Brevet FR2470334A1 — publié le 19810529

- 1 - Chaudière à parcours unique à circulation forcée destinée à travailler à une pression hypercritique variable. Les chaudières de type classique à parcours unique et destinées à travailler à une pression variable comprennent, comme on l'a représenté sur la Fig. 1, des tubes d'écrans d'eau formant les parois qui sont constitués par des tubes vaporisateurs hélicoïdaux inclinés d'un petit angle dans la partie inférieure du foyer qui comprend les zones de brûleurs, zones qui constituent les régions du foyer dans lesquelles l'absorption de chaleur est la plus élevée. Dans une telle chaudière à enroulement hélicoïdal, tous les tubes vaporisateurs parcou- rent aussi bien les régions du foyer dans lesquelles l'absorption de chaleur est élevée que celles o l'absorption est faible. Il n'existe donc qu'une faible différence d'absorption de chaleur entre les diffé- rents tubes vaporisateurs. Les tubes étant tous de même longueur, ils maintiennent le même débit d'écoulement sur toute l'étendue de la surface du foyer et la température du fluide à la sortie est très uniformément répartie sur l'ensemble des parois enveloppantes du foyer. Dans une chaudière du type à écoulement ascendant simultané dont les parois refroidies par l'eau sont composées de tubes verticaux, contrairement à ce qu'on observe dans les chaudières monotubes à enroulement hélicoïdal, les tubes vaporisateurs sont agencés de telle sorte que dans,certains des tubes,le fluide traverse uniquement les régions du foyer dans lesquelles l'absorption de chaleur est élevée tandis que, dans les autres tubes, il traverse uniquement les régions à faible absorption de chaleur. Naturellement, les différents tubes vapori- sateurs absorbent différentes quantités de chaleur. En particulier, dans les chaudières équipées de brûleurs d'angles, l'absorption de chaleur est élevée au centre et faible dans les angles du foyer. Pour tenir compte de cet état de fait, une variante utilise des parois refroidies par l'eau dont chacune est constituée par une rangée de tubes vaporisateurs soudés en parallèle pour former un panneau et, pour éviter le développement de contraintes thermiques excessives dans les parois refroidies par l'eau, un orifice calibré est prévu à l'entrée de chaque tube vaporisateur ou à l'entrée de chaque tube distributeur alimentant un groupe de plusieurs tubes vaporisateurs et le débit de fluide dans chaque tube est réglé au 2 - moyen de cet orifice. De cette façon, dans la chaudière équipée de brû- leurs d'angles, les températures de fluide à la sortie des tubes vapori- sateurs, à la sortie du four, sont maintenues sensiblement uniformes sur l'ensemble des parois enveloppantes du foyer, comme indiqué en trait continu sur la Fig. 2. La courbe en traits mixtes de la Fig. 2 représente la distribution de températures qui serait obtenue dans la même chaudière mais équipée de tubes vaporisateurs dépourvus d'orifices cali- brés. Une chaudière à brûleurs d'angles étudiée pour le fonctionnement sous pression constante, qui est capable de main- tenir une pression constante dans le foyer indépendamment des variations de la charge, offre donc un avantage décisif consistant en ce que, comme on peut le voir sur la Fig. 3, le diagramme d'absorption de chaleur ne présente pas de variation sur la largeur du foyer. L'utilisation d'ori- fices calibrés permet de maintenir sensiblement la même température aux sorties des parois refroidies par l'eau du foyer en dépit des variations de la charge de travail et des conditions de fonctionnement. Toutefois, avec une chaudière du type qui débite de la vapeur sèche aux sorties des parois refroidies par l'eau sur une large plage de variation de la pression, depuis la pression hyper- critique jusqu'à une basse pression d'environ 80 kg/cm2 comme dans le tableau pression-enthalpie de la Fig. 4, les variations de la charge sont accompagnées de variations considérables du rapport liant le volume spé- cifique aux entrées des tubes vaporisateurs du foyer, Vi, au volume spé- cifique apparaissant aux sorties, Vos comme indiqué sur la Fig. 5. Par conséquent, bien que la relation entre le débit d'absorption de chaleur de la région centrale qui absorbe fortement la chaleur du foyer, et le débit d'absorption de chaleur des régions des angles, dans lesquelles la quantité de chaleur absorbée est plus faible, ne varie pas dans toutes les conditions de charge que l'on peut rencontrer, il n'est pas toujours aisé de maintenir une répartition uniforme de la température du fluide aux sorties des parois refroidies par l'eau du foyer sur toute la plage de charge à l'aide d'un seul type d'orifice calibré fixe. En particulier dans la région de basse pression, une différence d'absorption de chaleur même relativement faible amène les tubes vaporisateurs à haute absorption de chaleur dans la région de la vapeur surchauffée et les tubes vaporisa- teurs à plus faible absorption dans la région de la vapeur humide. Ceci 3- provoque un élargissement de l'écart de température entre les deux ca- tégories de tubes, en entraînant l'inconvénient consistant en ce que les contraintes mécaniques engendrées dans les panneaux plats par les contraintes thermiques sont trop élevées pour permettre de réunir les tubes en un seul panneau de tubes formant écran d'eau. Ainsi qu'on l'a expliqué plus haut, pour les chaudières du type à tubes verticaux prévus pour le fonctionnement sous pression variable dans lesquelles les sorties des tubes vaporisa- teurs du foyer se trouvent dans la région de vapeur sèche sur l'ensemble du large intervalle de pressions allant de la région hypercritique sous forte charge-à la pression de 80 kg/cm2 sous faible charge, on ne peut plus se contenter de confier la répartition de l'absorption de chaleur à des orifices calibrés. Pour résoudre ces problèmes, on doit limi- ter le minimum de pression admissible pour le fonctionnement de la chau- dière; par exemple, on peut être amené à relever ce minimum à un niveau de pression plus élevé. Toutefois, ceci entraîne une élévation corres- pondante de la limite inférieure de la pression de travail sous charge partielle, qui conduit à un plus grand débit de consommation de chaleur dans la turbine, en raison de l'accroissement résultant de la puissance nécessaire pour refouler l'eau d'alimentation vers la chaudière. Le ré- sultat n'est pas avantageux du point de vue de l'économie. Pour résoudre tous les problèmes énumérés plut haut qui sont posés par les chaudières classiques, l'invention a pour objet une chaudière à parcours unique à circulation forcée destinée à fonctionner à une pression hypercritique variable, qui comprend des brûleurs, des tubes assemblés ou écrans d'eau qui constituent les parois enveloppantes du foyer, ces parois étant composées de rangées de tubes vaporisateurs verticaux prévus pour l'écoulement ascendant simultané, et un évaporateur du type à chauffage par convection intercalé entre les sorties des tubes des écrans d'eau et un séparateur d'eau. Avec les chaudières de la conception clas- sique, il était nécessaire pour les bonnes performances de la chaudière que, dans la région de travail à parcours unique de la chaudière, la va- peur arrivant à l'entrée de chaque surchauffeur soit surchauffée à un certain degré pour former de la vapeur surchauffée. Dans le cas dela chau- dière du type à brûleurs d'angles possédant un foyer du type à tubes ascendants verticaux et destinée au fonctionnement à la pression hyper- critique, il n'était pas nécessairement aisé, lorsque la vapeur aux sorties des parois refroidies par l'eau est sèche, d'ajuster la diffé- rence d'absorption de chaleur entre les tubes vaporisateurs situés au centre du foyer et ceux situés aux angles de te foyer. Suivant l'invention, un évaporateur de conduit de gaz est intercalé entre les parois du foyer refroidies par l'eau(ou écrans d'eau)et le séparateur de vapeur, ce qui permet d'obtenir des régions de vapeur surchauffée aux entrées des surchauffeurs tout en maintenant les sorties des parois refroidies par l'eau dans la région de la vapeur humide, comme représenté sur la Fig. 6. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple - la Fig. 1 est une vue en perspective d'une chaudière classique à enroulement hélicoïdal; la Fig. 2 est un graphique représentant la répartition des températures aux sorties des parois refroidies par l'eau d'une chaudière ordinaire du type à écoulement ascendant vertical équipée de brûleurs d'angles;- - la Fig. 3 est une graphique montrant les schémas d'absorption de la chaleur des parois du foyer de la même chau- dière; - la Fig. 4 est un diagramme pression- enthalpie de la chaudière; - la Fig. 5 est un diagramme charge-volume spécifique de la chaudière; - la Fig. 6 est un diagramme pression- enthalpie de la chaudière suivant l'invention; - la Fig. 7 est une vue schématique de côté d'une chaudière suivant l'invention; - la Fig. 8 est une vue à plus grande échelle de l'évaporateur de conduit de gaz représenté sur la Fig. 7; - la Fig. 9 est une vue partielle de détails prise dans le voisinage de l'entrée de l'évaporateur de conduit de gaz; la Fig. 10 est une vue partielle en plan de l'évaporateur; et - 5 - - la Fig. Il est une vue à plus grande échelle du collecteur d'entrée et des parties associées de l'évaporateur. Sur la Fig. 7, on a représenté une chaudière à brûleurs d'angles suivant l'invention. L'eau d'alimentation arrivant à la chaudière pénètre tout d'abord dans un collecteur d'entrée d'économiseur 1 et, de là, dans un économiseur 2. Ainsi qu'on le voit sur le dessin, l'eau provenant del'économiseur 2 passe dans des tubes 3 de suspension de l'économiseur, qui portent également un évaporateur 39 de conduit de gaz et un réchauffeur à basse température 54, pour se diriger vers un collecteur de sortie d'économiseur 4. En sortant du col- lecteur 4, l'eau tombe par une colonne descendante 5 dans un ballon distributeur 6 dans lequel elle est divisée en veines et refoulée à force, à travers les tubes distributeurs 7, dans des chambres de distribution formées par des cloisonnements à l'intérieur des collecteurs d'entrée 8, 9, 10 des parois avant, arrière et latérales du foyer. Les débouchés des tubes distributeurs dans le ballon de distribution 6 sont munis d'orifices calibrés qui servent à limiter le débit d'eau fourni aux chambres de distribution respectives. Aux collecteurs d'entrée 8, 9, 10 des parois avant, arrière et latérales, sont reliées respectivement des rangées de tubes de paroi avant 11, de tubes de paroi arrière 12 et des tubes de parois latérales 13, dont les entrées sont également équipées d'orifices calibrés destinés au réglage du débit et à améliorer encore la stabilité de l'installation. Les tubes 11 de la paroi avant, agencés en une rangée, sont ramifiés dans la partie supérieure du foyer pour former une rangée de tubes 14 de cloison de paroi avant, qui divisent le volume supérieur en un passage de gaz et une chambre des collecteurs de paroi avant, et une rangée de tubes 15 de suspension de la paroi avant qui portent le poids du foyer. Les tubes de ces deux rangées dérivées se réunissent à nouveau dans un collecteur de sortie de paroi avant 16. Un mélange d'eau et de vapeur qui sort de ce collecteur 16 circule dans des tubes de plafond 17 pour atteindre un collecteur 34 de sortie de la paroi arrière du conduit de gaz arrière. En même temps, l'eau qui a pénétré dans les tubes 12 de la paroi arrière du foyer s'élève vers un collecteur 19 de sortie de la paroi arrière en passant dans les tubes d'écran d'eau de paroi arrière 18 qui sont espacés pour permettre au gaz de combustion de s'écouler du conduit de gaz supérieur vers le conduit de gaz arrière du - 6 - foyer. L'eau passe ensuite dans des tubes montants de paroi arrière 20 et, de même que l'eau répartie dans les tubes de la paroi avant du foyer, elle pénètre finalement dans le collecteur 34 de sortie de la paroi arrière qui est logé dans le conduit de gaz arrière. L'eau trans- mise sous la forme de veines divisées aux tubes 13 de parois latérales du foyerest conduite à un collecteur 21 de sortie des parois latérales et, de là, aux parois latérales et arrière du conduit de gaz arrière, respectivement par des tubes de liaison d'entrée des parois latérales et 'arrière 22 et 29 du conduit de gaz arrière. Les tubes 22 de liaison de l'entrée des parois latérales sont reliés à un répartiteur 23 d'ali- mentation des parois latérales du conduit de gaz arrière qui, à son tour, est relié à un collecteur d'entrée de parois latérales 25 du con- duit de gaz arrière comportant un certain nombre de tubes distributeurs 24. Le mélange de vapeur et d'eau provenant du collecteur 25 d'entrée de parois latérales s'écoule par des tubes 26 des parois latérales du con- duit de gaz arrière pour atteindre un collecteur de sortie 27 prévu sur la même paroi latérale. A la sortie du collecteur 27, le mélange passe dans des tubes montants 28 des parois latérales et pénètre finalement dans le collecteur 34 de sortie de la paroi arrière du conduit de gaz ar- rière, de même que les fluides provenant des tubes 11 de la paroi avant du foyer et des tubes 12 de la paroi arrière du foyer. De même, le mélange de vapeur et d'eau qui a pénétré dans les tubes 29 de liaison de l'entrée de la paroi arrière du conduit de gaz arrière atteint ensuite un répartiteur 30 d'alimentation de la paroi arrière du conduit de gaz. Ensuite, elle circule dans un certain nombre de tubes 31 distributeurs de la paroi arrière pour atteindre' un collecteur 32 d'entrée de la paroi arrière du conduit de gaz arrière et, de là, par des tubes 33 de paroi arrière jusqu'à un collecteur 34 de sortie de paroi arrière du conduit de gaz arrière. De cette façon, les veines d'eau, lorsqu'elles ont été ad- mises aux parois avant, arrière et latérales du foyer sont toutes réunies dans le collecteur 34 de sortie de la paroi arrière du conduit de gaz arrière. Le mélange de vapeur et d'eau recueilli dans le collecteur de sortie 34 de la paroi arrière est transmis à tra- vers un tube 35 de liaison d'entrée de l'évaporateur à un répartiteur 36 d'alimentation de l'évaporateur logé dans le conduit de gaz. Dans ce conduit, le mélange de fluide provenant du répartiteur 36 circule dans -7 - un certain nombre de tubes 37 distributeursde l'évaporateur, puis dans le collecteur 38 d'entrée de l'évaporateur, dans les tubes 39 de l'éva- porateur, dans le collecteur 40 de sortie de l'évaporateur et dans des tubes 41 de liaison de sortie (tubes de liaison d'entrée du sépara- teur d'eau) pour atteindre un séparateur d'eau 42. L'état de la vapeur contenue dans le séparateur d'eau 42 est tel que, sous une charge excé- dant la charge minimum du parcours unique, la vapeur se trouve dans la région surchauffée. Dans ces conditions de charge, la vapeur qui a péné- tré dans le séparateur d'eau 42 est surchauffée en totalité lorsqu'elle circule à travers les tubes 43 de liaison d'entrée du surchauffeur, le collecteur d'entrée 44, les tubes 45 du surchauffeur primaire, les tubes 46 de suspension du surchauffeur primaire, le collecteur de sortie 47 du surchauffeur primaire, les tubes 48 de liaison d'entrée du sur- chauffeur secondaire, le collecteur d'entrée 49 du surchauffeur secon- daire, les tubes 50 du surchauffeur secondaire et le collecteur de sor- tie du surchauffeur. La vapeur surchauffée est ensuite conduite par un tube de vapeur principal 52 à une turbine non représentée. Sur la Fig. 7, les références 53 à 58 dési- gnent respectivement un collecteur d'entrée de réchauffeur, des tubes de réchauffeur à basse température, un collecteur de sortie à basse tempé- ratureî' un collecteur d'entrée du réchauffeur à haute température, des tubes de réchauffeur à haute température et un collecteur de sortie de - réchauffeur. Dans la chaudière possédant la construction décrite plus haut, et ainsi qu'on l'a représenté graphiquement sur la Fig. 6, les tubes sont maintenus dans la région de vapeur humide au ni- veau des sorties des parois refroidies par l'eau du foyer qui sont com- posées des rangées de tubes de paroi avant, de paroi arrière et de parois latérales 11, 12 et 13 et la vapeur est portée à un état surchauf- fée par l'évaporation 39 du conduit de gaz. De cette façon, même lorsque les brûleurs d'angles engendrent une zone de flammes d'une chaleur plus intense que les autres zones à l'intérieur du foyer du type à tubes mon- tants verticaux et lorsque les tubes vaporisateurs situés au centre pré- sentent une différence d'absorption de chaleur par rapport à ceux situés dans les angles du foyer, la présence de vapeur humide aux sorties des parois du foyer refroidies par l'eau maintient la température à un niveau uniforme et il ne se développe pas de contrainte thermiques dans ces 2 417 0334 -8- parois. En outre, cette vapeur humide est encore chauffée par l'évapora- teur 39 du conduit de gaz, de sorte que les entrées du surchauffeur reçoivent de la vapeur surchauffée. L'évaporateur 39 du conduit de gaz qui est représenté sur la Fig. 7 sera décrit avec plus de détails en regard des Fig. 8 à 11. A l'extrémité inférieure d'un tube 101 de liaison d'entrée de l'évaporateur du conduit de gaz est fixé un répartiteur 102 de l'évaporateur; le répartiteur 102 et un collecteur d'entrée 104 de l'éva- porateur du conduit de gaz sont mis en communication par une série de tubes distributeurs 103. Les tubes distributeurs 103 sont reliés au répar- titeur 102 à un même niveau horizontal. Le collecteur d'entrée 104 s'étend horizontalement entre les parois latérales opposées 112 du con- duit de gaz, conduit qui comprend les parois latérales opposées 112 for- mées de tubes de parois latérales, une paroi avant 111 formée de tubes de parois avant'ét une paroi arrière 113 formée de tubes de paroi arrière. Les tubes distributeurs 103, qui sont régulièrement espacés, sont reliés au collecteur d'entrée 104. Des séries d'orifices de sortie 105a, 105b, sont formés sur les côtés opposés du collecteur d'entrée 104, symétrique- ment par rapport à l'axe du collecteur et au même niveau. Les parties d'entrée des tubes ramifiés 106a, 106b sont raccordées respectivement aux orifices de sortie 105a, 105b et les parties ramifiées des tubes 106a, 106b sont raccordées aux tubes 107 de l'évaporateur du conduit de gaz. Les tubes 107 de l'évaporateur s'étendent entre la paroi arrière 113 et la paroi avant 11i. du conduit et, parvenus dans le voisinage de ces pa- rois, ils sont recourbés vers le haut, en formant des U alternativement dans un sens et dans l'autre, de sorte qu'ils sont disposés en zig-zag. A l'extrémité supérieure de cet arrangement, les-tubes 107 de l'évapora- teur traversent la paroi arrière 113 du conduit du gaz et communiquent avec un collecteur de sortie 108,logé dans le conduit, auquel est rac- cordé un tube 109 de liaison de sortie de l'évaporateur. Les tubes 107 de l'évaporateur sont supportés par des tubes 110 de suspension de l'économiseur. Dans l'évaporateur du conduit de gaz pré- sentant la construction décrite plus haut, un mélange fluide en deux phases,composé de vapeur et d'eau, atteint le répartiteur 102 en passant par le tube de liaison d'entrée 101. Etant donné que les tubes distribu- teurs 103 sont relié.; au répartiteur 102 au même niveau horizontal, le fluide en deux phases pénétrera dans les tubes distributeurs individuels 9 - en conservant toujours le même rapport vapeur-eau, même s'il se produit une certaine séparation entre la vapeur et l'eau à l'intérieur de ce répartiteur. A l'intérieur du collecteur d'entrée 104, le fluide en deux phases provenant des tubes distributeurs 103 subit une séparation de phase sous l'effet de la différence de poids spécifique entre la vapeur et le liquide, le résultat étant que la phase vapeur occupe l'espace supérieur du collecteur d'entrée 104 et que la phase liquide occupe l'es- pace inférieur. Par conséquent, il se forme une interface à l'intérieur du collecteur d'entrée 104. Aux endroits o les orifices de sortie 105a, 105b sont formés sur les deux côtés opposés du collecteur d'entrée 104, symétriquement par rapport à l'axe de ce collecteur d'entrée, comme re- présenté sur la Fig. 11, l'interface se place juste à mi-hauteur du dia- mètre des orifices de sortie 105a, 105b du collecteur d'entrée 104. Ceci résulte du fait que, si l'interface se plaçait au-dessous des orifices 105a, 105b, il ne passerait que de la vapeur par ces orifices et, par conséquent, par les tubes ramifiés 106a, 106b, en laissant le liquide en arrière, et ceci se traduirait naturellement par une élévation de l'in- terface. Inversement, si l'interface se trouvait au-dessus du niveau des orifices de sortie 105a, 105b, seul le liquide pénétrerait dans les tubes ramifiés 106a, 106b, en laissant cette fois la vapeur en arrière, et le niveau du liquide s'abaisserait dans le collecteur d'entrée 104. Dans chaque cas, l'interface vapeur-eau revient au niveau représenté sur la Fig. 11 par rapport aux orifices de sortie 105a, 105b. Il est conc impossible que les orifices de sortie 105a, 105b soient parcourus, soit exclusivement par de la vapeur seule,soit exclusivement par une phase liquide,mais, au contraire, le courant sortant par les rangées d'orifices de sorties 105a, 105b est tou- jours un courant de vapeur et d'eau en phases mélangées (en deux phases) avec des proportions sensiblement égales. Les tubes ramifiés 106a, 106b raccordés à ces orifices divisent le flux sortant de chaque orifice en deux parties égales. De cette façon, le courant fluide en deux phases composées de vapeur et d'eau qui est entré dans le collecteur d'entrée 104 en provenance des tubes distributeurs 103 se trouve donc uniformément réparti dans les tubes 107 de l'évaporateur. En circulant dans les tubes 107, les courants partiels uniformément divisés du fluide en deux phases sont chauffés par les gaz de fumée de combustion et ils sont recueillis dans le collecteur de sortie 108. La vapeur et l'eau ainsi recueillies sont mélangées à l'intérieur du collecteur 108 et ce mélange est envoyé au séparateur d'eau par le tube de liaison de sortie 109. - 10 - REVENDICATIONS 1 ) - Chaudière à parcours unique à circula- tion forcée pour le travail à pression hypercritique, caractérisée en ce qu'elle comprend des brûleurs, des tubes assemblés en écrans d'eau qui constituent les parois enveloppantes (11, 12, 13) du foyer, ces parois étant composées de rangées de tubes vaporisateurs verticaux prévus pour l'écoulement ascendant simultané, et un évaporateur (39) du type à chauffage par convection intercalé entre les sorties des tubes des écrans d'eau et un séparateur d'eau (42). ) - Chaudière à parcours unique et à circula- tion forcée suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit évaporateur (39) du type à chauffage par convection comprend un répar- titeur (36, 104) relié à un tube de liaison d'entrée (35, 101), un collecteur d'entrée (38, 104) relié à ce répartiteur (36, 102) par une série de tubes distributeurs horizontaux (37, 103) et une série de tubes d'évaporateur (107) communiquant avec ledit collecteur d'entrée (104) par l'intermédiaire de tubes ramifiés (106a, 106b).