Brevet FR2401380A1 — publié le 19790323

L'invention se rapporte à un générateur de vapeur à circulation forcée, fonctionnant de préférence en mode à variation de pression et comprenant une arrivée d'eau d'alimentation, un économiseur, un évaporateur, un séparateur d'eau et un surchauffeur montés en série, un premier organe de mesure de la température étant monté dans une pre mière partie du surchauffeur à la fin duquel se trouve un second organe de mesure de la temperature et au moins un dispositif d'injection se trouvant entre ces deux organes. Il peut être avantageux du point de vue thermique ainsi que du point de vue de la régulation de faire marcher à sec le séparateur d'une installation de ce type fonctionnant en mode à variation de pression lorsque la charge monte au-delà d'un seuil déterminé, c'est-à-dire au-delà de la charge jusqu'à laquelle de lteau circule par l'évaporateur et le séparateur afin de garantir un flux suffisant de fluide travail dans l'évaporateur. L'expérience a toutefois montré qu'en cas de perturbations dans la régulation des installations ainsi conçues, de l'eaal peut aussi parvenir dans le séparateur lorsque la charge est supérieure au seuil mentionné. Le prélèvement de l'eau sur le circuit, par exemple par évacuation du séparateur ou par accumulation dans ce dernier, provoque sur les surfaces de chauffe qui font suite à l'évaporateur des instabilités qui peuvent être la cause de perturbations secondaires dans la régulation. L'invention a pour objet un générateur de vapeur conçu de manière à éviter avec sécurité ces perturbations secondaires de régulation. Selon une particularité essentielle de l'invention, au moins le premier dispositif d'injection est raccordé à une canalisation qui est dérivée en formant un embranchement sur le circuit du génerateur de vapeur entre ltéconomiseur et 11évaporateur et un régulateur commande le débit d'eau dirigé sur ltévaporateur en répondant à une valeur réelle qui est le signal émis par le premier organe de mesure de la température ee a une consigne consistant dans un signal qui est fonction de la charge. Ainsi, la température est réglée à la sortie de ltéva- porateur, au-delà dudit seuil de charge, par réduction de l'arrivée d'eau dans cet évaporateur à une valeur voulue predéterminée, qui est fonction de la charge, sans pour autant que la circulation ne soit plus faible que généralement dans l'économiseur ou qu'il n'en résulte d'autres inconvénients notables. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins schématiques annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels les figures 1, 3, 4, 5 et 6 sont des schémas de cinq exemples de réalisation ; et la figure 2est un graphique explicatif. La figure 1 représente une chaudière comprenant en série une pompe d'alimentation 1, une canalisation 2 sur laquelle est monté un débit-mètre 3 un économiseur 4, une canalisation de liaison 5, un évaporateur 6, un séparateur d'eau 7, une canalisation de liaison 5 sur laquelle est monté un organe de mesure de température 9, une première section de surchauffe 10, une canalisation de liaison il sur laquelle est monté un dispositif d'injection 12, une seconde section de surchauffe 13, une canalisation de liaison 14 sur laquelle est monté un dispositif d'injection t5 en amont et en aval duquel est monté un capteur 16 de la différence de température ss J de part et d'autre du point d'injection et, de plus,. un organe de mesure de température 17 monté en aval, une section finale de surchauffe 18, une canalisation 19 de vapeur vive sur laquelle est monté un appareil de mesure de température 20, un manomètre 2t, une vanne 22 d'admission de la vapeur vive et une turbine 23 ainsi qu'une génératrice 24 montés sur le même arbre. Une canalisation d'injection d'eau 25 dérivée sur la canalisation de liaison 5 forme en 26 un embranchement à des première et seconde canalisations d'injection 27 et 28. Une vanne 30 est montée sur la canalisation 27 qui débouche sur le dispositif d'injection 12 et un débit-mètre 32 ainsi qu'une vanne de réglage 33 sont montés sur la canalisation 28 qui débouche dans le dispositif d'injection 15. Un brûleur 35 monté à proximité de l'évaporateur 6 est alimenté en combustible par une canalisation 37 sur laquelle est montée une vanne de réglage 36. Une régulation extérieure à la chaudière part d'une ligne 40 de transmission d'une consigne donnée de puissance aboutissant à un comparateur 41 qui détermine la différence avec un signal de valeur réelle délivré par un appareil de mesure de puissance 42. Une ligne 44 dirige cette différence sur un régulateur 45 de commande de la vanne 22 d'admission de vapeur vive. Un signal proportionnel à la consigne est prélevé en 46 sur la ligne 40 et transmis par une ligne 47, par l'intermédiaire d'un relais de temporisation 49, à un soustractaur 50 dans lequel a lieu une comparaison avec le signal de sortie du manomètre 21.Une ligne 51 transmet le signal de différence ainsi formé à un régulateur de charge 52, qui est de préférence à caractère proportionnel, intégral et différentiel et émet un signal de charge que trois lignes de branchement 54, 55 et 56 transmettent à un générateur de fonction 60, à la vanne de combustible 36 et à un additionneur 61. Le second signal transmis par une ligne 63 à l'additionneur 61 est le signal de sortie d'un régulateur ssss 64 dont la valeur réelle qu'il reçoit est le signal de différence de température transmis par le capteur 16 et la valeur de consigne, un signal transmis par une ligne 65. Une ligne 67 transmet le signal de somme formé dans l'additionneur 61 et constituant la valeur de consigne à un régulateur d'alimentation 68 qui est de préférence à caractère proportionnel, intégral et différentiel. La valeur réelle correspondante est formée par soustraction en un point 70 à l'aide des signaux de sortie des débitmètres 32 et 3. Le signal de sortie du régulateur 68 commande la pompe d'alimentation 1. t Le générateur de fonction 60 forme un signal qui est fonction de la charge et qui représente une consigne qu'une ligne 72 dirige sur un régulateur 73. La valeur réelle reçue par ce dernier est le signal de sortie de l'organe 9 de mesure de température. Le signal de sortie du régulateur 73 commande la vanne 30 dans le sens de la fermeture avec l'élévation de la température mesurée par l'organe 9. La vanne de réglage 33 est commandée d'une part par l'organe 17 de mesure de température et par l'intermédiaire d'un régulateur proportionnel et d'autre part par l'organe 20 de mesure de temps rature et par l'intermédiaire d'un régulateur proportionnel et inté- gral qui reçoit une consigne constante de manière non représentée sur le dessin. Le régulateur proportionnel, intégral et différentiel 68 est subordonné de façon classique de manière qu'au-dessous d'un seuil déterminé de charge LL, la pompe d'alimentation 1 délivre l'eau à un débit minimal constant, de la manière représentée sur la figure 2 par droite W (1) en fonction de la charge L. Le générateur de fonction 60 est calculé de manière à émettre un signal de consigne faible jusque peu avant le seuil de charge LL , de la manière représentée par la ligne (72) sur la figure 2, mais de manière à faire suivre ensuite à la courbe de température une pente relativement raide qui tend à suivre la puissance ou la pression de la chaudière. La consigne initialement basse maintient la vanne 30 fermée dans la plage inférieure de charge. Le dispositif fonctionne en conséquence de la manière suivante La consigne de la pression de la chaudière se règle à la main à la mise en marche et le régulateur proportionnel, intégral et différentiel 68 provoque l'envoi dans l'évaporateur 6 d'un débit minimal d'eau qui reflue du séparateur 7 dans un réservoir non représenté de mise en marche. Les vannes 30 et 33 sont fermées. Le brûleur 35 est ensuite allumé et sa puissance, progressivement élevée. La pression régnant dans le circuit et mesurée par le manomètre 21 monte et la vapeur formée dans l'évaporateur 6 refroidit les surfaces de surchauffe 10, 13 et 18 pour être initialement évacuée par une dérivation non repré sentée, raccordée en amont de la vanne 22 d'admission de vapeur vive. Au cours de la suite du processus de mise en service, la puissance du brûleur'35 monte suffisamment pour que le débit d'eau ne représente plus que quelques pour cents à la sortie de l'évaporateur 6. Lorsque la charge a atteint ce niveau, la consigne transmise par le générateur de fonction 60 au régulateur 73 monte en suivant une pente raide de la manière - représentée sur la figure 2. La température n'ayant pas encore atteint cette consigne élevée au poste de mesure 9, la vanne 30 stouvre, de sorte que le prélèvement d'eau par la canalisation 25 réduit d'autant l'arrivée d'eau dans l'évaporateur 6.Ainsi, le fluide de travail est porté par chauffage à la température voulue à la sortie de l'évaporateur. Lorsque la température monte trop fortement aux postes de mesure 17 et 20, de l'eau est injectée par la canalisation 28. Le débit d'eau injecté est mesuré par l'organe 32 et représente un complément refoulé en plus par la pompe d'alimentation 1 commandée par le régulateur 68. Le capteur 16 et le régulateur 64 corrigent la puissance fournie à la pompe d'alimentation de manière que la différence de température de part et d'autre de l'organe d'injection 15 demeure sensiblement constante. La turbine 23 est ensuite mise en marche par ouverture de la vanne d'admission 22, puis est commutée sur le secteur et alors la dérivation se ferme.La régulation externe fonctionne ensuite de la manière suivante La consigne de puissance délivrée par la ligne 40 commande d'une part la vanne 22 et d'autre part, avec un retard imposé par le relais de temporisation 49, le régulateur 52 dont le signal de sortie détermine la charge de la chaudière. Le pilotage de la température ou de l'enthalpie à l'entrée du surchauffeur en fonction de la charge, conformément à l'in- vention, a non seulement l'avantage d'améliorer la stabilité de la régulation, mais de plus d'augmenter la liberté de disposition des surfaces de chauffe lors du calcul de la chaudière. Les mêmes éléments portent des références identiques à celles de la figure I sur les figures 3 à 6. L'exemple de réalisation de la figure 3 diffère essentiellement de celui de la figure 1 par le fait qu1il comprend un unique dispositif d'injection 12' et donc que la régulation en est en conséquence simplifiée. L'unique vanne d'injection 80 montée sur la canalisation 25 est commandée par un servo-moteur 81 qui est de son côté commandé d'une part par un régulateur proportionnel, intégral et différentiel 73 et d'autre part par un régulateur proportionnel et différentiel 83.Une ligne 72 transmet au régulateur proportionnel, intégral et différentiel 73 une consigne qui est fonction de la charge et qui est transmise par un capteur de charge 53 qui comprend plusieurs générateurs de fonction, la valeur réelle correspondante transmise à ce régulateur 73 provenant de l'organe de mesure de température 9. Un appareil 20 de mesure de température, qui commande le régulateur proportionnel et différentiel 83, agit de plus par l'intermé- diaire d'une ligne 85 sur un régulateur 86 de température finale qui reçoit d'une ligne 87 une consigne de la température de sortie de la chaudière.Le signal de sortie du régulateur 86 parvient dans un additionneur 90 qui reçoit par ailleurs du capteur de charge 53 et par la ligne 56 un signal de charge ainsi qu'une valeur réelle transmise par le débit-mètre d'alimentation 3 et constituée d'un signal de débit formé dune valeur négative. La somme artihmétique de ces trois signaux est envoyée au régulateur 68 de commande de la pompe d'alimentation 1. La régulation extérieure à la chaudière est réalisée de la même manière dans l'exemple de la figure 3 que dans celui de la figure 1, avec l'unique différence qu'un générateur de fonction supplémentaire 48 monté sur la ligne de signal 47 permet une combinaison logique non linéaire de la consigne de pression et de la puissance de la chaudière. Le mode de réalisation de la figure 3 a l'avantage de nécessiter une robinetterie, des dispositifs de réglage et des collecteurs en moins grand nombre. Un inconvénient de ce circuit est toutefois que lorsque le séparateur 7 fonctionne à l'état humide, la température de la vapeur vive ne peut être réglée que par approximation avec un faible écart subsistant qui est du à l'absence du caractère intégral du régulateur 83.Si cet écart est inadmissible, il est possible de monter en parallèle sur le régulateur proportionnel et différentiel 83 un autre composant intégral g3 de la manière représentée sur la figure 4, qui correspond par ailleurs intégralement au montage de la figure 3, ce composant 93 recevant d'une ligne 94 une consigne de la température de la vapeur vive et étant mis en circuit et hors circuit en fonction de la charge par le capteur de charge 53 et par l'intermédiaire d'une ligne 95 selon que le seuil de charge est dépassé vers le bas ou vers le haut. Le composant 93 assume la fonction d'élément à caractère intégral du régulateur 86 lorsque le séparateur 6 fonctionnant à l'état humide ne lui permet plus d'entrer en action. Le signal de commutation (95) peut aussi etre émis en fonction de la position de la vanne montée sur le séparateur. Dans un autre mode de réalisation représenté sur la figure 5, écart formé par le soustracteur 96 entre le signal de sortie de l'organe de mesure 9 et le signal de consigne transmis du capteur de charge 53 par la ligne 72 agit sur un régulateur proportionnel, intégral et différentiel 97 dont le signal de sortie forme avec un signal de charge 56 représentant un signal de grandeur perturbatrice une consigne transmise au régulateur d'alimentation 68. La valeur réelle que reçoit le régulateur 68 est formée de manière analogue à celle de l'exemple de la figure 1, mais avec la différence qu'un débit-mètre 32 monté sur la canalisation 25 d'eau d'injection mesure non pas une partie, mais la totalité du débit d'injection. La figure 6 illustre finalement une variante du mode de réalisation de la figure 5 dans laquelle les deux débit-mètres 3 et 32 sont remplacés par un unique débit-mètre 39 monté directement en amont de l'entrée dans l'évaporateur, ctest-à-dire en aval du branchement 98 de la canalisation d'eau d'injection 25 sur la canalisation 5. Ce mode de réalisation a l'avantage sur celui de la figure 5 de permettre d'éliminer le débit-ètre (32) et le dispositif comparateur 70 I1 serait aussi possible de conformer le mode de réalisation de la figure 1 de manière analogue à celui de la figure 6 en raccordant les canalisations d'injection 28 et 27 directement et dans cet ordre à la canalisation de liaison 5 et de remplacer les organes de mesure 3 et 32 par un nouvel organe de mesure monté entre les deux points de raccord et dont le signal de sortie représenterait la valeur réelle transmise au régulateur d'alimentation 68. il serait possible aussi de remplacer l'organe de mesure de température 9 par un organe de mesure de l'enthalpie. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur à circulation forcée, de préférence du type fonctionnant du mode à variation de pression, comprenant en série un circuit d'arrivée d'eau d'alimentation, un économiseur, un évaporateur, un séparateur d' eau et un surchauffeur, un premier organe de mesure de température étant monté dans une première partie du surchauffeur et un second de ces organes, au bout de ce dernier et au moins un dispositif d'injection étant monté entre ces organes de mesure, caractérisé en ce qu'au moins le premier dispositif d'injection (12) est raccordé à une canalisation d'injection (27, 25) qui est dérivée en formant un embranchement sur le circuit du générateur, entre 1 'économiseur (4) et l'évaporateur (6) et un régulateur (73 ,97) commande lé débit d'eau dirigé sur l'évaporateur (6) en répondant au signal du premier organe de mesure de température (9) qui représente la valeur réelle et à un signal (72) qui est fonction de la charge et qui représente la consigne. 2. Générateur de vapeur à circulation forcée selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un générateur de fonction (60, 53) commandé par un signal de charge (54) est monté en amont dudit régulateur (73) et délivre à ce dernier une consigne dont la courbe monte en pente raide avec la charge au moins dans la plage de cette dernière comprise à la transition entre l'état humide et l'état sec du séparateur. 3. Générateur de vapeur à circulation forcée selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit régulateur (73) agit sur une vanne (30) qui Commande le prélèvement de l'eau entre l'économiseur (4) et l'évaporateur (6). 4. Générateur de vapeur à circulation forcée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé én ce qu'il comprend de plus un dispositif de régulation de l'injection de type connu (20, 33, 15) et ce dispositif est aussi alimenté par un point de prélèvement (5/25) situé entre l'économiseur (4) et l'évaporateur (6). 5. Générateur de vapeur à circulation forcée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un unique dispositif d'injection (12') assure la régulation de la température mesurée --4 par les premier (9) et second (20) organes de mesure correspondants et le signal émis par le premier (9) de ces organes agit sur la vanne d'injection (80), qui est montée sur la canalisation commune d'injection (25), par l'intermédiaire d'un régulateur (73) à composante intégrale tandis que le signal émis par le second de ces organes (20) agit sur cette vanne (80) par l'intermédiaire d'un régulateur (83) à caractère proportionnel et différentiel. 6. Générateur de vapeur à circulation forcée selon la revendication 5, caractérisé en ce que le signal (85) émis par le second organe de mesure de température (20) agit de plus sur le circuit d'admission d'eau d'alimentation (90, 68, 1) par l'intermédiaire d'un régulateur (86) à caractère intégral. 7. Générateur de vapeur à circulation forcée selon la revendication 6 comprenant un dispositif de subordination du débit d'eau d'alimentation en régime à charge partielle, caractérisé en ce qu'un régulateur intégral (93) monté en parallèle sur le régulateur proportionnel et différentiel (83) disposé entre le second organe de mesure de température (20) et la vanne dlinjection (80) est couplé au captéùr de charge (53) et il est actif et.n'est actif que lorsque leséparateur fonctionne à sec. 8. Générateur de vapeur à circulation forcée selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ee que le régulateur (97) qui répond au signal du premier organe de mesure de température (9) agit directement sur le circuit d'alimentation en eau (68, 1) et il est monté de manière à ne pas modifier l'arrivée d'eau dans l'évapo- rateur (6) à la suite d'une variation du débit d'injection (12'). 9. Générateur de vapeur à circulation forcée selon la revendication 8, caractérisé en ce que la valeur réelle que reçoit le régulateur d'alimentation (68) consiste uniquement en le signal de sortie d'un débit-mètre (39) monté entre le dernier embranchement (98) et l'évaporateur (6) sur la canalisation (5) de liaison de l'économiseur et de l'évaporateur.