Brevet FR2353017A1 — publié le 19771223

La présente invention concerne les appareils d'échange athermique, et notamment les générateurs de vapeur pour les installations thermiques de force. L'invention peut & re appliquée avec une efficacité maximale aux générateurs de vapeur à circulation forcée du fluide (vapeur) pour les installations à turbines à vapeur ou à gaz d'une puissance de 300 MW et audessus. On connait des générateurs de vapeur (voir par exemple le certificat d'auteur d'invention de l'Union des républiques socialistes soviétiques na 166.928) dans lesquels des écrans adaptés pour la circulation du fluide forment un foyer et un conduit de gaz replié avec une chambre de refroidissement partiel des gaz chauds, raccordés entre eux, la chambre de refroidissement partiel étant partagée par des écrans en sections paral luies entre elles Dans de tels générateurs de vapeur, les écrans sont réalisés entièrement soudés, en tubes destinés à la circulation du fluide, en l'occurrence > la vapeur.Le foyer est une chambre de combustion a régime très poussé, du type à vortex et qui est réalisée dlun seul bloc avec la chambre de refroidissement partiel des gaz chauds sus-jacente, constituant une partie du conduit de gaz et dont les parois sont constituées par des écrans de configurations diverses. Les parois antérieure et postérieure de l'ensemble chambre de combustion et chambre de refroidissement partiel, sont constituées par des écrans cintrés dans le plan vertical et ayant une configuration compliquée. Les parois latérales de l'ensemble chambre de combustion et chambre de refroidissement partiel sont constituées par des écrans plats, ayant un contour identique à la configuration des parois antérieure et postérieure. En outre, auprès de la paroi postérieure de la chambre de refroidissement partiel, parallèlement à ses parois latérales, sont montés des écrans à deux ouvertures, à raison de quatre écrans par section, ayant chacun une largeur égale au 1/4 de la largeur de la paroi latérale de la chambre. A ctté de la chambre de refroidissement partiel est disposé le reste du conduit de gaz, constitué par une gaine avec une cloison verti cale 8-l'intérieur, La La gaine est formée par des écrans de quatre types, cintrés de-manière différente Les écrans du premier type constituent la paroi antérieure de la gaine, faisant face à la chambre de refroidissement partiel. Les écrans du second type constituent les parois latérales , les écrans du troisième type constituent la paroi postérieure, et les écrans du quatrième type plats constituent la cloison. Ladite cloison est montée parallèlement b la paroi antérieure et partage l'espace intérieur de la gaine en deux enceintes verticales, raccordées entre elles par une ouverture ménagée dans la partie inférieure de la cloison.L'enceinte, délimitée par la cloison et la paroi antérieure de la gaine, est mise en communication, à sa partie supérieure, avec la chambre de refroidissement partiel. De la sorte, les gaz chauds venant du foyer doivent, pour parcourir le conduit de gaz, suivre une voie en zigzag leur assurant des changements multiples de direction. La chambre de refroidissement partiel des gaz chauds du conduit de gaz et sa voie en zigzag sont raccordées entre elles par un passage transversa, constitué par deux écrans pliés en L. Ces écrans sont rigidement fixés par un bout à la partie supérieure de la paroi postérieure de la chambre de refroidissement, et par l'autre bout à la partie supérieure de la paroi antérieure de la gaine. Dans ces parois, aux endroits où est fixé ledit passage, des fentes sont ménagées entre les tubes pour les gaz chauds allant de la chambre de refroidissement partiel à la voie en zigzag par le passage transversal. A l'intérieur de chacune des enceintes indiquées du conduit de gaz sont disposées les surfaces de chauffe par convection. Au-dessus de chacune desdites enceintes sont placées deux gaines en tôle, l'une pour assurer l'étanchéité des enceintes de la voie en zigzag, et l'autre pour évacuer les gaz chauds du conduit de gaz. Dans le générateur de vapeur décrit, tous les écrans constitutifs sont disposés de façon que les tubes de chacun d'eux soient en fait orientés dans la direction du cheminement des gaz chauds. Dans un tel générateur de vapeur tous les écrans constituant le foyer les surfaces de chauffe par convection et le conduit de gaz replié sont suspendus à une charpente réalisée en laminés à section profilée et se présentant sous la forme d'une structure compliquée et encombrante. En outre, pour assurer la rigidité de toute la structure du générateur de vapeur, on prévoit des ceintures dites de rigidité, qui sont constituées par des poutrelles en laminés à section profilée entourant le foyer et le conduit de gaz replié à différents niveaux. Toutefois, la diversité nécessaire de la configuration des écrans constituant le générateur de vapeur rend difficile l'unification des écrans et, par conséquent, complique la méthode de montage du générateur de vapeur. En outre, dans un tel générateur de vapeur il se forme des zones d'accès difficile,dont la présence complique l'exploitation du générateur de vapeur. La construction d'un tel générateur de vapeur requiert de grandes dépenses de métal. Parmi les autres inconvénients des générateurs de vapeur connus, il convient de citer que les écrans sont disposés de sorte que les tubes parcourus par le fluide sont orientés dans la direction du cheminement des gaz chauds. Ceci crée des conditions dans lesquelles chaque écran a une température différente de celle des autres. Etant donné que les enceintes du conduit de gaz sont constituées par des écrans différents, les portions où ceux-ci sont réunis n'ont qu'une faible résistance, ce qui rend le génd- rateur de vapeur insuffisa;;,ent fiable. En outre, l'utilisation d'écrans de types différents implique la diversité des suspensions pour leur fixation à la charpente, ce qui complique l'obtention de l'étanchéité aux endroits où ces suspensions traversent les gaines situées au-dessus des enceintes du conduit de gaz. Une telle solution constructive pour la fixation de toute la structure du générateur de vapeur entraine une augmentation notable de la quantité de métal à mettre en oeuvre dans les structures porteuses et fait surgir d'importantes difficultés lors du montage, de l'exploitation et des réparations du générateur de vapeur. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués. On s'est proposé de créer un générateur de vapeur pour installation thermique de force, avec un conduit de gaz de conception telle qu'il permette une large utilisation d'écrans unifiés tout en assurant une rigidité et une fiabilité suffisantes de toute la structure du générateur de vapeur et un abaissement notable de la quantité de métal à mettre en oeuvre. La solution consiste en ungénérateur de vapeur pour installation thermique de force, dans lequel des écrans adaptés pour la circulation du fluide forment un foyer et un conduit de gaz replié avec une chambre de refroidissement partiel des gaz chauds, raccordés entre eux, la chambre de refroidissement partiel des gaz étant partagée en sections parallèles entre elles, ce nouveau générateur étant caractérisé en ce que tout le conduit de gaz est constitué par ded écrans composites en hauteur et cintrés dans le plan horizontal, chaque partie composite de chacun de ces écrans ayant un nombre différent de cintrages, les écrans voisins étant assemblés l'un à l'autre par les sommets de ces cintrages, ce qui permet de former les sections du conduit de gaz en commun avec lesdites sections de la chambre de refroidissement partiel. De la sorte, le conduit de gaz, fractionné en sections, présente un grand avantage comparativement au conduit de gaz des générateurs de vapeur connus. Ce système de sections, rigidement assemblées entre elles, constitue la partie essentielle de la structure du générateur de vapeur, qui est douée d'une grande rigidité et d'une grande portance. Une telle structure ne nécessite ni charpente encombrante et demandant une grande quantité de métal pour sa rfialisation, ni ceintures de rigidité, ni suspension pour la fixation des écrans à la charpente, ce qui allège notablement le montage, l'exploitation et les réparations du générateur de vapeur tout en abaissant la quantité de métal à mettre en oeuvre. En outre, cette solution donne la possibilité de monter des générateurs de vapeur de différentes puissances avec les mêmes éléments normalisés. Une telle conception du générateur de vapeur permet d'avoir une surface de chauffe, par mètre de hauteur du conduit de gaz, bien plus grande que dans les générateurs de vapeur connus de type similaire. il est avantageux que chaque partie constitutive de chacun des écrans soit réalisée entièrement soudée, en tubes superposés et parallèles entre eux, et qu'elle soit disposée de façon que les tubes y soient orientés dans une direction qui est en fait perpendiculaire à la direction du cheminement des gaz chauds. Grace 9 une telle solution, les tubes des écrans sont léchés par les gaz chauds dans la direction transversale, ce qui intensifie l'échange thermique entre les gaz chauds et le fluide circulant dans les tubes. Il devient ainsi possible d'accroitre le rendement de l'unité de surface dwéchange thermique du générateur, ce qui se traduit par une diminution de son encombrement comparativement aux générateurs de vapeur connus de méme puissance et de type similaire. Il est avantageux aussi que chaque partie constitutive de chaque écran ait au moins deux collecteurs d'entrée et deux collecteurs de sortie, à chacun desquels les tubes de cette partie constitutive de l'écran sont connectés de façon que dans les tubes successifs le fluide circule dans des sens contraires. Une telle solution permet d'assurer une distribution uniforme de la teapérature du fluide dans les limites de chacune des parties constitutives de llécran. En outre, cet agencement permet d'avoir une différence de température minimale entre les parties constitutives voisines de chaque écran, ce qui crée des conditions favorables à leurs raccordements, et par conséquent, assure la fiabilité du générateur de vapeur. De la sorte, le générateur de vapeur faisant l'objet de l'invention, comparativement à ceux connus est réalisé avec des écrans unifiés, est de montage et d'utilisation simples, tout en présentant une rigidité de structure et une fiabilité suffisantes. On donne dans la suite la description détaillée de l'une des réalisations possibles de l'invention, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un générateur de vapeur pour installation thermique de force (coupe longitudinale), conforme à l'invention; - la figure 2 représente la coupe II-II de la figure 1; - la figure 3 représente schématiquement la partie constitutive supérieure de l'un des écrans (vue en plan à une échelle plus grande); - la figure 4 représente schématiquement la partie constitutive intermédiaire de l'un des écrans (vue en plan à une échelle plus grande); - la figure 5 représente schématiquement la partie constitutive inférieure de l'un des écrans (vue en plan à une échelle plus grande);; - la figure 6 est une vue en élévation avant de l'écran de la figure 5; - la figure 7 représente le détail D de la figure 1 ( une échelle plus grande); - la figure 8 représente le détail C de la figure 2 ( une échelle plus grande); - la figure 9 représente le détail E de la figure 8 (à une échelle plus grande); - la figure 10 est une vue analogue à la figure 9 d'une variante de réalisation du détail E de la figure 9 (a une échelle plus grande); - la figure 11 représente schématiquement un générateur de vapeur jumelé, selon une première réalisation; - la figure 12 représente une variante de réalisation du générateur de vapeur jumelé. Le générateur de vapeur pour installation thermique de force est monté sur une infrastructure 1 (figure 1) soudée, réalisée en laminé à section de forme. Le générateur de vapeur comprend un foyer 2 et un conduit de gaz 3 replié et communiquant avec le foyer 2. La partie du conduit de gaz 3 qui est attenante au foyer 2 constitue la chambre 4 de refroidissement partiel des gaz chauds. Le foyer 2 est situé au-dessous de la chambre 4 de refroidissement partiel du conduit de gaz 3, et se présente sous la forme d'une chambre de combustion à régime très poussé du type a vortex. I1 peJt être de n'importe quelle conception connue convenant à l'objectif donné. Le conduit de gaz 3 replié est constitué par des écrans 5 composites en hauteur et cintrés dans le plan horizontal. Ces écrans 5 sont cintrés de façon à former dans la chambre 4 de refroidissement partiel des sections A (figure 2), et dans le reste du conduit de gaz 3 replié, des sections B. Chaque section A est mise en communication avec l'une des sections B, ce qui fait que l'on obtent, dans le conduit de gaz 3 replié, des voies 6 en zigzag parallèles entre elles avec des enceintes verticales 6a 6b et 6c dans lesquelles passent les gaz chauds dégagés dans le forer 2 (figure 1) (-le sens de circulation des gaz chauds est montré par des flèches). Chacun des écrans 5 est composé suivant la hauteur par trois parties constitutives : une partie supérieure 7, une partie intermédiaire 8 et une partie inférieure 9. Chaque écran peut avoir plusieurs parties intermédiaires 8, mais leur nombre est égal dans chacun des écrans 5. Chacune des parties constitutives 7, 8, 9 est un panneau entièrement soudé, en tubes disposés parallèlement entre eux en une rangée dans le plan du dessin (figures 3 à 5). Chaque panneau 7, 8, 9 comporte un nombre différent de cintrages. Ainsi, le panneau supérieur 7 (figure 3) a trois cintrages, en section transversale selon le plan du dessin, réalisés de façon que les portions 10 à 12 forment un creux a, et les portions 12, 13, une saillie ouverte b. Le panneau intermédiaire 8 (figure 4) a sept cintrages selon le plan du dessin, exécutés de façon que les portions 14 à 16 forment un creux c, les portions 16 à 18, une saillie d, les portions 18 à 20, un creux e, les portions 20, 21, une saillie ouverte f. Le panneau inférieur 9 (figure 5) a cinq cintrages dans le plan du dessin, exécutés de façon que les portions 22 à 24 forment un creux les portions 24 à 26, une saillie h, les portions 26, 27, un creux ouvert k. La largeur du creux a du panneau supérieur 7 (figure 3) est égale a la sonne des largeurs du creux c et de la saillie d du panneau intermédiaire 8 (figure 4), aussi les panneaux 7 et 8 > une fois assemblés, forment le passage m (figure 1) reliant la chambre 4 de refroidissement partiel à l'enceinte 6a de la voie en zigzag 6. La largeur de la saillie partielle b du panneau supérieur 7 (figure 3) est égale à la sonne des largeurs du creux e et de la saillie partielle f du panneau intermédiaire 8 (figure 4), aussi, les panneaux 7 et 8, une fois assemblés, forment-ils le passage n (figure 1) reliant les enceintes 6b et 6c de la voie en zigzag 6. La largeur du creux c du panneau intermédiaire 8 (figure 4) est égale à la largeur du creux s du panneau inférieur 9 (figure 5). La sonne des largeurs de la saillie d et du creux e du panneau intermédiaire 8 (figure 4) est égale à la largeur de la saillie h du panneau inférieur 9 (figure 5), aussi une fois assemblés, les panneaux 8 et 9 forment-ils le passage p (figure 1) qui relie les enceintes 6a et 6b de la voie 6 en zigzag de chacune des sections B. Quand les trois panneaux décrits, 7 à 9 (figures 3 à 5) sont assemblés - leurs creux a (une partie), c et g forment trois côtés de la section A (figure 2) de la chambre 4 de refroidissement partiel; - une partie de leur creux a (figures 3 à 5), leur saillie d et une partie de leur saillie h forment l'enceinte 6a (figure 1) de la voie 6 en zigzag de chaque section B; - une partie de leur saillie ouverte b (figures 3 à & 5), leur creux e et une partie de leur saillie h forment l'enceinte 6b (figure 1) de la voie 6 en zigzag de chaque section B. - une partie de leur saillie ouverte b (figures 3 5), leur saillie partielle f et leur creux ouvert k forment l'enceinte 6c (figure 1) de la voie 6 en zigzag de chaque section B. Les enceintes 6a 6b et 6c, ainsi formées de chacune des sections B et de la section A qui lui est reliée, sont limitées par un écran 5 de trois cbtés. Le quatrième caté desdites sections est constitué par les écrans 5 voisins, lorsque les sommets des cintrages des panneaux respectifs 7, 8 et 9 de ces écrans sont réunis. Les quatrièmesc8tés des enceintes des sections extrêmes A et B sont constitués par des écrans plats 28 (figure 2). L'assemblage des panneaux 7 9 (figure 8) des ecrans 5 par les sommets des cintrages peut être réalisé de deux manières : la première (figure 9) consiste à placer un plat d'assemblage 29 à revêtement calorifuge S: la seconde (figure 10) consiste à placer un tube 30 dans lequel le fluide circulera pour égaliser les températures des éléments de l'assemblage. Dans ces deux réalisations d'assemblage, sur chaque panneau est rapportée une nervure 31, soudée sur champ, suivant la génératrice de chacun de ses cintrages, et située dans un plan qui est en fait perpendiculaire à la tangente au sommet du cintrage (dans le plan du dessin). Dans la première réalisation (figure 9), les plats 31 des sommets contigus des cintrages sont réunis entre eux par un plat d'assemblage 29 placé entre eux et soudé. L'assemblage des sommets des cintrages est recouvert d'un enduit calorifuge S. Dans la seconde réalisation (figure 10), les plats 31 des sommets contigus des cintrages sont réunis entre eux par un tube 30, qui comporte deux ailettes longitudinales diamétralement opposées. Chacune de ces ailettes est soudée suivant la longueur en plat 31 respectif, comme montré à la figure 10. Les sections A et B sont recouvertes à la partie supérieure et a la partie inférieure par des écrans plats, 32 et 33 (figure 1) respectivement. La paroi postérieure du conduit 3 de gaz replié est constituée par un écran plat 34 et a une sortie L pour les gaz chauds. Les écrans 5 sont disposés de façon que les tubes de chacun de leurs panneaux 7, 8, 9 soient orientés dans une direction qui est en fait perpendiculaire 9 la direction du cheminement des gaz chauds. Chacun des panneaux 7, 8, 9 (figure 6) de l'écrans comporte deux collecteurs d'entrée 35 et deux collecteurs de sortie 36. Chacun des tubes des panneaux 7, 8, 9 est connecté par un bout a un collecteur d'entrée 35, et par l'autre bout à un collecteur de sortie 36. Les connexions sont exécutées de façon que les bouts de même nom de deux tubes successifs soient connectés à des collecteurs de noms contraires. De la sorte, dans deux tubes successifs la circulation du fluide s'effectue dans des sens contraires. Les collecteurs de sortie (non représentés) des écrans Sa formant le foyer 2 (figure 1) sont raccordés d'une manière connue, par l'intermédiaire d'un mélangeur (non représenté) aux collecteurs d'entrée 35 des panneaux 9 et de l'écran 33. Les collecteurs de sortie 36 des panneaux 9 et de l'écran 33 sont raccordés aux collecteurs d'entrée 35 des panneaux 8. Les collecteurs de sortie 36 des panneaux 8 sont raccordes aux collecteurs d'entrée 35 des panneaux 7. Les collecteurs de sortie 36 des panneaux 7 sont raccordés aux collecteurs d'entrée 37 (figure 7) de l'écran 32. Les collecteurs de sortie 37 de l'écran 32 sont raccordés d'une manière connue aux collecteurs d'entrée (non représentés) des surfaces de chauffe par convection 38 (figure 1), qui sont disposées dans les enceintes 6a, 6b et 6c et sont raccordées à différents étages de la turbine (non représentée). Pour accroitre la puissance de l'installation thermique de force et assurer une disposition optimale du générateur de vapeur avec le reste de l'équipement de l'installation, on peut recourir au jumelage des générateurs de vapeur. la disposition jumelée des générateurs de vapeur peut être réalisée de deux manières. La première réalisation (figure 11) est à foyers 2 rapproches. Les sorties L pour les gaz chauds sont dirigées dans des sens opposés. Le sens de circulation des gaz chauds dans la voie 6 en zigzag est montré par des flèches. La seconde réalisation (figure 12) est à foyers 2 écartés. Les écrans 5, dans cette réalisation de générateur de vapeur, ont une longueur double de celle des ecrans 5 dans le générateur de vapeur conforme à l'inventison, décrit plus haut, et forment simultanément deux conduits 3 de gaz à sortie commune L pour les gaz chauds. Le générateur de vapeur pour installation thermique de force fonctionne de la façon suivante. Les tubes de tous les écrans 5 et Sa sont remplis de fluide - en l'occurrence de l'eau - à travers les collecteurs d'entrée 35, par un procédé connu. Le combustible et l'air sont admis dans le foyer 2 (figure 1) et les torches sont allumées. Les gaz chauds, à température de 1400 å 16000C,entrent dans les sections A de la chambre 4 de refroidissement partiel, où s'effectue l'échange thermique entre les gaz chauds et le fluide moteur circulant dans les tubes des écrans 5. Au fur et a mesure que la température du fluide moteur monte, la pression croit dans les tubes des écrans 5 et 5a. La circulation du fluide moteur s'établit. L'eau sortant des tubes des écrans 5a, constituant le foyer 2, passe aux tubes des écrans 5r constituant le conduit 3 de gaz. Dans les tubes du panneau inférieur 9 l'eau se vaporise partiellement et, dans les tubes des panneaux 8 et 7, l'eau se transforme complètement en vapeur. Ensuite, le fluide moteur (vapeur) va aux tubes du panneau 32. Dans les sections A de la chambre-4 de refroidissement partiel les gaz chauds se refroidissent partiellement, à une température de 1000 à 11000C. Cela est nécessaire pour créer des conditions optimales de fonctionnement des surfaces de chauffe par convection 38, disposées dans les enceintes 6a de la voie 6 en zigzag de chaque section B. Les gaz chauds arrivent à ces enceintes 6a par les passages m les reliant aux sections A de la chambre 4 de refroidissement partiel. Dans ces enceintes, la vapeur arrivant des tubesdu panneau 32 est surchauffée jusqu'à la température a laquelle elle est admise une turbine.La vapeur partiellement détendue dans la turbine parcourt successivement les surfaces å convection 38, disposées dans les enceintes 6c et 6b de chaque voie 6 en zigzag. Dans ces surfaces la vapeur est surchauffée jusqu'a la température prescrite, puis est retournée à la turbine. Les gaz issus de l'enceinte 6a sont transmis par le passage P à l'enceinte 6b, dfoù le passage n les transmet à l'enceinte 6% puis à travers la sortie L > ils vont aux surfaces de chauffe non liées au générateur de vapeur considéré. 11 est à noter que l'échange thermique entre les gaz chauds et le fluide moteur circulant dans les écrans 5 s'effectue par balayage transversal des tubes de ces écrans par les gaz chauds qui circulent à une plus grande vitesse, surtout dans les enceintes 6a 6b et 6c. Le cycle de vaporisation se déroule en continu. REVENDICATIONS 1 Générateur de vapeur pour installation thermique de force, dans lequel des écrans, adaptés pour la circulation du fluide, forment un foyer et un conduit de gaz replié avec une chambre de refroidissement partiel des gaz chauds, raccordés entre eux, la chambre de refroidissement partiel des gaz chauds étant partagéé en sections parallèles entre elles, ce générateur étant caractérisé en ce que tout le conduit de gaz est constitué par des écrans composites en hauteur et cintrés dans le plan horizontal, chaque partie composite de chacun de ces écrans ayant un nombre différent de cintrages, les écrans voisins étant assemblés l'un à l'autre par les sommets de ces cintrages, ce qui permet de former les sections du conduit de gaz en commun avec lesdites sections de la chambre de refroidissement partiel. 2. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque partie constitutive de chacun des écrans est réalisée entiere- ment soudée, en tubes superposés et parallèles entre eux, et est disposée de façon que les tubes y soient orientés dans une direction qui est en fait perpendiculaire à la direction du cheminement des gaz chauds. 3. Générateur de vapeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce Sue chaque partie constitutive de chacun des écrans comporte au moins deux collecteurs d'entrée et deux collecteurs de sortie, à chacun desquels les tubes de cette partie constitutive d'écran sont connectés de façon que dans les tubes successifs le fluide circule dans des sens contraires.