentation de la masse de gaz en circulation. Les volets 22 et 23 sont utilisés pour régler l'écoulement des gaz recyclés et aussi pour isoler de l'enceinte canalisant les gaz de fumée le conduit'de combustion auxiliaire lorsque le dispositif d'augmentation de production du générateur de vapeur n'est pas en ; service. Dans le dispositif de la figure 3, les gaz de combustion ] chauds en excès, engendrés dans le foyer par combustion d'un com- i plément de mazout ou autre combustible, sont amenés par un ou plusieurs conduits 24 garnis de produits réfractaires., qui communiquent avec-le foyer par un certain nombre d'ouvertures, à 40 des ouvertures prévues dans l'enceinte propre à canaliser les * 15 ?0 25 30 35 i 69 21874 4 2011780 gaz de fumée et situées en amont de 1*économiseur (en contournant les faisceaux de tubes de surchauffe et de réfsurchauffe) et mélangés aux gaz de combustion à température plus basse en élevant la température et le débit massique des gaz s'écoulant à travers 5 les tubes de 1'économiseur et en augmentant ainsi la quantité de chaleur fournie à l'économiseur. L'écoulement du gaz à travers le conduit 24 est rendu possible par le fait que la pression régnant dans la région située en amont de 1*économiseur est plus basse que dans le foyer ; cet écoulement de gaz est assisté, aux empla-10 cements où c' est nécessaire, par une action d'éjecteur, le fluide à pression plus élevée dans 1'électeur é^ant constitué par des gaz de combustion à température plus basse prélevés par le conduit 25 dans la région située en aval de 1*économiseur ou de l'air prélevé dans l'atmosphère ambiante, comprimés par le ventilateur 26 ; le 15 fluide à pression la plus basse dans l'éjecteur est constitué par les susdits gaz de combustion en excès venant du foyer par le conduit 2^. Des volets 27, 28 et 29 règlent le débit des gaz qui passent dans les divers conduits et demeurent fermés, en isolant le foyer dè' l'enceinte canalisant les gaz de fumée , lorsque le 20 dispositif de production accrue de vapeur n'est pas en service. le fonctionnement du générateur de vapeur conforme à 1*invention est le suivant. lorsqu'on fait fonctionner le générateur de vapeur en dessous de ou a sa production nominale^les volais donnant accès aux conduits 25 de circulation des gaz de combustion additionnelle sont fermés, il ne se produit pas de combustion additionnelle et les dispositifs favorisant le mouvement des gaz de combustion additionnelle ne sont pas en fonctionnement. Le rendement du générateur de vapeur n'est pas affecté par la présence des dispositifs destinés à 30 augmenter la production de vapaur. lorsqu'on désire augmenter la production de vapeur, on ouvre les volets donnant accès aux conduits de circulation des gaz de combustion additionnelle, les dispositifs favorisant le mouvement des gaz de combustion additionnelle sont mis en marche, la combus-35 tion additionnelle se produit dans le mesure recherchée pour 1' augmentation de production voulue du générateur de vapeur, le débit de l'air dé combustion additionnelle et celui des gaz de combustion additionnelle et de recyclage étant réglés par la position des volets et par les dispositifs de réglage de la production 69 21874 5 2011780 de vapeur des dispositifs servant à mettre les gaz en mouvement. Lê tirage du foyer est aussi ajusté aux nouvelles caractéristiques d'écoulement de gaz requises et le courant d'eau d'alimentation est ajuÊté à la production accrue désirée du générateur 5 de vapeur. Le rendement du générateur de vapeur va diminuer du fait que les gaz de combustion vont quitter le foyer à température plus élevée. Une application de l'invention est représentée par la figu-10 re 1, dans laquelle 30 désigne la partie à haute pression d'une turbine, 31 la partie à basse pression de la turbine recevant de la vapeur réchauffée, 32 le générateur électrique accouplé à la turbine, 34 le condenseur, 35 des réchauffeurs fermés d' eau d'alimentation, 37 des soupapes de réglage des courants 15 de vapeur extraits de la turbine et amenés aux réchauffeurs, 36 un réchauffeur de .désaération et 38 un système sensible à la puissance électrique demandée et commandant la production de vapeur. Une partie de l'augmentation de la production du générateur 20 de vapeur, résultant de l'augmentation de la chaleur apportée à 1'économiseur, conformément à l'invention, est étranglée, par la soupape 33, en dérivation sur la partie à haute pression 30 de la turbine,et dans ce cas sur le réchauffeur 10b, et revient à la vapeur réchauffée, approximativement à la même pression et 25 à la même température sur le trajet allant à la partie à basse pression 31 de la turbine. L'utilisation d'une augmentation de la chaleur absorbée par 1'éconqmiseur est envisagée aussi en liaison avec la pratique consistant à couper,temporairement et pour un faible interval-30 le de temps, l'alimentation en vapeur du réchauffeur d'eau d'alimentation à la pression la plus élevée, en vue d'augmenter le débit de vapeur traversant la turbine et ainsi la puissance électrique fournie par le turbogénérateur. L'eau d'alimentation pénétrant dans 1'économiseur est alors à une température plus 35 basse et, du fait que le générateur de vapeur demande une quantité de chaleur supplémentaire, la coupure de l'alimentation en vapeur du réchauffeur d'eau d'alimentation est de durée limitée. En pourvoyant à une fourniture supplémentaire de chaleur à 1'économiseur, l'invention tient compte de l'augmentation de 40 puissance électrique fournie, en coupant l'alimentation en va- 69 21874 6 2011780 peur de divers réchauffeurs d'eau d'alimentation, à l'exception du désaérateur, et en augmentant le débit de vapeur passant dans la turbine ; le désaérateur, du fait de sa fonction de désaé-ration même, est essentiel pour débarrasser d'oxygène l'eau 5 d'alimentation. Le fonctionnement du mode de réalisation de l'invention représenté par la figure 1 peut être le suivant. A la réception par le dispositif 38 d'un signal indiquant que la demande en énergie électrique est augmentée et que le dispositif d'augmen-10 tation de production de l'ensemble générateur est appelé à fournir une production supplémentaire, des signaux de sortie sont engendrés par le dispositif 38 pour fermer les soupapes 37 allant aux réchauffeurs d'eau d'alimentation 35, augmentant ainsi le débit de vapeur à travers la turbine, pour ouvrir le volet 15 17, pour mettre en'marche le ventilateur (ou soufflante) 15 et faire brûler un supplément de mazout ou autre combustible par l'intermédiaire du brûleur 14 (et/ou 16), en augmentant la quantité de chaleur cédée à 1»économiseur qui, après coupure de l'alimentation en vapeur des réchauffeurs 35, va recevoir de l'eau 20 d'alimentation à température plus basse et, après indication transmise au dispositif capteur 38 ou à d'autres instruments ou dispositifs calculateurs, que la production du générateur de vapeur est en train d'augmenter, pour ouvrir la soupape 33 en vue de fournir un supplément de vapeur à la partie à basse pres-25 sion 31 de la turbine. Dans le développement de l'invention, le but a été une augmentation de la production de vapeur, par fourniture d'une quantité de chaleur supplémentaire à 1'économiseur , avec un équipement supplémentaire bon marché pour que l'on puisse profiter 30 des capacités de surcharge bien connues de la turbine et du condenseur, en vue d'augmenter la production d'énergie électrique de l'installation , au prix d'une certaine perte de rendement pour satisfaire à une demande électrique éventuelle du type de pointe. 35 Les termes et les expressions qui ont été utilisés ; pour la présentation de l'invention et de ses modes de réalisation ne l'ont été que dans un but descriptif et nullement limitatif de la portée de l'invention et sans aucune intention, en utilisant de tels termes et expressions, d'exclure les équivalents des 40 caractéristiques représentées ou décrites ici. Il y a lieu de 69 21874 7 2011780 spécifier au contraire que de nombreuses variantes ou combinaisons des caractéristiques mentionnées de l'invention sont possibles ou souhaitables dans la mesure où, elles seraient imposées par les contraintes relatives à un générateur de vapeur existant 5 que l'on voudrait modifier conformément à l'invention ou dans la mesure où elles seraient indiquées par l'ingénierie et l'optimisation économique de futurs générateurs de vapeur destinés à être réalisés conformément à l'invention. En particulier, les organes de réglage ou de coupure du débit d'un fluide, désignés 10 dans la description et les revendications par volets, et tels que 17, 22, 23, 2ÏÏ et 28, pourraient être remplacés par des organes équivalents , notamment des organes rotatifs ou coulissants* D'autres modes de réalisation apparaîtront immédiatement 15 aux spécialistes dans le cadre des revendications qui suivent. 69 21874 8 2011780 REVENDICATIONS 1. Système générateur de vapeur chauffé à l'aide d'un combustible fossile,comprenant Un générateur de vapeur (8), un surchauffeur (10a, 10b) et un économiseur (12), dans lequel un trajet 5 (6,7) de gaz de fumée s'étend, à partir du générateur de vapeur, à travers le surchauffeur et 1'économiseur, le système comprenant aussi, de manière usuelle,' des canalisations amenant l'eau d'alimentation à 1'économiseur et, de là, au générateur de vapeur, et des canalisations amenant la vapeur du générateur de vapeur 10 au surchauffeur et, de là, à une canalisation de sortie, • caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif auxiliaire (13 et 14 ; 16 ; 18 et 19 ; 24) raccordé au trajet (7) de gaz de fumée entre le surchauffeur (IOjï, 10b) et .1*.économiseur (12), ce dispositif auxiliaire pouvant être mis en marche à volonté dans 15 des conditions de pointe de la demande (par exemple en utilisant des volets 17, 22 et 23, 28 et 29 et des commandes de brûleurs) et étant construit pour fournir des produits gazeux de combustion supplémentaires à température élevée dans la région du point de raccordement précité pour augmenter la quantité de 20 chaleur apportée à l'eau traversant 1'économiseur (12) en augmentant ainsi l'énergie de la vapeur produite par le systèmea 2« Système selon la revendication—!, caractérisé en ce que le dispositif auxiliaire précité comprend \m brûleur supplémentaire (16), alimenté en combustible fossile, destiné à amener du com-25 bustible supplémentaire sur le trajet des gaz de fumée entre le surchauffeur et 1'économiseur et ce trajet des gaz de fumée présente une région de combustion dans laquelle est brûlé le combustible venant du brûleur supplémentaire. 3. Système selon la revencication 1 ou 2, caractérisé en ce que 30 le dispositif auxiliaire précité comporte au moins un premier conduit de gaz supplémentaire (13, 18, 24) raccordé de manière à introduire des produits gazeux de combustion supplémentaire a haute, température sur le trajet des gaz de fumée pour qu'ils s'écoulent à travers 1'économiseur. 35 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une chambre de combustion supplémentaire est reliée au conduit supplémentaire (13, 18) précité,, en amont du susdit point de raccordement , et un brûleur supplémentaire (14,19) à combustible fossile est agencé pour amener du combustible à l'intérieur de 40 cette chambre supplémentaire. 69 21874 9 2011780 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce cp'xme soufflante (20,26) à gaz est agencée pour amener du gaz à l'intérieur de la chanbre de combustion supplémentaire précitée,un second conduit supplémentaire (21,25) alimentant en gaz cette soufflante,ce se- 5 cond conduit étant raccordé de manière à recevoir des gaz de fumée provenant du trajet des gaz de fumée, au voisinage de l'économiseur 6. Système selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le dispositif auxiliaire précité est placé directement au voisinage de 1'économiseur et comprend un trajet de gaz de re- 10 tour défini par le premier conduit supplémentaire précité et un second conduit supplémentaire (21,25) agencé pour débiter dans le premier conduit, ce second conduit étant raccordé, pour évacuer du gaz du passage de gaz de fumée. , en aval de l'économiseur, les dispositifs prévus pour mettre en marche à volonté le 15 dispositif auxiliaire comportant des volets (22,23 j 28,29) destinés à obturer le premier et le second conduits et à les isoler des passages de gaz de fumée du générateur de vapeur. 7. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif secondaire comprend un trajet de gaz de retour com- 20 portant un second conduit (25) raccordé au passage de gaz de fumée., en aval de 1'économiseur, et une chambre (18) pour mélanger le gaz soutiré par le second conduit avec le gaz à température plus élevée venant d'une troisième conduit, supplémentaire (25a0, cette chambre étant agencée, pour alimenter en gaz de com 25 bustion 1'économiseur à travers le premier conduit.. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une soufflante (26) est agencée pour recevoir un écoulement venant du second conduit et pour produire un jet de gaz, en ce que le troisième conduit (25a) est raccordé au foyer (6) du générateur 30 de vapeur en amont du surchauffeur (10a, 10b), en ce que le troi sième conduit (25a) est agencé de manière à introduire des gaz destinés à-être aspirés par le susdit jet et en ce que le premier conduit (24) est agencé pour recevoir l'écoulement combiné venant du second et du troisième conduits et à 1•amener à s'écou 35 1er à travers 1'économiseur (12) et en ce que les dispositifs destinés à mettre en action à volonté le second système comportent des volets (27,28,29) disposés de manière à fermer le premier, le second et le troisième conduits en lès .isolant du foyer et des passages de gaz de fumée du générateur. 40 9. Procédé d'utilisation d'un générateur de vapeur chauffé à 1' 69 21874 10 2011780 aide d'un combustible fossile comprenant un générateur de vapeur., un surchauffeur et un économiseur, des passages de gaz définissant un trajet du gaz à travers successivement le générateur de vapeur, le surchauffeur et 1'économiseur, des passages d'eau ame-5 nant l'eau d'alimentation à 1'économiseur et la conduisant de 1'économiseur au générateur de vapeur et des passages de vapeur pour amener la vapeur du générateur de vapeur au surchauffeur et du surchauffeur à une canalisation de sortie, caractérisé en ce que, à l'apparition d'une demande dans des conditions de pointe, 10 on introduit, dans le trajet d'écoulement des gaz de fumée entre le surchauffeur et 1'économiseur, des produits gazeux de combustion supplémentaires à haute température, qu'on ajoute aux produits venant du surchauffeur, pour augmenter la quantité de cha- . leur apportée à 1'économiseur. 15 10. Procédé selon la revendication 9, utilisé avec un générateur de vapeur muni, en plus, d'un réchauffeur d'eau (35) précédant 1'économiseur et d'une canalisation de vapeur amenant la vapeur de réchauffage de l'eau, extraite de la turbine, dans le réchauffeur, caractérisé en ce qu'on réduit le débit de vapeur allant au 20 réchauffeur tandis qu'on introduit les produits gazeux de combustion supplémentaires à haute température dans le trajet des gaz de fumée. 11. Procédé selon la revendication 9, utilisé avec un générateur de vapeur associé à un turbogénérateur électrique (32) comportant 25 une turbine à haute pression (30) et une turbine à basse pression (31) et comprenant un surchauffeur (10a) et un resurchauffeur (10b), la canalisation de sortie du surchauffeur étant raccordée à l'entrée de la turbine à haute pression, la canalisation de sortie de la turbine à haute pression r»1ô» à Ta oanaUgafrtrWi 30 du resurchauffeur et la canalisation de sortie du resurchauffeur étant raccordée à l'entrée de la turbine à basse pression, caractérisé en ce qu'on étranglera l'aide d'une soupape d'étranglement, une partie de l'écoulement venant de la canalisation de sortie du surchauffeur (10a) et allant à l'entrée de la turbine à basse 35 pression (31) tandis qu'on introduit les produits gazeux de combustion supplémentaires à haute température sur le trajet des gaz de fumée. 12. Procédé selon la revendication 9, utilisé avec un générateur de vapeur comportant en plus un réchauffeur d'eau d'alimentation 40 (35) précédant 1'économiseur, une canalisation de vapeur amenant 69 21874 11 2011780 flans le réchauffeur la vapeur servant à 1'échauffément de l'eau et extraite de la turbine, une turbine à haute pression (30) et une turbine à basse pression (31), un surchauffeur (10a) et un resurchauffeur (10b), la canalisation de sortie du surchauffeur 5 étant raccordée à l'entrée de la turbine à haute pression (30), la canalisation de sortie de la turbine à haute pression étant raccordée à la canalisation d'entrée du resurchauffeur (lOb^)et la canalisation de sortie du resurchauffeur étant raccordée à l'entrée de la turbine à basse pression (31), caractérisé en ce 10 qu'on réduit l'écoulement de vapeur allant au réchauffeur d'eau d'alimentation (35) et qu'on étrangle aussi, à l'aide d'une soupape d'étranglement, une partie de l'écoulement venant de la canalisation de sortie du surchauffeur et allant à l'entrée de la turbine à basse prëssion, tandis qu'on introduit les produits ga-15 zeux de combustion supplémentaires à haute température sur le trajet des gaz de fumée.