Brevet FR2463358A1 — publié le 19810220

La présente invention concerne une chaudière à cir- culation forcée de centrale électrique pouvant fonctionner avec soutirage d'eau. Il est parfois souhaitable qu'une chaudière de cen- traie électrique, comportant la circulation forcée du fluide actif à travers des tubes générateurs de vapeur, comprenne un séparateur vapeur/eau et soit conçue de façon qu'on puis- se soutirer, sous charge normale, une fraction ou la totali- té de l'eau séparée dans ce séparateur et l'envoyer traver- ser des moyens de déminéralisation pour la débarrasser de tout ou partie des solides ou solides dissous qu'elle con- tient. Il est connu de récupérer une grande partie de la chaleur contenue dans l'eau de soutirage qui quitte le sépa- rateur en faisant traverser à cette eau un échangeur de chaleur refroidi par l'eau d'alimentation de la chaudière en cours de passage du condenseur à l'économiseur de la chaudière. La demanderesse a observé que ce mode de récupéra- tion de la chaleur de l'eau de soutirage implique une dégradation de la chaleur sans l'avantage d'une conserva- tion correspondante de la chaleur latente au cours de l'ensemble du cycle telle que celle obtenue lorsque, pour chauffer l'eau alimentaire, on exploite la condensation de vapeur partiellement détendue soutirée à cette fin d'un ou plusieurs étages de l'ensemble, par exemple de turbines, générateur de force motrice mû par la vapeur. Selon la présente invention, dans une chaudière à circulation forcée de centrale électrique pouvant fonction- ner avec soutirage d'eau, on fait en sorte que l'eau souti- rée cède de la chaleur à de la vapeur partiellement déten- due qui traverse un réchauffeur de vapeur monté entre deux étages du groupe générateur de force motrice. Bien que, dans de nombreuses centrales, les réchauf- feurs soient chauffés par le fluide chauffant qui assure dans la chaudière les opérations nécessaires de chauffage d'eau, ainsi que de production et de surchauffe de vapeur, dans d'autres installations, notamment certaines installa- tions de réacteur de puissance, il peut être nécessaire ou souhaitable pour diverses raisons, de faire assurer le réchauffage par d'autres fluides. Par exemple, une partie du fluide chauffant d'un réchauffeur peut être un courant de vapeur soutiré sur la conduite de vapeur vive partant du surchauffeur et envoyé dans un faisceau tubulaire du ré- chauffeur, tandis qu'une autre partie du fluide chauffant d'un tel réchauffeur peut être un courant de vapeur soutiré du groupe générateur de puissance à un étage antérieur à celui auquel est soutirée la vapeur à réchauffer et envoyé dans un autre faisceau tubulaire du réchauffeur, les cou- rants de vapeur cédant de la chaleur dans les faisceaux tubulaires respectifs pendant qu'ils y subissent un refroi- dissement et une condensation. La présente invention permet de remplacer partiellement ou totalement le chauffage d'un tel réchauffeur par de tels courants de vapeur; si, selon l'invention, le chauffage de la vapeur dans le réchauffeur est assuré par de l'eau soutirée substituée partiellement ou totalement à cette fin à la vapeur vive, celle-ci demeu- re disponible en plus forte proportion ou en totalité pour jouer son rôle plus approprié de fluide moteur pour entrai- ner le groupe générateur. L'eau de soutirage qui quitte le réchauffeur con- tient en général assez de chaleur pour qu'il vaille la pei- ne de la faire refroidir encore par l'eau d'alimentation de la chaudière. L'eau de soutirage est refroidie dans le réchauf- feur, mais la précipitation de solides dissous qui peut ap- paraître, par exemple, dans les tubes qui la canalisent dans le réchauffeur est normalement plus faible que dans la zone d'ébullition finale des tubes de production de vapeur de la chaudière et est certainement plus faible par surface unitaire qu'elle ne le serait dans un réchauffeur d'eau alimentaire conçu pour refroidir de l'eau soutirée qui lui parviendrait directement à partir du séparateur. On va maintenant décrire à titre d'exemple une réa- lisation de l'invention en se référant au dessin annexé, dont la figure unique représente schématiquement les princi- paux éléments d'une centrale nucléaire. Sur le dessin, on voit en 1 une chaudière à circula- tion forcée de centrale thermique conçue pour entraîner un groupe générateur de force motrice 2, entraînant lui-même une génératrice 3 à partir de l'énergie thermique qu'il pré- lève sur une source de chaleur 4. Telle que représentée, la source de chaleur 4 est une source de chaleur primaire constituée par un réacteur nucléaire à neutrons rapides 5, par un circuit de réfrigérant primaire 6 conçu pour canali- ser du sodium liquide, propulsé par une pompe 7, à travers le coeur 8 du réacteur, afin de refroidir ce coeur, puis à travers un échangeur de chaleur à contact indirect 9, desti- né à refroidir le sodium liquide du circuit, et par un cir- cuit de réfrigérant secondaire 10 conçu pour canaliser du sodium liquide, propulsé par une pompe 11, à travers l'échangeur de chaleur 9, afin qu'il prélève de la chaleur sur le sodium liquide du circuit de réfrigérant primaire 6, puis à travers des échangeurs de chaleur à contact indirect 12 et 13, conçus pour chauffer de l'eau, puis produire et surchauffer de la vapeur dans la chaudière 1 à partir de la chaleur véhiculée par le sodium liquide du circuit de réfri- gérant secondaire. L'échangeur de chaleur 12 est conçu sous forme de récipient sous pression offrant intérieurement un trajet d'écoulement au sodium liquide du circuit de réfrigérant secondaire, avec interposition sur ce trajet d'écoulement de surfaces d'échange de chaleur, représentées de manière classique sur la figure, constituées par des tubes montés en parallèle qui jouent le rôle de tubes de surchauffe de vapeur de la chaudière. L'échangeur de chaleur 13 est aussi réalisé sous forme de récipient sous pression présentant in- térieurement un trajet d'écoulement sur lequel sont interpo- sées des surfaces d'échange de chaleur, représentées de manière classique sur la figure, constituées par des tubes montés en parallèle qui jouent le rôle de tubes de chauffa- ge d'eau et de production de vapeur de la chaudière. Les moyens générateurs de force motrice sont cons- titués par des turbines à vapeur sous haute pression 14, sous moyenne pression 15 et par deux turbines sous basse pression 16. Une conduite de vapeur vive 21 canalise de la vapeur surchauffée depuis les tubes de surchauffeur de l'échangeur de chaleur 12 jusqu'à l'entrée de la turbine haute pression 14, un conduit de vapeur 22 canalise la va- peur de la sortie de la turbine 14 à l'entrée de la turbine sous moyenne pression 15, un conduit de vapeur 23 canalise la vapeur de la sortie de la turbine 15 jusqu'à un réchauf- feur 24 et un conduit de vapeur 25 canalise la vapeur du réchauffeur 24 à l'entrée des turbines basse pression 16. La vapeur se détend progressivement en entraînant les turbi- nes et, en quittant les turbines 16, elle est sous une pres- sion très faible telle qu'elle se liquéfie dans un conden- seur 26. Le condensat résultant est envoyé aux tubes de chauffage d'eau et de production de vapeur de l'échangeur de chaleur 13 à travers une conduite d'eau 27 sur laquelle sont interposés une pompe d'extraction 28, un réchauffeur d'eau alimentaire fermé 29, un réchauffeur d'eau alimentai- re de dégazage 30, une pompe à eau alimentaire de chaudière 31 et deux réchauffeurs d'eau alimentaire fermés 32 et 33. Il est prévu un trajet permettant à une fraction de l'eau alimentaire de franchir en dérivation les réchauffeurs 32 et 33 pour être par contre réchauffée dans un réchauffeur d'eau de soutirage 34, le trajet dérivé comportant des con- duites d'admission 35 et de sortie 36 d'eau alimentaire qui desservent le réchauffeur 34. Les réchauffeurs d'eau alimen- taire 29, 30, 32 et 33 sont du type à récupération, le ré- chauffeur 33 étant agencé pour recevoir, suivant les traits interrompus à une seule flèche blanche, un courant de vapeur soutiré dans un étage de la turbine sous moyenne pression 15, le réchauffeur 32 pour recevoir, suivant les traits interrompus à double flèche blanche, un courant de vapeur soutiré dans un étage basse pression de la turbine sous moyenne pression 14, le réchauffeur 30 pour recevoir, suivant les traits interrompus à triple flèche blanche, un courant de vapeur soutiré dans le conduit de vapeur 23 et le réchauffeur 29, pour recevoir un courant de vapeur souti- ré dans les étagés de la turbine basse pression 16. Des conduits non représentés canalisent le condensat du réchauf- feur 33 dans le réchauffeur 32, du réchauffeur 32 dans le réchauffeur-30 et du réchauffeur 29 dans le condenseur 26. La chaudière comporte un séparateur vapeur/eau 41 agencé pour recevoir le fluide, contenant de la vapeur, qui sort des tubes de production de vapeur de l'échangeur de chaleur. Un conduit de vapeur 42 est agencé pour envoyer aux tubes de surchauffe de l'échangeur de chaleur 12 la va- peur séparée de l'eau dans le séparateur 41, un conduit d'eau de soutirage 43 est prévu pour évacuer en continu l'eau séparée de la vapeur dans le séparateur 41 et il est prévu une pompe de recyclage 44 permettant, si c'est né- cessaire à l'occasion, de prélever de l'eau sur le sépara- teur 41 et de la ré-introduire dans la conduite d'eau ali- mentaire 27 en amont des tubes de chauffage d'eau de l'échangeur de chaleur 13. Le réchauffeur 24 peut être réalisé sous la forme d'un récipient sous pression oblong qui offre à la vapeur à réchauffer un trajet dirigé dans l'ensemble de l'une à l'autre de ses extrémités. Sur le trajet de canalisation de la vapeur à réchauffer sont interposés d'abord un purgeur destiné à retenir les gouttelettes d'eau présentes dans le courant de vapeur, le réchauffeur comportant une voie 46 d'évacuation de l'eau résultante, puis un faisceau tubulai- re 47 destiné à recevoir, à travers un conduit 48, un cou- rant de vapeur soutiré sur le conduit de vapeur 22 et pour le faire passer sous forme de condensat, à travers une con- duite 49 sur laquelle est interposé un robinet de réglage , dans le réchauffeur d'eau alimentaire 33. La vapeur à réchauffer balaie ensuite un second faisceau tubulaire 51 agencé pour être traversé par l'eau de soutirage empruntant le conduit 43. Un troisième faisceau tubulaire 52 peut aussi être disposé dans le réchauffeur pour transmettre un supplément de chaleur à la vapeur à réchauffer, ce faisceau tubulaire étant agencé pour recevoir, à travers un conduit 53, un courant de vapeur provenant de la conduite de vapeur vive 21 qui emprunte sous forme de condensati un conduit 55, commandé par un robinet 54, l'amenant du faisceau tubulaire 52 au réchauffeur d'eau alimentaire 33. L'eau de soutirage franchit, après avoir traversé le faisceau tubulaire 51 du réchauffeur 24, un régulateur de débit 61 constitué par une valve de réglage commandée par un détecteur de débit, puis un détendeur 62, et pénètre dans le refroidisseur d'eau de soutirage précité 34. Il est préférable que, dans ce refroidisseur 34, les deux fluides circulent d'une manière générale, comme indiqué, à contre- courant. L'envoi au refroidisseur 34 d'eau alimentaire des- tinée à refroidir l'eau de soutirage et qui franchit en dérivation les réchauffeurs d'eau alimentaire 32 et 33 est commandé par une valve 63, interposée sur la conduite d'admission d'eau alimentaire 35, influencée à la fois par la température de l'eau de soutirage pénétrant dans le refroidisseur 34 et par la température de l'eau alimentaire présente dans le conduit de retour d'eau alimentaire 36 de façon que la seconde de ces températures conserve un écart au moins préfixé par rapport à la première. L'eau de soutirage émanant du refroidisseur 34 tra- verse un second détendeur 64, puis une boucle à eau de souti- rage 65 qui comporte un second refroidisseur d'eau de souti- rage 66, un troisième détendeur 67 et un moyen déminéralisa- teur 68 de genre connu destiné à retenir les particules et solides dissous dans l'eau, l'eau soutirée passant de cette boucle dans le réchauffeur d'eau alimentaire de dégazage 30, dans lequel elle se joint au courant d'eau alimentaire em- pruntant la conduite 27. Le débit auquel le fluide de refroi- dissement traverse le second refroidisseur d'eau de souti- rage 66 est déterminé par une valve de réglage 69 influen- cée par la température de l'eau de soutirage quittant le refroidisseur 66 de manière à conserver à cette température une valeur constante et de nature à assurer le bon fonction- nement du déminéraliseur. A l'entrée de la boucle d'eau de soutirage 65 est placé un échangeur de chaleur 70 qui prélève de la chaleur sur l'eau de soutirage pénétrant dans la boucle et la trans- met à l'eau de soutirage quittant la boucle. L'eau de sou- tirage refroidie dans cet échangeur de chaleur 70 traverse successivement le second refroidisseur d'eau de soutirage 66, le troisième détendeur 67 et le moyen déminéralisateur 68 avant de rejoindre ledit échangeur de chaleur 70 pour y prélever de la chaleur. Pendant le fonctionnement de la centrale, la pompe de chaudière 30 envoie à la chaudière 1 de l'eau sous pres- sion appropriée, à un débit adéquat, l'eau atteignant le niveau voulu dans le séparateur 41, pour permettre à la chaudière de convertir la chaleur engendrée dans le coeur de réacteur 8 en énergie débitée par la génératrice 3. Sous charge normale et dans un intervalle de charges élevées en général, la pompe de recyclage 44 ne fonctionne pas et l'eau séparée, dans le séparateur 41, à partir du fluide arrivant dans ce séparateur des tubes de chauffage d'eau et de production de vapeur de l'échangeur de chaleur 13 est soutirée du séparateur par la conduite 43. Le débit de sou- tirage d'eau peut être typiquement de l'ordre de 10 % du débit d'amenée d'eau par la pompe 30 quand la chaudière est sous charge normale. L'eau de soutirage traverse les tubes des faisceaux tubulaires 51 et fournit de la chaleur à la vapeur qui s'est partiellement détendue et refroidie en entraînant les turbines haute pression 14 et moyenne pression 15 et qui traverse le réchauffeur 24 avant de subir la dernière phase de détente et de refroidissement en entraînant les turbines basse pression 16. La chaleur ainsi transmise par l'eau de soutirage à de la vapeur à réchauffer subit moins de dégra- dation que si elle était transmise à de l'eau alimentaire à chauffer. Grâce à la réchauffe assurée par le faisceau tubu- laire 51, il devient moins nécessaire de faire subir au cou- rant de vapeur à réchauffer l'effet d'un troisième faisceau tubulaire (faisceau 52) recevant de la vapeur vive et, si ce troisième faisceau est prévu, il peut être conçu pour exercer seulement un effet faible. Ainsi, on évite ou l'on réduit la perte de rendement due à ce qu'une partie de la vapeur vive sert à réchauffer la vapeur et non à entraîner le groupe générateur de force motrice. Etant donné que le régulateur de débit 61 agit sur le courant d'eau de soutirage après que celui-ci ait été refroidi dans le réchauffeur 24, son élément détecteur de débit 61 agit sur de l'eau à température très inférieure à celle de saturation et son effet est donc plus précis que s'il s'exerçait sur de l'eau susceptible de véhiculer enco- re des bulles de vapeur. L'eau de soutirage subit ensuite un effet de refroidissement plus accusé dans le refroidisseur d'eau de soutirage 34 en cédant de la chaleur, par contact indirect, à l'eau alimentaire sur un trajet d'écoulement d'eau alimen- taire qui franchit en dérivation les réchauffeurs d'eau alimentaire à régénération 32 et 33. On trouve, à refroidir l'eau de soutirage dans le refroidisseur 34, qui n'est pas un réchauffeur d'eau alimentaire alimenté par de la vapeur soutirée, l'avantage que les surfaces d'échange de chaleur sont flanquées de part et d'autre d'eau "solide" et qu'en outre, l'eau alimentaire n'est pas du tout diluée avec du condensat de vapeur soutirée avant de pénétrer dans le moyen de déminéralisation 68, alors que si l'eau soutirée allait subir un refroidissement dans le réchauffeur d'eau alimen- taire à régénération-33, par exemple, avant d'atteindre le moyen de déminéralisation, l'effet des surfaces d'échange de ce dernier serait peu efficace en raison de la vaporisa- tion instantanée subie par la vapeur d'eau dans le réchauf- feur 33 et, de plus, le condensat de vapeur soutirée augmen- terait le volume de l'eau soutirée arrivant au moyen 68. Les détendeurs 62, 64 et 67 interposés sur le trajet d'écoulement d'eau soutirée diminuent progressivement la pression de l'eau soutirée, ce qui permet de fixer, pour la conception des tubes et récipients contenant cette eau, des pressions maximales de plus en plus faibles. 246335? REVENDICATIONS 1. Chaudière à circulation forcée de centrale élec- trique pouvant fonctionner avec soutirage d'eau, caractéri- sée en ce qu'il est fait en sorte que l'eau soutirée cède de la chaleur à de la vapeur partiellement détendue qui traverse un réchauffeur de vapeur monté entre deux étages du groupe générateur de puissance motrice. 2. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réchauffeur est conçu de façon que la vapeur à réchauffer balaie un faisceau tubulaire agencé pour être alimenté par un courant de vapeur à plus haute température que la vapeur à réchauffer, soutiré à un étage du groupe générateur de force motrice et qui passe ensuite dans un ré- chauffeur d'eau alimentaire à régénération de la chaudière, et que la vapeur à réchauffer balaie ensuite un faisceau tubulaire agencé pour être traversé par ladite eau soutirée. 3. Chaudière selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un régulateur de débit d'eau soutirée, comprenant une valve de réglage gouvernée par un détecteur de débit, est prévu sur le trajet d'eau soutirée immédiatement en aval du faisceau tubulaire du réchauffeur traversé par l'eau alimentaire. 4. Chaudière selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un détendeur est prévu sur le trajet d'eau souti- rée immédiatement en aval du régulateur de débit. 5. Chaudière selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce qu'il est fait en sorte que l'eau soutirée passe, après avoir cédé de la chaleur à de la vapeur partiellement détendue dans le réchauffeur, à tra- vers un refroidisseur d'eau soutirée refroidi par l'eau alimentaire de la chaudière. 6. Chaudière selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'eau alimentaire de la chaudière destinée à re- froidir ledit refroidisseur d'eau soutirée emprunte un tra- jet dérivé qui franchit en dérivation le moyen de chauffage d'eau alimentaire à régénération. 7. Chaudière selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'écoulement d'eau alimentaire sur ledit trajet dérivé est commandé par une valve de réglage gouvernée à la fois par la température à laquelle l'eau soutirée pénètre dans le refroidisseur d'eau soutirée et par la température à laquelle l'eau alimentaire quitte ce refroidisseur d'eau soutirée. 8. Chaudière selon l'une quelconque des revendica- tions 5 à 7, caractérisée en ce que le refroidisseur d'eau soutirée est conçu de façon que les deux fluides y circu- lent dans l'ensemble à contre-courant. 9. Chaudière selon l'une quelconque des revendica- tions 5 à 8, caractérisée en ce qu'un détendeur est prévu sur le trajet d'eau soutirée, immédiatement en aval du re- froidisseur d'eau soutirée. 10. Chaudière selon l'une quelconque des revendica- tions 5 à 9, caractérisée en ce que l'eau soutirée va, une fois refroidie dans ledit refroidisseur d'eau soutirée, traverser une boucle d'eau soutirée qui comporte un refroi- disseur d'eau soutirée supplémentaire et un moyen de déminé- ralisation conçu pour débarrasser l'eau des particules et solides dissous, un échangeur de chaleur étant prévu à l'en- trée de cette boucle pour transmettre de la chaleur de l'eau soutirée pénétrant dans la boucle à l'eau soutirée quittant la boucle. 11. Chaudière selon la revendication 10, caractéri- sée en ce qu'un détendeur est prévu dans la boucle d'eau soutirée immédiatement en aval dudit refroidisseur d'eau soutirée supplémentaire. 12. Chaudière selon la revendication 10 ou 11, ca- ractérisée en ce qu'il est fait en sorte que l'eau soutirée, après avoir traversé la boucle d'eau soutirée, rejoigne le courant d'eau alimentaire de la chaudière au niveau d'un réchauffeur d'eau alimentaire situé en amont de la pompe d'eau alimentaire de la chaudière.