Brevet FR2361604A1 — publié le 19780310

La présente invention concerne une installation de production de vapeur d'eau, et plus particulièrement une installation de production de vapeur d'eau qui est équipée d'un générateur de vapeur chauffé par un métal liquide, du type à calandre multitubulaire, qui convient particulièrement bien pour un réacteur surrégénérateur " rapide " ( à neutrons-rapides ). Lorsqu'on utilise un générateur,de vapeur à calandre multitubulaire, par exemple, pour produire de la vapeur d t eau dans un réacteur surrégénérateur rapide, par chauffage avec un métal liquide, ce métal liquide ( du sodium liquide, par exemple Y, de grande conductivité thermique, est introduit dans la calandre comme fluide chauffant, tandis que de l'eau est introduite dans des tubes en tant que fluide à chauffer, de telle sorte qu'il se produit un échange de chaleur entre le fluide chauffant et le fluide à chauffer, ce'qui donne naissance à de.la vapeur d'eau. Jusqu'à présent, c'est une pratique générale de régler le débit d'eau en fonction de la mesure de variables d'état de l'installation, depuis l'extérieur du générateur de vapeur, et notamment en fonction d'un signal d'une température de sortie de vapeur qui est ainsimesurée, pour régler les conditions de marche du générateur de vapeur. L'emploi pur et simple d'une installation de mesure externe pour régler les conditions de marche du générateur, présente cependant l'inconvénient suivant : l'état interne du générateur de vapeur, et notamment la répartition des températures qui y règnent, varie largement en fonction des variations de conditions de marche du générateur.Cela est particulièrement vrai dans le cas d'un réacteur surrégénérateur rapide, dans lequel un métal liquide de grande conductivité thermique ( sodium liquide, par exemple ) est utilisé comme milieu chauffant, si bien qu'une variation ou une fluctuation de la repartition des températures à l'intérieur du générateur de vapeur entraîne un important choc thermique sur les tubes et la calandre du générateur de vapeur, en empêchant ainsi son fonctionnement dans une région stable, et en ayant pour résultat une moins bonne possibilité' de réglage pendant le fonctionnement à faible charge. En conséquence, il n'est pas possible de parvenir au réglage voulu en n'agissant que r su; le débit du fluide à chauffer, en fonction d'un signal représentant la température de la vapeur d'eau à une sortie du générateur de vapeur exclusivement. C'est donc un objectif de la présente invention de procurer un générateur de vapeur qui est affranchi des inconvénients précités, en permettant une excellente possibilité de réglage. Selon la présente invention, il est procuré un générateur de vapeur à calandre multitubulaire dans lequel l'échange de chaleur se fait entre un fluide qui est introduit dans la calandre et un fluide qui est introduit dans les tubes, ce générateur comprenant : un moyen permettant de mesurer la température moyenne d'un fluide qui circule dans la calandre, ce moyen étant placé au moins dans la majeure partie d'une région dans laquelle l'échange de chaleur a lieu ; et un moyen permettant de régler les variables d'état de l'installation en fonction d'un signal représentant la température moyenne mesurée par le moyen mentionné en premier lieu. Par l'expression " variables d'état de l'installation ", telle qu'elle est utilisée ici, on entend le débit du fluide chauffant, le débit du fluide à chauffer, la pression de la vapeur d'eau du fluide chauffé à une sortie du générateur de vapeur, la température du fluide à chauffer à une entrée du générateur, etc. Dans le générateur de vapeur selon la présente invention, on mesure une température moyenne dans la majeure partie ou la totalité d'une région dans laquelle se fait l'échange de chaleur, puis on peut régler les variables d'état de l'installation en fonction d'un signal représentant la température moyenne ainsi mesurée, si bien que l'on peut effectivement empêcher un choc thermique d'affecter les éléments de construction du générateur de vapeur sous l'effet d'une variation ou d'une fluctuation de la répartition des températures qui règnent à l'intérieur du générateur de vapeur. On va maintenant décrire la présente invention plus en détail en se reportant aux planches de dessins annexées, sur lesquelles la figure 1 est une représentation graphique d-'une variation de la répartition des températures internes qui règnent dans le générateur de vapeur à chauffage par le sodium la figure 2 est une représentation graphique de la température moyenne du sodium dans un générateur de vapeur à chauffage par le sodium, en fonction du rapport du débit du sodium au débit de l'eau sous différentes charges thermiques la figure 3 est un schéma de fonctionnement représentant, en coupe, la partie essentielle d'une forme de réalisation de l'invention la figure 4 est un schéma de fonctionnement représentant, en coupe, la partie essentielle d'une autre forme de réalisation de l'invention ;; la figure 5 est un schéma de fonctionnement représentant, en coupe, la partie essentielle encore une autre forme dé réalisa- tion de l'invention; et la figure 6 est un schéma de fonctionnement représentant, en coupe, encore une autre forme de réalisation de l'invention. Les figures 1 et 2 représentent une variation de température ( en degrés C ) régnant à l1intérieur du générateur de vapeur sous l'effet d'une modification des conditions de marche d'un générateur de vapeur à chauffage par le sodium. La figure 1 représente la distribution des températures internes ( en ordonnées ), en cas de variations du rapport du débit de sodium au débit de l'eau, la température d'admission du sodium ( à droite ) et la température d'admission de 11 eau ( à gauche ) étant maintenues constantes. On a représenté en abscisses la distance ( en mètres ) entre l'entrée d'eau et l'entrée de sodium le long du tube de transmission de chaleur. La température du fluide est représentée en ordonnées ( en degrés C ) .Les traits pleins représentent les températures de la vapeur d'eau, et les traits interrompus les températures du sodium. Les lettres A et B correspondent respectivement aux cas dans lesquels les rapports du débit du sodium au débit de l'eau sont de 8 eut9, sous une charge thermique de 25%. Comme on peut le voir sur ces figures, même si la température au niveau de l'entrée de l'eau et au niveau de l'entrée du sodium est maintenue constante, si le rapport du débit du- sodium -au débit de l'eau passe de 8 à 9, il se produit une importante variation de la répartition des températures, indiquée par les lettres A et B. Sous l'effet d'un changement aussi radical de la répartition des températures, un choc thermique s'exerce sur les éléments de construction du générateur de vapeur, si bien quelle simple réglage des températures de sortie de l'eau et du sodium ne permet pas d'obtenir une possibilité de réglage stable. La figure 2 représente la température moyenne ( en abscisses, en degrés C ) du sodium dans différentes conditions de marche, en fonction du rapport du débit du sodium au débit de l'eau 1 en ordonnées ) d'une part, et de la charge thermique prise comme paramètre, d'autre part. Les lettres C, D et E correspondent respectivement à des charges de 75%, 50% et 25%. La région F représente une instabilité de débit du type " oscillations ", et la région G représente une instabilité de débit du type " à excursions Comme le montrent clairement les dessins, une variation de ces deux paramètres conduit à une modification de la température moyenne du sodium. Cependant, une variation marquée de température est observée pour un rapport de débits de 8 à 9 pour une faible charge thermique. Cela prouve qu'il risque de s'exercer un important choc thermique sur les éléments de construction du générateur de vapeur dans les conditions de marche sus-indiquées. On va maintenant décrire plusieurs formes de réalisation de l'invention en se reportant aux figures 3 à 6. La figure 3 représente un générateur de vapeur selon l'invention Ce générateur de vapeur (1) comporte une calandre cylindrique 2 et un certain nombre de tubes 3 de transmission de chaleur qui décrivent une spirale à l'intérieur de la calandre 2. Du sodium liquide servant de fluide chauffant arrive par une canalisation de sodium 6 qui se raccorde au sommet de la calandre 2 du générateur de vapeur 1 en vue d'échanger de la chaleur avec de l'eau qui passe dans les tubes 3 de transmission de chaleur, ce qui a pour effet d'abaisser la température du sodium. Puis, le sodium liquide sort par une canalisation de sodium qui se raccorde au fond de la calandre 2.D'autre part, de l'eau servant de fluide à chauffer est rnise sous pression par une pompe d'alimentation en eau ( non représentée ) puis son débit est réglé à la valeur voulue au moyen d'une vanne 8 de réglage de débit, avant qu'elle soit répartie uniformément dans les différents tubes 3 de transmission de chaleur par la canalisation 4 dialimentation en eau.L'eau qui a alimenté le générateur de vapeur 1 est soumise à un échange de chaleur, tandis quelle monte dans les tubes 3 de transmission de chaleur qui forment une spirale, et elle est ainsi préchauffée, portée a ébullition e surchauffée puis recueillie dans une canali- sation de vapeur d'eau 5; puis elle alimente une turbine à vapeur ( non représentée ) qui est reliée à autre bout de la canalisation de vapeur 5 La température de la vapeur surchauffée qui est fournie par le générateur de vapeur 1 à la turbine à vapeur est mesurée par un thermocouple 12 qui est placé sur la canalisation de vapeur 5. La température de la vapeur d'eau surchauffée qui doit alimenter la turbine & vapeur doit être maintenue dans des limites données.Ainsi, un signal représentant la température de la vapeur d'eau surchauffée qui a été mesurée par le thermocouple 12 est comparé à un signal 14 de fixation de température de vapeur, ce qui donne naissance à un signal de différence. Ce signal de différence est envoyé, par l'intermédiaire d'un circuit redresseur 10, dans la vanne 8 de réglage de débit, en tant que signal de commande, si bien que ce n'est que lorsque la température de la vapeur d'eau surchauffée est descendue en dessous d'une température donnée fixée par le signal 14 de fixation de température de la vapeur d'eau, que la vanne 8 de réglage du débit peut être réglée. En vertu de l'opération de réglage précite la température de la vapeur d'eau surchauffée peut être réglée dans des limites données définies par la température d'admission du sodium et par la température fixée pour la vapeur d'eau surchauffée. La température du sodium quoi passe dans la calandre 2 est mesurée au moyen de six thermocouples 11 qui sont équidistants et répartis le long du trajet suivi par le sodium. Puis, les mesures de température sont envoyées dans un calculateur 9 qui fournit une température moyenne du sodium. Un signal correspondant à la température moyenne ainsi calculée est alors comparé au signal 13 de fixation de température du sodium; si bien que l'ouverture. de la vanne 8 de réglage du débit de l'eau peut être réglée par le signal de différence ainsi obtenu. De la sorte, le réglage du débit d'eau se fait au moyen de deux signaux, à savoir un signal de différence pour la vapeur d'eau surchauffée à une sortie du générateur de vapeur, et un autre signal de différence pour la température moyenne du sodium à l'intérieur du générateur de vapeur 1. Cependant, le premier signal de différence n'est envoyé dans le circuit redresseur 10, en vue du réglage du débit, que lorsque le rapport du débit du sodium au débit de l'eau s'est trop abaissé, ce qui a eu pour effet d'abaisser la témpérature de la vapeur d'eau surchauffée. En conséquence, dans des conditions de marche normales, seul le second signal de différence est utilisé pour le réglage des débits. Avec le générateur de vapeur ainsi agencé, la température moyenne du sodium est constamment réglée à une valeur donnée, si bien que les principaux éléments de construction du générateur de vapeur, par exemple la calandre 2 et les tubes 3 de transmission de chaleur, sont préservés d'un choc thermique du a une variation de la température du sodium, et donc la solidité ou fiabilité du générateur de vapeur peut se conserver, même après le fonctionnement du générateur pendant longtemps.En outre, la température moyenne du sodium est maintenue constante, si bien qu'il est possible de prévenir complètement à l'avance l'instabilité de débit du type a à excursions " ( région G de la figure 2 ) que l'on rencontre avec les générateurs de vapeur dans une installation à boucles multiples, dans laquelle au moins deux générateurs de vapeur sont disposés en parallèle, ce qui a pour effet d'améliorer la stabilité de l'installation.Plus encore, même si une légère perturbation a lieu dans les débits d'alimentation en eau et en sodium, une variation marquée apparaît dans la température moyenne du sodium, si bien qu'il est possible d'obtenir un réglage extrêmement précis des conditions de marche, ce qui n'est pas le cas si l'on fait appel exclusivement à un réglage basé sur la mesure externe des variables d'état de l'installation du générateur de vapeur, par exemple température de sortie de la vapeur d'eau ou température de sortie du sodium. La figure 4 représente une autre forme de réalisation de l'invention. La différence entre les figures 3 et 4 est que le débit d'alimentation en eau est réglé en fonction de la température moyenne du sodium selon la figure 3, tandis que le débit du sodium est réglé en fonction d'un signal de différence correspondant à une température moyenne du sodium selon la figure 4. En d'autres termes, selon cette forme de réalisation, il est prévu un échangeur de chaleur intermédiaire 20 en plus du générateur de vapeur 1. Cet échangeur 20 comporte une calandre 21 et un certain nombre de tubes rectilignes 22 de transmission de chaleur, dont les extrémités supérieures respectives sont raccordées à une plaque tubulaire 23, et dont les extrémités inférieures respectives sont raccordées à une autre plaque tubulaire 24. Dans cette forme de réalisation, le sodium qui a complétement échangé sa chaleur à-l'intérieur du générateur de vapeur 1 est mis sous pression par une pompe 27 installée sur une canalisation de sodium 7, puis est introduit dans l'échangeur de chaleur intermédiaire 20. Le sodium qui est ainsi introduit dans l'échangeur de chaleur intermédiaire 20 ( on l'appellera ci-après " sodium secondaire ") monte dans les tubes 22 de transmission de chaleur en vue d'échanger sa chaleur avec le sodium qui passe dans la calandre 21 ( on appellera ce dernier " sodium primaire " ), si bien que la température du sodium second.aire augmente, et ce sodium réalimente le générateur de vapeur 1 par une canalisation de sodium 6. D'autre part, le sodium primaire qui sert de fluide chauffant est chauffé dans un réacteur surrégénérateur rapide (non représenté), puis alimente, par une canalisation de sodium 25, l'échangeur de chaleur intermédiaire 20 en vue d'un échange de chaleur, si bien que la température du sodium primaire s'abaisse, ce sodium primaire étant renvoyé dans le réacteur précité par la canalisation de sodium 26. On peut régler le débit du sodium secondaire en réglant la vitesse de rotation d'une pompe centrifuge 27. On procède à ce dernier réglage de débit de manière à annuler une différence entre le signal de température moyenne du sodium à l'intérieur du générateur de vapeur, résultant des mesures effectuées par le thermomètre Il puis traitées par le calculateur 9, d'une part, et le signal 13 de fixation de la température du sodium, d'autre part. Le réglage du débit du sodium de la manière indiquée dans cette forme de réalisation peut conduire aux mêmes résultats que ceux obtenus dans la forme de réalisation précédente. En a d'autres termes, il n'y a aucun risque de production d'un choc thermique, et la solidité d'un générateur peut être assurée ou améliorée. En outre, l'instabilité de débit " à excursions " est évitée, et la stabilité peut être améliorée. Plus encore, il est possible d'obtenir un réglage extrêmement précis des conditions de marche, ce qui n'est pas le cas avec le réglage pur et simple des variables d'état de l'installation mesurées depuis l'extérieur du générateur de -vapeur. La figure 5 représente encore une autre forme de réalisation de l'invention, qui est similaire à celle de la figure 3 sauf en ce qui concerne le moyen de mesure de la température moyenne du fluide chauffant, lequel est placé dans la majeure partie ou la totalité de la région dans laquelle a lieu l'échange de chaleur, comme le montre la figure 3. Plus précisément, selon cette forme de réalisation, l'opération dans laquelle les signaux des températures mesurées par six thermocouples 11 sont délivrés au calculateur 9 qui est destiné à calculer la température moyenne du sodium, est prise en charge par un thermomètre 30 à fil résistant et par un circuit amplificateur 32. Le thermomètre 30 à fil résistant comporte un fil résistant 31 qui court à l'intérieur de la calandre d'un générateur de vapeur 1 le long des tubes de transmission de chaleur, et qui est incorporé à un circuit-pont .On utilise un fil de tungstène comme fil résistant 31. Ce fil de tungstène est loge dans une gaine en acier inoxydable, de l'alumine en poudre occupant l'espace compris entre la gaine et le fil de tungstène, pour l'isolation électrique. Le moyen de mesure de température qui fait partie de ce dispositif rend superflu l'emploi du calculateur, et permet la mesure directe d'une température moyenne du sodium au moyen d'un thermomètre de signalisation. Cela améliore la précision des mesures et augmente la fiabilité du réglage. La figure 6 représente encore une autre forme de réalisation de l'invention, qui est similaire à celle de la figure 4 sauf en ce qui concerne l'emploi d'un thermomètre 30 à fil résistant et d'un circuit amplificateur 32 selon la figure 5, pour mesurer la température moyenne d'un fluide chauffant, ce thermomètre étant placé dans la majeure partie ou la totalité d'unie région dans laquelle a lieu l'échange de chaleur. Dans cette forme de réalisation également, on peut aussi bien obtenir les avantages obtenus avec les formes de réalisation précédentes. Comme le montre la description précédente, les générateurs de vapeur décrits comme formes de réalisation de l'invention préviennent un choc thermique dû à une variation de charge, en agrandissant ainsi la région de fonctionnement stable et en permettant un fonc bonnement sous une-charge extrêmement faible ( 10% environ résultant de la disparition d'une source d'énergie, ce qui s'accompagne d'une amélioration du réglage pendant la marche normale. Bien que l'on ait décrit l'invention sous la forme d'un générateur de vapeur à utiliser dans un réacteur surrégénérateus" rapide, la présente invention s'applique tout aussi bien à un réacteur à eau sous pression, dans lequel un fluide chauffant est introduit dans des tubes, tandis qugun fluide à chauffer est introduit dans une calandre. Dans ce dernier cas, on mesure la température moyenne du fluide à chauffer qui passe dans la calandre, pour régler les variables d'état de l'installation, ce qui permet de bien régler les conditions de marche du générateur de vapeur. Comme le montre clairement la description qui précède, le générateur de vapeur selon l'invention est réglée en fonction de la mesure de la température moyenne d'un fluide chauffant qui passe dans la calandre, ou bien d'un fluide à chauffeur, ce qui permet d'améliorer les possibilités de réglage pendant la marche du générateur, et procure donc des avantages industriels. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur à calandre multitubulaire, dans lequel l'échange de chaleur se fait entre un fluide introduit dans la calandre et un fluide introduit dans les tubes, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen placé au moins dans la majeure partie d'une région dans laquelle a lieu ledit échange de chaleur, pour mesurer une température moyenne du fluide introduit dans ladite calandre , et un moyen servant à régler les variables d'état de l'installation en fonction d'un signal qui représente la température moyenne ainsi mesurée par ledit moyen mentionné en premier lieu. 2. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fluide qui est introduit dans ladite calandre est un fluide chauffant, et ledit fluide introduit dans lesdits tubes est un fluide à chauffer. 3. Générateur de vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen de réglage est un moyen qui permet de régler le débit dudit fluide à chauffer. 4. Générateur de vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen de réglage est un moyen qui permet de régler le débit dudit fluide chauffant. 5. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit fluide chauffant est le sodium et ledit fluide à chauffer est l'eau. 6. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit moyen qui sert à mesurer ladite température moyenne comporte au moins deux moyens de mesure de température qui sont placés au moins dans la majeure partie d'une région dans laquelle a lieu l'échange de chaleur, et qui sont disposés à une certaine distance l'un de l'autre. 7. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit moyen de mesure de ladite température moyenne comporteun moyen servant à mesurer la résistance électrique d'éléments de mesure qui sont disposés au moins le long de la majeure partie d'une région dans laquelle a lieu l'echan- ge de chaleur.