Brevet FR2472177A1 — publié le 19810626

La présente invention concerne un mesureur de niveau qui est raccordé à un récipient contenant de l'eau ou un autre liquide dont il s'agit de mesurer le niveau dans sa partie infé- rieure et de la vapeur dans sa partie supérieure et qui comprend une chambre de référence contenant de l'eau ou un autre liquide à un niveau supérieur au niveau d'eau dans le récipient et de la vapeur au-dessus de cette eau, un détecteur de pression différentielle ayant deux orifices d'application de pression et placé sous le niveau d'eau dans le récipient, qui détecte la différence entre deux pressions appliquées auxdits orifices, un tuyau vertical rempli d'eau reliant le fond de la chambre de référence à l'un des orifices du détecteur, un tuyau inférieur rempli d'eau reliant le volume d'eau du récipient à l'autre orifice du détecteur et un tuyau supérieur reliant le volume de vapeur du récipient au volume de vapeur de la chambre de référence et qui maintient la surface de l'eau dans la chambre de référence à un niveau fixe de référence au-dessus du détecteur et maintient les volumes de vapeur du réci- pient et de la chambre de référence à la même pression. Les mesureurs de niveau de ce type sont largement utilisés pour mesurer le niveau d'un liquide de refroidissement, d'eau par exemple, dans un récipient de pression d'un réacteur à eau sous pression, d'un réacteur à eau bouillante ou d'une simple chaudière (pour simplifier, le liquide de refroidissement sera appelé "eau" dans ce qui va suivre, étant entendu qu'il peut s'agir aussi d'un autre liquide). Les résultats de cette mesure de niveau d'eau constituent des données importantes nécessaires au réglage du niveau d'eau, du débit d'eau d'alimentation et à la commande de dispositifs de sécurité du réacteur ou de la chaudière. Le mesureur de niveau doit donc travailler correctement, en conser- vant une précision définie par des tolérances, même en cas de perturbations, dans le cas d'une fuite de vapeur de la tuyauterie du récipient par exemple. Le principe de fonctionnement de ce mesureur de niveau connu est le suivant. A l'un des deux orifices du détecteur est appliquée une pression d'eau correspondant au niveau d'eau fixe de référence et à l'autre orifice est appliquée une pression d'eau 2472 1 77 prélevée dans le récipient. Le niveau d'eau à mesurer dans le récipient peut être déterminé suivant une formule dans laquelle entrent le niveau d'eau de référence, la valeur détectée par le détecteur de pression différentielle et les densités de l'eau et de la vapeur dans le récipient et dans le mesureur de niveau. Bien qu'il rende de bons services dans la pratique, le mesureur de niveau connu a néanmoins des inconvénients. Par exemple, s'il se produit une fuite de vapeur à température et pression élevées sur le récipient, un récipient de pression d'une chaudière ou d'un réacteur par exemple, la pression dans le récipient chute et la température de l'air ambiant du mesureur de niveau monte fortement; la chaleur de l'air ambiant est rapidement trans- mise à l'eau dans le mesureur, ce qui change la densité de cette eau et la fait bouillir. Le détecteur de pression différentielle délivre de ce fait un signal de sortie considérablement faussé avant que ne soit déclenché un dispositif de sécurité destiné à abaisser la température de l'air ambiant. Dans un stade suivant, l'ébullition de l'eau dans le mesureur fait que le détecteur délivre un signal à fortes fluctuations, ce qui empêche de déter- miner le niveau d'eau dans le récipient. L'invention vise à apporter un mesureur de niveau qui ne présente pas les inconvénients de l'appareil connu et qui soit capable de mesurer un niveau d'eau dans un récipient avec une erreur relativement faible même si la température ambiante s'élève brusquement, par suite d'une fuite de vapeur par exemple. A cet effet, le mesureur selon l'invention est pourvu d'un dispositif inhibiteur de transmission de la chaleur ou dispo- sitif de calorifugeage attaché à une partie de mesureur appelée section de détection de pression différentielle, comprenant la chambre de référence, le tuyau vertical et le tuyau inférieur, ce qui empêche ou retarde la transmission de chaleur de l'air ambiant à l'intérieur de ladite section sous l'effet d'une dif- férence de température entre eux, de sorte que la température de l'air autour du mesureur peut être abaissée par un dispositif de sécurité de la chaudière ou du réacteur avant que la température de l'eau dans la section de détecteur ne puisse s'élever au point 2472 177 de fausser considérablement la mesure ou ne commence à bouillir, ce qui change totalement le signal de sortie du détecteur et exclut une mesure stable et valable du niveau d'eau dans le récipient et ce dans un état d'urgence et de température exces- sivement élevée à la surface de la section de détection. En revanche, avec un mesureur selon l'invention, le niveau d'eau dans le récipient peut être mesuré en continu de façon stable et sans erreur notable, même dans un état d'urgence comme celui décrit ci-dessus. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif de calorifugeage est une gaine adiabatique qui entoure le tuyau vertical et le tuyau inférieur. Dans un second mode de réalisation, le dispositif de calorifugeage se compose d'une gaine adiabatique entourant le tuyau vertical à l'exception d'une partie exposée qui s'étend vers le bas sur une longueur donnée à partir de la chambre de référence et d'une gaine adiabatique entourant le tuyau inférieur. Le dispositif de calorifugeage selon un troisième mode de réalisation se compose du dispositif indiqué ci-dessus du second mode de réalisation et d'un refroidisseur attaché à la partie supérieure exposée du tuyau vertical. Les effets mentionnés peuvent être obtenus avec tout mesureur de niveau du type indiqué utilisant un dispositif de calorifugeage selon l'un des modes de réalisation indiqués ci- dessus ou selon d'autres modes de réalisation de l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation préférés mais non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une coupe verticale schématique d'un récipient de pression et d'un mesureur de niveau selon un premier exemple de réalisation de l'invention; - la figure 2 est un graphique faisant ressortir les effets du calorifugeage prévus selon l'invention dans l'exemple de la figure 1; et - les figures 3 et 4 sont des représentations analogues à celle de la figure 1 mais montrant un deuxième et un troisième exemple de réalisation de l'invention. 24'2 177 La figure 1 représente un mesureur de niveau 10 raccordé à un récipient de pression 11 d'un réacteur à eau bouillante ou d'un réacteur à eau sous pression. Le récipient Il et le mesureur d'eau 10 sont installés dans une chambre de pression ou plein 14 à l'exception d'un détecteur de pression différentielle 12, d'une partie d'un tuyau vertical 13 et d'une partie d'un tuyau inférieur 17 branchées sur le détecteur 12. Le récipient de pression 11 contient de l'eau de refroidissement dans sa partie inférieure, jusqu'à la surface 15 de cette eau, et un volume de vapeur lla au-dessus de cette surface, donc dans sa partie supérieure. Le volume de vapeur lla du récipient 11 communique par un tuyau supérieur 16 incliné vers le haut avec un point latéral et par une ouverture 16a avec une chambre de référence 20. Au fond de cette dernière est relié un tuyau vertical 13 qui s'étend tout d'abord à peu près verticalement vers le bas et est ensuite coudé en vue de son branchement sur un orifice d'application de pression 12a du détecteur 12. La partie du tuyau vertical 13 située dans la chambre de pression 14 est entourée d'une gaine adiabatique 22, en amiante ou perlite par exemple. L'autre orifice 12b d'applica- tion de pression du détecteur 12 est relié par le tuyau inférieur 17 au volume d'eau llb dans la partie inférieure du récipient de pression 11. La partie du tuyau inférieur 17 située dans la chambre de pression 14 est entourée d'une gaine adiabatique 22a faite du même matériau que la gaine 22. Le mesureur de niveau 10 de cet exemple possède donc une section de détection de pression différentielle l0a - qui est la partie située dans la chambre de pression 14 - comprenant la chambre de référence 20, le tuyau vertical 13, le tuyau inférieur 17, le tuyau supérieur 16 et les gaines adiabatiques 22 et 22a. A l'introduction d'eau de refroi- dissement dans la chambre de référence 20 et le tuyau vertical 13, la surface 21 de l'eau dans la chambre de référence 20 ne monte jamais audessus du bord inférieur de l'ouverture 16a par laquelle le tuyau supérieur 16 débouche dans cette chambre. A cet égard, le tuyau supérieur a une fonction de tuyau de trop-plein. La surface d'eau 21 au ras du bord inférieur de l'ouverture 16a constitue une surface d'eau de référence. Entre cette surface de référence et le détecteur de pression différentielle 12 est située une colonne d'eau de référence 13a qui exerce une pression d'eau correspondant à un niveau d'eau de référence donné H au détecteur 12. Le tuyau supérieur 16, du fait qu'il relie le volume de vapeur lla du récipient de pression 11 à un volume de vapeur 20a dans la partie supérieure de la chambre de référence 20, maintient les pressions dans ces deux volumes de vapeur à la même valeur. Lorsque le réacteur fonctionne normalement, l'eau de refroidissement dans le récipient Il est portée à température élevée et de la vapeur à température et pression élevées produite dans le volume lla est transmise par une conduite principale de vapeur lla à une turbine à vapeur (non représentée) par exemple. La vapeur à température et pression élevées pénètre aussi dans le volume supérieur 20a de la chambre de référence 20 à travers le tuyau supérieur 16. Comme la température de ce volume de vapeur est inférieure à la température de la vapeur introduite, il s'y produit une condensation de vapeur. Cependant, comme le tuyau supérieur 16 agit également comme tuyau de trop-plein, la surface d'eau de référence 21 et le niveau d'eau de référence H ne changent pas. L'introduction de vapeur à température et pression élevées dans la chambre de référence et sa condensation dans cette chambre correspondent à un apport de chaleur continu du récipient de pression Il à l'intérieur de la chambre de référence 20. En même temps, l'air ambiant 14a dans la chambre de pression 14 est refroidi par un refroidisseur (non représenté) qui est habituel- lement installé dans la chambre de pression 14. Le résultat final de cet apport de chaleur et de ce refroidissement est que la température de la colonne d'eau de référence 13a est plus élevée que la température ambiante t dans sa partie supérieure, qui est approximativement à 100'C, tandis que la partie inférieure de la colonne d'eau de référence 13a est sensiblement à la température ambiante t. Dans cet exemple, la température t est de l'ordre de 600C et la partie supérieure de la colonne d'eau de référence 13a o la température est plus élevée que la température ambiante est une partie qui s'étend du sommet de la colonne, c'est-à-dire de la surface d'eau de référence 21 dans la chambre de référence 24 7217 7 , jusqu'à un point situé à peu près 10 cm au-dessous de cette surface. Bien que l'eau de la partie supérieure de la colonne d'eau de référence 13a soit d'environ 100'C pendant le fonctionne- ment normal, cette eau ne sera jamais en ébullition, pendant le fonctionnement normal, même si sa température dépasse cette valeur dans une certaine mesure. La raison en est que la pression dans le mesureur de niveau 10 est supérieure à 1 atmosphère. Dans cet état de fonctionnement normal, le niveau d'eau h dans le récipient 11 - qui correspond à la différence de niveau entre la surface 15 de l'eau dans le récipient 11 et la position fixe du détecteur 12 - est défini par la formule H(é -p) - ARP h o g. (1) Pt- P o H est le niveau d'eau de référence, à P est la pression diffé- rentielle détectée par le détecteur 12, pi est la densité de l'eau dans le récipient 11, p est la densité de la vapeur saturée à la pression de réacteur P et la température dans le volume de vapeur lla du récipient 11 et p. est la densité de l'eau définis- sant le niveau d'eau de référence. L'équation (1) permet donc de déterminer le niveau d'eau h dans le récipient 11 à l'aide du niveau d'eau de référence prédéterminé H, de la valeur A\P détectée par le détecteur 12 et des densités ps, p et P convenablement déterminées. Dans cette équationp estla densité de l'eau de refroidissement correspondant à la température de l'air ambiant 14a. En effet, la température de la colonne d'eau de référence 13a, à l'exception d'une petite partie en haut, est sensiblement égale à celle de l'air ambiant 14a. L'équation (1) permet par conséquent de déterminer de façon raisonnablement correcte, pendant le fonctionnement normal, le niveau d'eau h dans le récipient de pression 11. S'il se produit une fuite de vapeur à température, 'C par exemple, et pression élevéesdu récipient 11 ou de la conduite de vapeur principale lle dans la chambre de pression 14, la température de l'air ambiant 14a monte brusquement à près de 2 4 7 2 1 77 1700C et la pression dans le récipient 11 et le mesureur de niveau 10 chute fortement, à peu près à la pression atmosphé- rique. De ce fait, l'eau de refroidissement dans le récipient 11 et l'eau de refroidissement dans la partie supérieure du mesureur de niveau 10 sont immédiatement portées à ébullition, ce qui fait fluctuer brièvement le signal de sortie du détecteur de pression différentielle.2. Ensuite, la vapeur introduite dans la chambre de pression 14 commence à chauffer le mesureur 10, de sorte que les températures de la colonne d'eau de référence 13a et de l'eau de refroidissement dans le tuyau inférieur 17 commencent à monter. Le début de la fuite de vapeur fait réagir un dispositif de sécurité (non représenté) du réacteur dans le but de déclencher le fonctionnement d'un système de projection (non représenté). L'entrée en fonctionnement de ce système demande toutefois un certain temps, par exemple un quart d'heure environ, pendant lequel la température de la colonne d'eau de référence 13a continue à monter. En l'absence de l'une ou des deux gaines adiabatiques 22 et 22a, il se forme alors un film d'eau de condensation de la vapeur sur les surfaces du tuyau vertical 13 et du tuyau inférieur 17, de sorte que les températures à ces surfaces montent très rapidement à près de 170'C. Cela a pour conséquence que la colonne d'eau de référence 13a et la totalité de l'eau de refroidissement dans le tuyau inférieur 17 atteignent la température de 1000C ou davantage et commencent à bouillir au bout d'un quart d'heure environ. Le signal de sortie du détecteur 12 commence de ce fait à fluctuer très fortement, rendant la détermination de sa grandeur exacte impossible. La détermination du niveau d'eau h par l'équa- tion (1) est donc exclue. Cependant, comme le mesureur de niveau de cet exemple de réalisation de l'invention comporte des gaines adiabatiques 22, 22a autour du tuyau vertical 13 et du tuyau inférieur 17, bien qu'il se forme un film de condensat sur les surfaces des gaines 22, 22a, ce qui fait rapidement monter la température de ces surfaces à environ 170'C, très peu de chaleur est transmise à l'eau de refroidissement dans la section de détec- tion lOa par le tuyau vertical 13 et le tuyau inférieur 17. L'élé- vation de la température de cette eau de refroidissement est ainsi 2472 1 77 considérablement retardée; elle atteint seulement 60 à 750C environ au bout d'approximativement 1 heure à mi-hauteur de la colonne d'eau de référence l3a.'Il s'ensuit que le système de projection entre en action avant que la température de l'eau de refroidissement n'atteigne environ 750C, de sorte que le mesureur reste capable de fournir une indication stable du niveau d'eau h dans le récipient 11. Le niveau d'eau h déterminé en pareil cas ne peut comporter qu'une faible erreur puisque, grâce aux gaines prévues selon l'invention, l'élévation de la température de la colonne d'eau de référence 13a, donc aussi la variation de la densité de l'eau formant cette colonne peuvent être maintenues minimales. Malgré le manque de stabilité dans la mesure du niveau d'eau h en raison de l'ébullition d'une partie de l'eau de refroidissement par suite de la décompression au début de la fuite de vapeur, l'appareil 10 selon l'invention peut continuer à mesurer le niveau h sans erreur notable. Le tuyau vertical 13 et le tuyau inférieur 17 compor- tent des robinets 19 pour faciliter le débranchement du détecteur 12 à des fins de contrôle ou de réparation. Le graphique de la figure 2 montre comment la distribution de température horizontale à mi-hauteur du tuyau vertical 13 du mesureur de la figure 1, comprenant les deux gaines 22 et 22a, suivant une ligne s'étendant de l'axe vertical du tuyau 13 à travers sa paroi et sa gaine 22 jusqu'à la surface extérieure de la gaine, varie au cours de plusieurs heures à partir du moment o la surface extérieure de la gaine 22 a été portée à environ 170'C. Ce graphique ne tient pas compte d'un refroidissement produit par un système de projection. L'axe Y du graphique correspond à l'axe du tuyau vertical 13, la ligne L à la paroi intérieure, la ligne M à la paroi extérieure de ce tuyau et la ligne N à la surface extérieure de sa gaine 22. Les cotes 27, 28 et 29 correspondent donc respectivement au rayon intérieur du tuyau 13, à son épaisseur de paroi et à l'épaisseur de la gaine 22. L'axe X des abscisses forme une graduation pour ces différentes cotes. Une ligne droite 30 parallèle à l'axe X représente la distribution de température pendant le fonctionnement 2 4 ?2 17 7 normal du réacteur. On peut donc considérer que la distribution de température de l'axe du tuyau 13 à la surface extérieure de sa gaine correspond à cette droite au moment o se produit la fuite de vapeur à température et pression élevées et son injection dans la chambre de pression 14. Les différents points situés sur une ligne allant de l'axe du tuyau à la surface extérieure de sa gaine ont donc sensiblement la même température à ce moment. La situation évolue ensuite comme indiqué par les courbes 31, 32, 33, 34 et 35, lesquelles correspondent respectivement à la distri- bution de température 1 heure après le début de la fuite, 2 heures après le début de la fuite et ainsi de suite, jusqu'à 6 heures après. La courbe 31 indique que, 1 heure après le début de la fuite et de l'élévation de la température de l'air ambiant 14a, la surface extérieure de la gaine 22 est à 170C mais la température décroît fortement dans l'épaisseur de la gaine pour ne plus être que de 76WC environ aux parois extérieure et intérieure du tuyau et de 750C environ sur l'axe OY. Dans l'heure qui suit le début de la fuite (droite 30), la température de l'eau dans le tuyau 13 ne dépasse donc à aucun moment 750C, de sorte qu'elle ne peut pas entrer en ébullition. La courbe 31 montre par conséquent que l'emploi d'un mesureur de niveau selon l'invention comme celui désigné par 10 sur la figure 1 permet de limiter la température de l'eau de refroidissement dans la section de détection de pres- sion différentielle lOa à 750C ou moins pendant 1 heure et que le niveau d'eau dans le récipient de pression 11 peut être mesuré en continu avec une erreur relativement faible après cette première heure puisque le système de refroidissement par projection a largement pu âtre mis en service pendant ce temps. La figure 3 montre la partie principale d'un second dispositif selon l'invention. Le mesureur de niveau de cet exemple diffère de celui de la figure 1 par le fait que le tuyau vertical 13 possède en haut une partie non gainée 25 qui est exposée à l'air ambiant. Les autres parties étant identiques à celles du mesureur de la figure 1, seule cette différence sera décrite plus en détail. La partie exposée 25 rayonne à l'air ambiant 14a la chaleur apportée à la partie supérieure de la colonne d'eau de référence 13a par la chaleur à température et pression élevées introduite depuis le récipient de pression 11 à travers le tuyau supérieur 16 pendant le fonctionnement normal. Ce rayonnement de chaleur limite l'élévation de la température de cette partie supérieure de la colonne d'eau 13a. Au moment de l'injection de vapeur à température et pression élevées dans la chambre de pression 14, l'eau contenue dans le tuyau vertical 14 reçoit de la chaleur de l'air ambiant par la partie exposée 25. Comme elle est relativement petite par rapport à la longueur totale du tuyau vertical 13, la quantité de chaleur transmise à l'eau de refroidissement dans le tuyau vertical 13 à travers la partie exposée 25 est relativement petite. Normalement, de plus, l'élévation de la température de l'eau de refroidissement dans la zone correspondant à la partie exposée 25 est limitée par cette partie exposée elle-même. Donc, l'augmentation de la température de la colonne d'eau de référence 13a est retardée comparativement au mode de réalisation de la figure 1. Il s'ensuit que le système de projection peut commencer à fonctionner longtemps avant que l'eau dans le mesureur de niveau ne commence à bouillir et l'appareil peut mesurer le niveau d'eau h dans le récipient avec une grande précision et de façon stable. Le troisième exemple, représenté figure 4, se distingue de celui de la figure 3 par la prévision d'un dispositif de refroi- dissement 26 sur la partie exposée 25. Les autres parties étant identiques aux parties correspondantes de l'exemple de la figure 1, seule cette différence sera décrite plus en détail. Le dispositif de refroidissement 26 limite l'échauffement de l'eau dans la partie supérieure de la colonne 13a et maintient l'eau au sommet de la colonne à peu près à la température de l'air ambiant 14a. La vitesse d'échauffement de la colonne d'eau de référence par une entrée de vapeur à température et pression élevées dans la chambre de pression 14 peut ainsi être réduite. Le dispositif de refroidis- sement 26 peut par conséquent être considéré comme un moyen s'opposant à l'effet de la partie exposée 25 du mesureur de niveau de la figure 3. 2472 177 R E V E N D I C A T I O N S 1. Mesureur de niveau qui est raccordé à un récipient contenant de l'eau ou un autre liquide dont il s'agit de mesurer le niveau dans sa partie inférieure et de la vapeur dans sa partie supérieure et qui comprend une chambre de référence contenant de l'eau ou un autre liquide à un niveau supérieur au niveau d'eau dans le récipient et de la vapeur au-dessus de cette eau, un détecteur de pression différentielle ayant deux orifices d'appli- cation de pression et placé sous le niveau d'eau dans le récipient, qui détecte la différence entre deux pressions appliquées auxdits orifices, un tuyau vertical rempli d'eau reliant le fond de la chambre de référence à l'un des orifices du détecteur, un tuyau inférieur rempli d'eau reliant le volume d'eau du récipient à l'autre orifice du détecteur et un tuyau supérieur reliant le volume de vapeur du récipient au volume de vapeur de la chambre de référence et qui maintient la surface de l'eau dans la chambre de référence à un niveau fixe de référence au-dessus du détecteur et maintient les volumes de vapeur du récipient et de la chambre de référence à la même pression, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif inhibiteur de transmission de la chaleur ou dispositif de calorifugeage attaché à une partie de mesureur (lOa) appelée section de détection de pression différentielle, qui comprend la chambre de référence (20), le tuyau vertical (13) et le tuyau inférieur (17), empêchant ou retardant ainsi la trans- -mission de chaleur de l'environnement (14a) de la section de détection (lOa) à l'intérieur de cette section sous l'effet d'une différence de température entre eux, ce qui retarde l'élévation de température de l'eau contenue dans la section de détection (lOa), susceptible de fausser la mesure du niveau d'eau(h)dans le réci- pient (11), ainsi que la mise en ébullition de cette eau, même si la température de l'environnement de la section de détection (lOa) s'élève brusquement. 2472 1 77 2. ce que le (22, 22a) 3. ce que la longueur. Mesureur selon la revendication 1, caractérisé en dispositif de calorifugeage est une gaine adiabatique attachée à la section de détection (lOa). Mesureur selon la revendication 2, caractérisé en gaine (22) entoure le tuyau vertical (13) sur toute sa 4. Mesureur selon la revendication 3, caractérise en ce que la gaine (22a) entoure en outre le tuyau inférieur (17) sur toute sa longueur. 5. Mesureur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la gaine (22) entoure le tuyau vertical (13) à l'exception d'une partie (25) s'étendant vers le bas sur une longueur donnée à partir de la chambre de référence (20). 6. Mesureur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un dispositif (26) pour le refroidissement de la partie non gainée (25) du tube vertical (13) est attaché à elle.