Brevet FR2463357A1 — publié le 19810220

Chaudière à parcours unique à circulation force. La présente invention se rapporte à une chaudière à parcours unique à circulation forcée qui travaille à une pression hypercritique sous charge continue maximum et à une pression comprise dans l'intervalle de pressions subcritiques dans des conditions de charge partielle. Avec les chaudières à pression hypercritique variable du type classique, il est habituel de maintenir les températures des parois des tubes des écrans d'eau pendant le fonc- tionnement à pression variable sous charge faible dans des intervalles de températures admissibles, uniquement en agissant sur le débit du parcours unique.De cette façon, pour maintenir la vitesse massique du fluide dans les tubes des écrans d'eau sous la charge donnée au-dessus du niveau critique, on règle la vitesse massique sous charge continue maximum sur une valeur deux a trois fois plus grande que celle correspondant à une chaudière a pression hypercritzque du type à fonctionne- ment sous pression constante, comme indiqué sur la Figure 1 Ceci dans le but d'améliorer le coefficient de transmission de la chaleur de la chaudière apres l'arrivée au point d'écartement de I"ébullition à noyaux (désigné ci-après par le sigle "EEN"). Pour les besoins expliqués plus haut, l'arrangement de tubes d'écrans d'eau classiques pour le foyer n'est pas compose de tubes verticaux mais, ainsi qui l'a représente sur la Figure 2, de tubes enroulés en hélice. Dans lgagencement représenté, les tubes vaporisateurs 201 ne sont pas verticaux mais inclinés. Par conséquent, comparativement aux chaudières ordinaires à tubes verti caux dans lesquels les tubes dSecrans d'eau supportent eux-memes leur propre poids, la structure support de la paroi du foyer est dsune construction compliquée et sa fabrication est couteuse. La présente invention a pour but de siil- plifier la structure porteuse de la paroi du foyer de la chaudière à pression hypercritique variable et de réduire son coût de fabrication L'invention a pour objet une chaudière à parcours unique à circulation forcée qui travaille à une pression hypercritique sous charge continue maximum et à une pression contenue dans l'intervalle des pressions subcritiques dans les conditions de charge partielle, chaudière dans laquelle les tubes d'écrans d'eau constituant les parois enveloppantes de la chambre de combustion comprennent des faisceaux de tubes en pa allèle pour l'écoulement ascendant simultane et les surfaces chauffantes par rayonnement des parois inférieures, avant, arriere et lat- rales du foyer sont partiellement ou totalement composées de tubes rayés. Une caractéristique de l'invention consiste donc en ce que, en tirant parti du fait que le coefficient de transmission de la chaleur est plus élevé après l'arrivée au point EEN des tubes rayes que celui des tubes normaux non rayés et lisses sur leur face interne, on peut améliorer le coefficient de transmission de la chaleur au-delà du EEN sans accroître la vitesse massique. Par ailleurs, l'invention a pour.objet une chaudière a parcours unique à circulation forcée qui travaille a une pression hypercritique sous charge maximum continue et à une pression contenue dans l'intervalle des pressions subcritiques dans les conditions de charge partielle, dans laquelle les tubes d'écrans d'eau constituant les parois enveloppantes de la chambre de combustion comprennent des faisceaux de tubes en parallèle pour l'écoulement ascendant simultané, toutes les parois, sauf les parties inférieures du foyer, c'est-à-dire les parois avant, arrière et latérales,sont compo- sees de tubes montantsverticaux et les surfaces chauffantes par rayonnement des parois inférieures avant, arrière et latérales du foyer, sont composées en partie ou en totalité de tubes rayés.Une autre ca ractéristique de l'invention consiste dans le fait que, étant donné que les parois avant, arrière et latérales du foyer sont toutes composées de tubes montants verticaux, les structures porteuses des parois sont simplifiées et que, en consequence, le coût de fabrication peut être avantageusement réduit. D'autres caracteristiques 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 un graphique sur lequel on a indiqué la vitesse massique regnant dans les tubes vaporisateurs en fonction du débit moyen de vapeur dans les chaudières a pression hypercritique; - la Fig. 2 est une vue en transparence d'une chaudière classique du type à tube de paroi enroulé en hélice qui montre la construction intérieure; - la Fig. 3 est une vue schematique de la construction d'une chaudière à pression hypercritique suivant l'invention;; - la Fig. 4 est une vue partielle, en partie en coupe d'un tube rayé destiné à être utilisé dans la chaudière à pression hypercritique suivant l'invention, - la Fig. 5 est un graphique montrant les relations entre la hauteur des tubes des écrans d'eau et les Tlux maximum de chaleur sur les surfaces externes des tubes des écrans d'eau, la qualité de la vapeur9 la qualité de vapeur produisant le EEN, la température du fluide à l'intérieur des tubes et les températures du métal des tubes de la chaudière a pression hypercritique; la Fig 6 est un graphique montrant les températures du métal sous différentes charges a la pression hyper- critique; et - la Fig. 7 est un graphique montrant la relation entre la pression du fluide et l'enthalpie dans la chaudiere à pression hypercritique sous diverses charges. L'invention sera décrite ci-après en detail, en regard des Figures 3 et 4. Les tubes 1 de la paroi avant, les tubes 2 de la paroi arrière et les tubes 3 des parois latérales sont combinés pour constituer un foyer (une chambre de combustion 4). Des collecteurs d'entrée la, 2a et 3a sont prévus respectivement pour les parois avant, arrière et latérales du foyer. Par ailleurs, des collecteurs de sortie lbS 2b et 3b sont prevus respectivement pour ces mêmes parois du foyer. Les tubes 1, 2 et 3,des parois avant, arrière et laterales, sont tous composés de faisceaux de tubes disposés en parallèle pour l'écoulement ascendant simultané. A l'exception des parties inferieures du foyer, les parois avant, arrière et latérales sont toutes composées de tubes montants verticaux. Ces tubes sont constitues en partie ou en totalité par des tubes rayés 15 tels que celui représente sur la Fig.4. La Fig. 3 montre également un conduit de gaz 5, un faisceau tubulaire économiseur 6, un collecteur 7 de sortie de l'économiseur, un tube de liaison pour la sortie 8 de l'économiseur, un ballon de distribution 9, des tubes de distribution 10, un surchauffeur primaire 11, un surchauffeur secondaire 12, un réchauffeur à haute température 13 et un réchauffeur a basse température 14. Dans la chaudière à parcours unique à circulation forcée possédant la construction décrite, l'eau d'alimentation de la chaudière qui a subi un échange de chaleur en passant dans le faisceau économiseur 6 est rassemblée dans le collecteur de sortie 7 de l'économiseur et elle est tout d'abord envoyée en circulation descendante par le tube de liaison 8 vers le ballon de distribu- tion 9 puis repartie par les tubes de distribution 10, et par l'inter- mediaire des collecteurs la, 2a, 3a des entrées des parois avant, arriere et laterales, dans les tubes 1, 2, 3 des parois avant, arrière et.latérales du foyer.L'eau d'alimentation dont la chaleur a été extraite par les tubes montants simultanés du foyer, termine sa vaporisation et la vapeur est recueillie par les collecteurs lb, 2b, 3b des sorties des parois avant, arrière et latérales, et envoyée à un séparateur d'eau non représenté. La Fig. 5 montre des exemples types de conditions régnant dans les tubes des écrans d'eau pendant le fonctionnement sous charge partielle de la chaudiere à parcours unique du type à tubes verticaux conforme à l'invention. La courbe 501 repré- sente la distribution du flux de chaleur locale maximum dans le sens de la hauteur de certains des tubes d'écrans d'eau du foyer.La courbe 502, qui correspond à la courbe 501, montre la qualite de la vapeur à l'instant on se produit le EEN (XEEN) a différentes hauteurs des tubes des écrans d'eau et la courbe 503 montre, à titre de comparaison, le XEEN dans le cas où l'on utilise des tubes ordinaires lisses, non rayés, en remplacement des tubes rayés. La courbe 504 représente d'un autre côté la qualité de la vapeur a différentes hauteurs des tubes des écrans d'eau pendant le fonctionnement normal et la courbe 505 represente la qualité de la vapeur dans les conditions les plus défavorables Xmaxi Les courbes 505 et 502 se coupent en un point 506 du niveau H1 des tubes des écrans d'eau. Ceci signifie que le EEN se produit dans la zone surmontant la hauteur H1 des tubes des ecrans d'eau. Les courbes 505 et 503 se coupent au point 507, au niveau H2 des tubes des ecrans d'eau. Il en résulte que, lorsqu'on utilise des tubes ordinaires lisses en remplacement des tubes rayes, le EEN se produit dans la région située au-dessus du niveau H2 des tubes des ecrans d'eau. La courbe 508 indique les variations de la température du fluide dans les tubes des écrans d'eau sur la hauteur des tubes pendant le fonctionnement normal, la courbe 509 repre- sente la temperature régnant dans les parois refroidies par l'eau dans les plus mauvaises conditions et les courbes 510 et 512 représentent les températures moyenne et de surface externe du métal dans la partie supérieure des tubes pour les tubes rayes des ecrans d'eau. Les courbes 511 et 513 représentent les températures moyenne et de surface externe du metal dans la partie supérieure des tubes des parois refroidies par l'eau lorsqu'on utilise des tubes lisses au lieu de tubes rayes.Lorsqu'on utilise des tubes rayés, le EEN se produit au niveau H1 des tubes des écrans d'eau et comme on l'a indiqué par les courbes 510 et 512, les températures du métal des parois refroidies par l'eau sont au niveau de l'ebullition noyauxg mais au-dessus du niveau H1g l'apparition du EEN détermine une élévation de la température du métal. Toutefois, dans ce cas, l'utilisation de tubes rayes maintient la tem pérature du métal suffisamment basse au delà du poi.nt EEN. La tempera ture moyenne 510 du mental de la partie supérieure des tubes et la tem pérature 512 de la surface externe du métal dans l partie supérieure des tubes sont toutes deux contenues dans les intervalles de eapa- tures admissibles Sur le graphique, les lignes interrompues venica- les 514 et 515 indiquent respectivement les valeurs admissibles des températures moyenne et de surface externe du métal dans la partie supérieure des tubes Au contraires dans le cas de la construc tion à tubes non rayés, le EEN se produit au niveau H2 des tubes des ecrans d'eau et, en raison du phénomène EEN qui se produit au-dessus de ce niveau, les températures 511 et 513 des mentaux se trouvent déjà au niveau de l'ébullition pelliculaire ou laminaire.Avec les tubes lisses, dont le coefficient de transmission de chaleur au-delà du EEN est plus bas que celui des tubes rayés, les températures du métal des tubes d'écrans d'eau à des niveaux supérieurs à H1 sont plus élevés que lorsqu'on utilise des tubes rayés. Au-delà du EEN, les températures 513 et 511, c'est-à-dire les températures moyenne et de surface externe du métal dans la partie supérieure des tubes, sont toutes deux supérieures à l'intervalle admissible. La Figure 7 représente graphiquement les résultats des experiences faites de la même façon qu'on l'a indiqué en résumé sur la Figure 5, mais avec le fonctionnement à pression variable debutant avec ss = 0,75 (la variation de pression commence a une charge de 75 % de la charge nominale du groupe). La courbe 603 represente la valeur maximum de la temperature du metal à la surface externe de la partie supérieure des tubes dans le cas de tubes d'écrans d'eau utilisant des tubes rayes suivant l'invention. La courbe 604 représente la temperature correspondante des tubes d'écrans d'eau en construction non rayée.De même, la courbe 616 represente la temperature maximum moyenne du métal dans la partie supérieure.des tubes dans le cas de tubes d'écrans d'eau rayés suivant l'invention et la courbe 607 represente la valeur correspondante pour des tubes d'écrans d'eau non rayés. Ainsi qu'on peut le voir, lorsqu'on utilise les tubes rayés, la temperature 604 de la surface externe du métal dans la partie supérieure des tubes et la temperature moyenne 607 du métal dans la partie supérieure des tubes, sont toutes deux supérieures aux intervalles admissibles sous une charge de-chaudière de moins d'environ 60 %. Au contraire, avec les tubes rayés, les deux températures sont contenues dans les intervalles admissibles même lorsqu'on utilise un arrangement à tubes verticaux. Les courbes horizontales interrompues 614 et 615 représentent respecti yement les valeurs admissibles de la température moyenne et de la temperature de la surface externe dans la partie supérieure des tubes. Pour la comparaison, le graphique indique la température 605 de la surface externe du métal dans la partie supérieure des tubes et la température moyenne 608 du métal dans la partie superieure des tubes pour des parois refroidies par l'eau utilisant un arrangement de tubes enroulés en hélice. Ces deux températures restent dans les intervalles admissibles.- Ainsi qu'on peut le voir sur le graphique, les températures du metal des tubes d'écrans d'eau rayés sont bien comparables en performance aux tem peratures des tubes d'écrans d'eau enroulés en hélice. Avec les chaudières classiques du type à collecteurs, on a quelquefois adopté des tubes rayés dans des construc tions à tubes verticaux, dans la plupart des cas dans des chaudières à circulation naturelle. Dans ces cas, l'utilisation de ces tubes rayes etait adoptee dans l'intention de maintenir les tubes des écrans d'eau de la chaudière dans la région de l'ébullition a noyaux et d'empêcher les tubes des écrans d'eau d'atteindre l'état EEN en utilisant des tubes rayés possedant une qualite de vapeur EEN suffisamment elevee comparativement à la qualité de vapeur que l'on rencontre reelle- ment dans les différentes parties des parois refroidies par l'eau de la chaudière.En d'autres termes, l'utilisation de tubes rayés dans les chaudières du type à collecteurs visait à tirer parti de l'amelio ration de la qualité de vapeur au point EEN qu'on obtient avec les tubes rayés par comparaison avec celle qu'on obtient avec les tubes lisses, non rayés. Dans les chaudières du type à collecteurs, la circulation de l'eau s'effectue à travers les parois refroidies par l'eau et, de ce faits il est nécessaire de prevoir une sortie de paroi refroidie par l'eau dans la région humide. il a donc été possible de maintenir les conditions de travail des diverses parties des parois refroidies par l'eau dans la région d'ébullition à noyaux grâce à l'utilisation des tubes rayés.Dans le cas d'une chaudière à pression hypercritique variable, comme le cas représenté sur la Fig. 7, les sorties des parois refroidies par l'eau se trouvent dans la région de la vapeur sèche, mais, étant donné que la qualité de vapeur EEN n? ex- cède pas 100 % e7 dépit de l'utilisation de tubes rayes, il est sans signification d'éviter le EEN pour la chaudière à pression hypercritique variable. Dans la forme décrite plus haut, la chaudière suivant l'invention peut sembler à première vue être analogue à la chaudière du type a collecteurs à tubes verticaux utilisant des tubes rayés. Toutefois, elle est nouvelle et fondamentalement differente de cette chaudière du type à collecteurs en ce sens que, alors que la chaudière du type à collecteurs à tubes verticaux utilise des tubes rayés afin d'eviter le phénomène de EEN dans les tubes d'écrans d'eau du foyer, : :I'utilisation de tubes rayes dans la chaudière a pression hypercritique variable dans la construction a tubes verticaux suivant l'invention est faite dans l'intention de permettre l'apparition du phénomène EEN, d'ameliorer le coefficient de transmission de la chaleurau-delà de EEN et d'abaisser le niveau de la température du métal des tubes des écrans d'eau. REVENDICATIONS 1 ) - Chaudière à parcours unique & circulation forcée destinée a travailler à une pression hypercritique sous la charye continue maximum et a une pression contenue dans la reion des pressions subcritiques dans des conditions de charge partielle, caractérisée en ce mue les tubes (1, 2, 3) des écrans d'eau constituant les parois enveloppantes de a chambre de combustion (4) comprennent des faisceaux de tubes disposes en parallele pour I'écoulement ascendant simultané, et en ce crue les surfaces chauffantes par rayonnement des parois inférieure, avant, arrière et latérales du forer sont composees en partie ou en totalité de tubes rayes (15). 2 ) - Chaudière suivant la revendication 1, caractérisée en ce que toutes les parois, sauf les parties inférieures du foyer, c'est-à-dire les parois avant, arrière et latérales, sont coinposees de tubes montants verticaux.