Brevet FR2005218A1 — publié le 19691212

69068», 1 2QÔ52té L'invention se rapporte aux centrales productrices d'énergie nucléaire du type comprenant un réacteur nucléaire refroidi par fluide pour fournir de la chaleur à un groupe générateur de vapeur ou une chaudière afin de produire, à partir 5 d'eau sous pression amenée à travers ce groupe, de la vapeur destinée à alimenter une turbine à vapeur à travers une vanne d1 étranglement. Des variations de débit de puissance sur une telle centrale peuvent être nécessaires pour diverses raisons. Par 10 exemple, il peut être nécessaire que la centrale fonctionne selon une exploitation suiveuse de charge de façon que la sortie de puissance varie automatiquement en réponse à des variations de la fréquence du réseau électrique d'interconnexion. Au cours de telles variations de la sortie de puissance, 15 des variations peuvent se présenter pour la température de la vapeur à l'admission aux tuyères de la turbine à vapeur, c'est-à-dire en aval de la vanne d'étranglement de la turbine à vapeur. Ces variations peuvent se présenter pour deux raisons. En premier lieu, le mode de fonctionnement du groupe générateur de vapeur 20 peut être tel que la température de la vapeur d'alimentation envoyée à la turbine s'abaisse en même temps que la charge, en produisant une chute correspondante de la température en aval de la vanne d'étranglement de la turbine. En second lieu, il y a une chute de la température de vapeur à travers la vanne d'étrangle-25 ment de la turbine à vapeur par suite de la manoeuvre de la vanne qui augmente le degré d'étranglement. Comme le degré d'étranglement augmente quand la charge diminue, il y a, pour une température constante d'alimentation, une baisse de température en aval de la vanne d'étranglement de la turbine quand la charge 30 s'abaisse. La nature des turbines à vapeur est telle, particulièrement dans les turbines les plus modernes utilisant de la vapeur à très haute pression et à très haute température, que de grandes variations de la température de la vapeur en aval de la vanne 35 d'étranglement créent, si elles se présentent rapidement, des gradients thermiques notables dans les structures comprenant la partie d'entrée de la turbine à vapeur et créent donc des dilatations thermiques différentielles entre ces structures. Ces gradients thermiques et ces dilatations différentiel-^ les entraînent généralement des déformations et des contraintes 90680 7 2 200521? dans les structures qui les subissent. L'effet de ces déformsfcioKis et contraintes peut, si elles sont d'ampleur suffisante ou si elles se présentent un nombre de fois suffisant, provoquer la détérioration des structures affectées. 5 Ces effets peuvent évidemment être limités par la limita tion de la vitesse à laquelle varie la sortie de puissance du réacteur. Cependant, une telle limite de la vitesse de variation de la sortie de puissance peut ne pas être désirable du point de vue du fonctionnement parce que certains modes de fonctionnement 10 peuvent demander des variations rapides de la sortie de puissances Selon l'invention, un procédé pour la commande d'une centrale productrice d'énergie nucléaire du type en question comprend des variations initiales de la sortie de puissance de cette centrale comme demandé et une variation automatique de la 15 température du circuit de refroidissement du réacteur et/ou de la pression de vapeur en amont de la vanne d2étranglement de la turbine en fonction des dites variations de la sortie de puissance de telle manière que la température de la vapeur en aval de la dite vanne d'étranglement soit maintenue à l'intérieur 20 des limites acceptables. Selon une caractéristique de l'invention, quand le dit réacteur nucléaire est du type utilisant des éléments de combustible sous gaine, la température du circuit de refroidissement du réacteur est réglée pour maintenir la température de la 25 vapeur en aval de la vanne d'étranglement à l'intérieur de limites acceptables et cette température est modifiée pour maintenir à l'intérieur de limites acceptables les cycles de déformations différentielles qui seraient normalement induits dans les éléments de combustible par suite des dites variations 30 dans la sortie de puissance. Ces cycles de déformations différentielles et un procédé pour diminuer l'effet de ces cycles sont exposés dans la demande de brevet français déposée à Paris au nom de la même société le 15 novembre 1968 sous le numéro 173 879. 35 Pour mieux faire comprendre l'invention, on décrira maintenant,à titre d'exemple, son application à une centrale d'énergie nucléaire typique comprenant un réacteur évolué refroidi par gaz, en référence au dessin annexé dont la figure unique est une vue schématique de la dite centrale et de son système de commande. 6906307 3 2005218 La figure montre une centrale typique d'énergie nucléaire comprenant les principales parties constitutives suivantes : le réacteur nucléaire 1, un générateur de vapeur 2, un turboalternateur principal 3 et un condenseur associé 4-, une pompe 5 d'alimentation 6 et une soufflante de gaz 9. Les éléments de combustible (non représentés) sont situés dans des canaux verticaux de combustible (non représentés) du réacteur 1 et sont sous la forme de pastilles de dioxyde d'uraimm insérées dans des gaines en acier inoxydable. La chaleur produite 10 par les éléments de combustible est extraite du coeur de réacteur par du gaz sous pression (constituant le fluide de refroidissement dont il est question dans le présent exposé) qui entre à la base des canaux de combustible à une température "basse" (appelée dans la suite la température d'entrée du 15 réacteur) et quitte le haut des canaux à une température "élevée" (appelée ci-après la température de sortie du réacteur). Le taux de dégagement de chaleur dans les éléments de combustible est commandé par le déplacement d'un certain nombre de barres de contrôle 11 qui sont manoeuvrées par des moteurs 12 20 cle telle façon qu'une valeur prédéterminée de la température de sortie du réacteur soit obtenue et maintenue. Le fluide de refroidissement chaud quittant le réacteur passe par le conduit 18 du circuit de gaz jusqu'au générateur de vapeur 2 où il s'écoule sur des faisceaux de tubes 2A à travers 25 lesquels circule l'eau d'alimentation. La chaleur est ainsi transmise du fluide de refroidissement à l'eau d'alimentation, ce qui la transforme en vapeur et surchauffe celle-ci. Le fluide de refroidissement quitte le générateur de vapeur approximativement à la température d'entrée du réacteur et 30 passe par un conduit 19 du circuit de gaz et par la soufflante de gaz 9 pour revenir à l'entrée du réacteur. Le débit d'écoulement du fluide de refroidissement est commandé par des aubes directrices d'entrée (non représentées) associées à la soufflante de gaz 9- Les aubes directrices d'entrée sont réglées par un moteur 35 10 de telle manière qu'une valeur prédéterminée de la température d1entrée du réacteur soit obtenue et maintenue. La vapeur engendrée dans le générateur de vapeur 2 passe au turbo-alternateur principal 3 par une vanne d'étranglement de turbine 13 qui, dans les conditions normales de fonctionnement, '/ *J VU / 4 _ _ 200521S est commandée par des moteurs 15 et 16 pour maintenir la pression de la Tapeur du générateur à une valeur prescrite. Dans certaines conditions, la vanne d'étranglement de turbine 13 est aussi soumise à une commande de secours par 1èregûlateur 14.". 5 Le débit de vapeur passe à travers le turbo-alternateur principal 3 en produisant une sortie de courant électrique et la vapeur est ensuite condensée dans le condenseur 4 d'où 1'eau passe par le désaérateur 5» la pompe d'alimentation 6 et le régleur 8 jusqu'à l'entrée au générateur de Tapeur 2. La pompe 10 d'alimentation 6, qui commande le débit de 1;eau d'alimentation, est entraînée par une turbine 7 qui utilise la vapeur s8 échappant du turbo-alternateur principal 3 par la vanne -i1 étranglement 17. La position de la vanne d'étranglement 17 est réglée par un moteur 20 pour donner le débit d'alimentation demandé par l'opé-15 rateur. La sortie de puissance de la centrale nucléaire décrite varie sous l'action d'une variation automatique et/ou manuelle d'un signal de demande totale de débit d8alimentation, produit par un dispositif 23 de la manière qu'on décrira maintenant. 20 ' Le dispositif 23 produit un signal de demande totale de débit d'alimentation en ajoutant le signal que lui fournit un comparateur 22 et un signal de demande manuelle 24. Le comparateur 22 produit son signal d'après un dispositif capteur 21 associé à l'arbre de turbine comme décrit dans la demande de 25 brevet français 173 879 du 15 novembre 1968 rappelée précédemment. Le signal combiné produit par le dispositif 23 comprend la demande totale de débit et est fourni à un comparateur 25. Le comparateur 25 compare le signal de demande totale de débit d'alimentation avec un signal proportionnel au débit réel d'ali-30 mentation qui est obtenu par un dispositif capteur 26 placé en aval de la pompe d'alimentation 6. Un signal proportionnel à l'erreur (c'est-à-dire à la demande totale diminuée du débit d'alimentation réel) est ainsi produit et foiarni à un réseau 27 de mise en forme qui commande le fonctionnement du moteur 20 et 35 par suite la vanne d'étranglement 17. Ainsi la turbine 7•et par suite la pompe d'alimentation 6 sont amenées à changer leur vitesse jusqu'à ce que le débit réel d'alimentation devienne égal au débit d'alimentation total demandé, c'est-à-dire jusqu'à ce que le signal d'erreur du débit d'alimentation devienne zéro et 40 que 1'actionnement du moteur 20 s'arrête. 6906807 5 „ 200521 a Une variation du débit d'alimentation entraîne une •variation de la température du gaz à l'entrée du réacteur et cette variation est décelée par un dispositif capteur 28 qui est placé au voisinage de la soufflante de gaz 9. Le dispositif cap-5 teur 28 produit un signal qui est proportionnel à la température du gaz à l'entrée du réacteur et ce signal est fourni à un comparateur 29. Le comparateur 29 compare ce signal à un signal qui est proportionnel à la demande totale de température de gas à l'entrée du réacteur, obtenu d'un dispositif 30. Le comparateur 10 29 produit ainsi un signal proportionnel à l'erreur de température du gaz (c'est-à-dire à la température demandée diminuée de la température réelle du gaz à l'entrée). Ce signal d1erreur est fourni à un réseau 31 de mise en forme qui commande -l'actionne-ment du moteur 10 pour les aubes directrices d'entrée en comman-15 dant ainsi le débit de gaz à travers la soufflante de gaz 9-Ainsi, le débit de gaz à travers la soufflante de gaz 9 varie jusqu'à ce que la température du gaz à l'entrée du réacteur atteigne la valeur demandée, c'est-à-dire jusqu'à ce que le signaL d'erreur devienne zéro et que 11actionnement du moteur 10 20 s'arrête. De cette façon, le débit de gaz varie en harmonie avec la variation du débit d'alimentation. La variation du débit de gaz provoque une variation de la température du gaz à la sortie du réacteur et cette variation est décelée par un dispositif capteur 34. De manière analogue à celle 25 décrite ci-dessus, un signal d'erreur est produit par un comparateur 35 utilisant un. signal de demande totale obtenu d'un dispositif 37, le signal d'erreur étant fourni à un réseau 36 de mise en forme qui commande 1 ' actionnement du moteur 12 et par suite la barre de contrôle 11 jusqu'à ce que la température du 30 gaz à la sortie du réacteur soit de nouveau égale à la valeur demandée. Le résultat de ces opérations est que la puissance du réacteur et le débit de vapeur pour la turbine principale 3 varient selon la variation du signal de demande totale du débit 35 d'alimentation. La variation du débit de vapeur pour la turbine principale 3 fait varier la pression de vapeur et cette variation est décelée par un dispositif capteur 46. D'une manière analogue à celle décrite ci-dessus, un signal d'erreur est produit par le ^ comparateur 43 utilisant un signal de demande totale obtenu du 6906807 6 2 00 5218 dispositif 42, le signal d'erreur étant fourni à des réseaux 44 et 45 de misé en forme qui commandent respectivement les moteurs 16 et 15 et par suite la vanne d'étranglement 13 jusqu'à ce que la pression de vapeur devienne égale à la valeur demandée et que 5 par suite le débit de vapeur modifié traverse la turbine principale 3j la sortie de puissance de la turbine principale variant de façon correspondante. Selon l'invention, les variations des températures du gaz de réacteur et/ou de la pression de vapeur nécessaires pour limi-10 ter la variation de la température de vapeur en aval de la vanne d'étranglement de turbine 13 sont obtenues automatiquement comme exposé ci-après. Le signal de demande totale de la température du gaz à l'entrée du réacteur est produit par le dispositif 30 par l'addi-^5 tion d'un signal manuel 32 proportionnel à la demande de température de 1'opérateur et d'un signal provenant d'un dispositif 33 et ce signal est fonction de la demande totale de débit d'alimentation. Un signal d'entrée pour le dispositif 33, proportionnel à la demande totale de débit d'alimentation, est obtenu du dispo-20 sitif 23. De cette façon, la température totale demandée pour le gaz à l'entrée du réacteur peut varier avec la puissance d'une manière prédéterminée grâce au choix approprié de la relation entre le signal de demande totale de débit d'alimentation et le signal de sortie, cette relation étant établie dans le dispositif 25 33- Ainsi, quand la puissance du réacteur varie automatiquement sous la variation de la demande totale de débit d'alimentation, la température du gaz à l'entrée du réacteur varie aussi automatiquement d'une manière choisie d'avance. 30 d 'une manière analogue, la température du gaz à la sortie du réacteur varie automatiquement aussi comme le demande l'action de dispositifs 37 et 38 et d'un signal manuel 39, qui ont une action équivalente à celle des dispositifs 30 et 33 et du signal manuel 32 respectivement. 35 D'une manière analogue aussi, la pression de vapeur varie automatiquement comme il convient sous l'action de dispositifs 42 et 40 et d'un signal manuel 41 qui ont une action équivalente à celle des dispositifs 30 et 33 et du signal manuel 32 respectivement . 6906807 10 15 20 25 200521S Les variations de la température du gaz à l'entrée et à la sortie du réacteur et/ou de la pression de vapeur pendant les variations de puissance peuvent être choisies pour donner des variations acceptables de la température de vapeur à l'admission aux tuyères de turbine. Les diverses variations peuvent être adaptées pour suivre un mode particulier de fonctionnement de la dite centrale. Pour illustrer ces points pour la dite centrale, une sé;de typique de variations de température est donnée ci-dessous au tableau 1 « Le tableau 1 compare les températures à des charges de 100 % et 20 % par rapport au régime continu maximal ECM (colonnes 1 et 2 respectivement) pour le fonctionnement de la dite centrale avec variations limitées de la température du métal du générateur, appelé ci-après un fonctionnement normal, au fonctionnement de la même centrale pour des charges de 100 % et 20 % (colonnes 5 et 4) avec variations limitées de la température de vapeur en aval de la vanne d'étranglement 13 de la turbine. Tableau 1. Charge (f/o ECM) Température de gaz à la sortie du réacteur ( Température de gaz à ( l'entrée du réacteur ( Température de vapeur C en amont de la 3° ( vanne d'étranglement ( Température de vapeur ( en aval de la ( vanne d'étranglement 35 Pression de vapeur en bars (absolue) (. 1 2 3 4 100 % 20 % 100 % 20 % 640° C 560° G 640° C 590° C 282° G ro o O 282° C 280° C 538° C 522° C 538° C 577° C 536° C 478° C 536° C 536° C 166 166 166 166 ") 20 % ) ) 540° G) ) ) 245° G) ) ) 522° G) 514° 0 83 Au tableau 1 on voit qu'en augmentant pour une charge de 20 % les températures d'entrée et de sortie au-dessus des valeurs utilisées pour une charge de 20 % en fonctionnement 40 normal et sans modification apportée aux températures maintenant 6906S07 8 2005218 les cycles de déformations différentielles sur les éléments de combustible à l'intérieur de limites acceptables (voir la demande de brevet français 173 879 du 13 novembre 1968 rappelée précédemment) , la baisse de la température de vapeur en aval de la 5 vanne d'étranglement 13 quand la charge passe de 100 % à 20 % a été réduite de 58° G à zéro. Le tableau 1 montre aussi l'effet de la diminution de la pression de vapeur avec la charge. La colonne 5» par comparaison avec la colonne 2, indique que, si la pression de vspeur est 10 approximativement pour une charge de 20 % la moitié de sa valeur pour la charge de 100 %, les températures de gas du réacteur donnant la température de vapeur en fonctionnaient normal en amont de la vanne d'étranglement 13, la chute de la température de vapeur en aval a été réduite de 58° G à 22° G approximative-15 ment. L'utilisation de variations dans les températures du gaz de réacteur et les pressions, semblables à celles des colonnes 3, 4 et 5 du tableau 1, peut convenir quand la dite centrale doit subir un grand nombre de grandes variations de puissance, par 20 exemple avec deux changements par jour quand la journée normale est divisée en trois périodes de . huit heures chacune et que pour deux de ces périodes la centrale doit fonctionner à 100 % de son régime continu maximal ou au voisinage tandis que pour la troisième elle doit fonctionner à 20 % de son régime continu maximal. 25 Une autre série de variations typiques des températures de la centrale quand elle fonctionne en suivant la charge est représentée au tableau 2 ci-dessous0 Le tableau 2 montre les variations de température à des charges de 100 % et 75 % en. fonctionnement normal (voir les colonnes 1 et 2) et les varia-30 tions de température quand la centrale est commandée selon la présente invention (voir les colonnes 3 et 4). Dans ce cas, on fait varier les températures du gaz de réacteur pour limiter la fatigue des éléments de combustible comme exposé avec plus de détails dans la demande de brevet français rappelée précédemment 35 et ces températures de gaz sont modifiées pour limiter la variation de la température de vapeur en aval de la vanne d'étranglement 13 de la turbine. La comparaison des colonnes 2 et 4 du tableau 2 indique qu'en augmentant de 23° G la température du gaz à l'entrée du réacteur, lors d'une baisse de charge, au lieu de la maintenir 40 6906807 2ÔÔ5218 constante, la "baisse de la température de la vapeur en aval de la vanne d'étranglement 13 de la turbine est réduite de 54-° G à 15° C. Tableau 2 Charge (% ECM) 10 C 15 Ç Température du gaz à la sortie du réacteur Température du gaz à ( l'entrée du réacteur 20 Température de vapeur en amont de la vanne d ' étranglement Température de vapeur en aval de la vanne d * étranglement Pression de vapeur en bars (absolue) 1 2 3 100 % 75 % 100 % 640° G 555° C 640° G 282° C 282° G 282° 0 538° G 493° G 538° G 536° G 482° G 536° G 166 166 166 4 75 % 555° 0 305° G 532° 0 521° G 166 25 La température à la sortie du réacteur indiquée au tableau 2 est choisie pour minimiser les cycles de déformations différentielles qui se présentent normalement sur les éléments de combustible. On remarquera que, bien que la forme d'exécution précé-30 dente ait été décrite en référence à tin réacteur évolué refroidi par gaz, on aurait pu décrire d'autres types de réacteurs refroidis par gaz. L'invention est aussi applicable en principe, soit en totalité, soit en partie, à des centrales utilisant des réacteurs refroidis par des agents de refroidissement autres que ^ des gaz. On remarquera encore que l'invention peut être utilisée avec d'autres procédés de commande suivant la charge» Des exemples typiques d'autres procédés de commande sont les suivants : 6906807 10 2005218 a) Des variations de la sortie de la centrale sont produites par variation du débit massique du gaz de réacteur au moyen de la soufflante de gaz 9, tandis que la pression de vapeur au générateur est commandée par la vanne d'étranglement 5 13 de la turbine principale et que la température du gaz à l'entrée du réacteur est commandée par la variation du débit de l'eau d'alimentation du générateur de vapeur au moyen de la vanne d'étranglement 17- b) Des variations de la sortie de la centrale sont pro-10 duites par la variation de la position de la vanne d'étranglement de la turbine principale, tandis que le débit massique du gaz à l'entrée du réacteur et la pression de -vapeur au générateur sont commandés par la variation du débit de 1'eau d'alimentation du générateur de vapeur. 15 c) Des variations de la sortie de la centrale sont produites par variation de la vanne d'étranglement de la turbine principale, tandis que la température du gaz à l'entrée du réacteur est commandée par la variation du débit d'eau d'alimentation du générateur de vapeur et que la pression de vapeur au 20 générateur est commandée par la variation, du débit massique de gaz du réacteur. d) La commande du débit d'eau d'alimentation du générateur de vapeur s'obtient au moyen d'un réseau convenable de mise en forme sur la vanne d'étranglement de l'eau d'alimentation. Cette 25 commande peut être accompagnée d'une commande pour limiter la chute de pression à travers la vanne d'étranglement de l'eau d'alimentation par variation de la vitesse de la pompe d'alimentation 6 du générateur de vapeur. Cette variante peut être utilisée avec toute autre variante de commande d'ensemble de la 30 centrale. e) La commande de débit massique du gaz de réacteur s'obtient par variation de la vitesse de la soufflante de gaz selon un réseau convenable de mise en forme. Cette variante peut encore être utilisée avec toute autre variante de commande 35 d'ensemble de la centrale. 6906807 11 2ÔÔ5218 EE7EHBI0ASI0IS. 1. Procédé pour la commande d'une centrale productrice d'énergie nucléaire, la dite centrale étant du type comprenant un réacteur nucléaire refroidi par fluide, un groupe générateur 5 de vapeur, une turbine à vapeur et line vanne d8étranglement pour commander la quantité de vapeur fournie à la dite turbine à vapeur, caractérisé par ceci que des variations de la sortie de puissance de la dite centrale sont amorcées comme demandé et qu'on fait varier la température du circuit de refroidissement du 10 réacteur et/ou la pression de vapeur en amont de la vanne d'étranglement en fonction des dites variations de la sortie de puissance de façon que la température de vapeur en aval de la vanne d'étranglement soit maintenue à .-l'intérieur de limites requises. 2# Procédé selon la revendication 1, le dit réacteur 15 nucléaire utilisant des éléments de combustible sous gaine et la température du circuit de l'agent de refroidissement du réacteur étant réglée pour commander la température de la vapeur en aval de la vanne d'étranglement, caractérisé de plus par ceci que la température du circuit de l'agent de refroidissement du réacteur 20 est modifiée pour maintenir à l'intérieur de limites requises les cycles de déformations différentielles qui seraient normalement induits dans les éléments de combustible par suite des dites variations de la sortie de puissance. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, 25 caractérisé de plus par ceci qu'on fait varier la température du circuit de l'agent de refroidissement du réacteur par réglage de la température du gaz à l'entrée et/ou à la sortie du réacteur dans le dit circuit. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 30 3, caractérisé de plus par ceci que les dites variations de la sortie de puissance sont amorcées par le réglage du débit de l'eau d'alimentation pour le réacteur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, la centrale d'énergie étant associée à un réseau 35 électrique d'interconnexion, caractérisé de plus par ceci que les dites variations de la sortie de puissance de la centrale sont amorcées en fonction de la demande de charge en provenance de ce réseau. 6906807 2ÔÔ5218 6. Centrale productrice d'énergie à réacteur nucléaire du type comprenant un réacteur nucléaire refroidi par fluide, un groupe générateur de Tapeur, une turbine à Tapeur et une Tanne d'étranglement pour commander la quantité de Tapeur fournie à 5 la dite turbine à Tapeur, caractérisée de plus par un système de commande adapté pour faire fonctionner la centrale selon l'une quelconque des reTendications précédentes.