Brevet FR2476869A1 — publié le 19810828

1.- L'invention concerne une installation pour assu- rer une régulation hydraulique du niveau d'un liquide, au moyen d'un appareil hydraulique de prélèvement à sonde d'évacuation à deux phases. Une telle installation sert, par exemple, à la ré- gulation automatique de l'évacuation du condensat dans les ré- chauffeurs de régénéraiion des turbines à vapeur. Les solutions connes adoptées pour l'évacuation ou purge du condensat et la régulation du niveau, se différen- cient par le principe utilisé pour obtenir une information rela- tive au niveau du liquide dans le système soumis à régulation. Les solutions les plus anciennes sont représentées par différen- tes sortes d'appareils d'évacuation à flotteur qui transmettent l'information relative au niveau sous la forme d'une valeur mécanique de la position du flotteur, Dans les cas les plus sim- ples de réalisation du circuit de régulation, pour un faible dé- bit de liquide à évacuer, par exemple un condensat cette valeur peut Otre utilisée pour commander directement la course de sou- lèvehent d'une soupape de réglage et de purge. Un autre principe simple pour détecter le niveau consiste à mesurer la variation de pression dtun gaz approprié qui passe dans un tuyau plongé dans le liquide, par l'extrémité ouverte duquel le gaz se répand librement à travers le contenu liquide d'un récipient. Suivant la pratique actuelle, il est la plupart du temps utilis6é pour la détection du niveau, un palpeur élec- trique avec un siMual de sortie de courant ou de tension élec- trique. On utilise également pour lindication du niveau de liquide, un procédé hydraulique dans lequel on met à profit les variations de la pression dynamique produite par le freinage d'un jet de liquide en tubulence qui s'échappe, d'une bue de prélb- vement, en traversant une couche de liquide située au-des su d2une buse de prélèvement. Toutes ces solutions présentent certains incon- vénients, Un inconvénienb commun aux trois solutions mentionnées cidessus, réside dans la faible puissance du signal de sortie du déteoteur qui n'est pas offisante pour une commaIe directe de soupapes d'éeacuatIon dans des circuits de regulation pa? exemple pour l'évacuation automatique d'un condensate Une conséquence de cette nécessité d'amplifiea- tion du signal obtenu avec ces détecteurs, est la complication 2.- croissante des boucles de circuit de régulation, ce qui se tra- duit généralement par une réponse dynamique insuffisamment ra- pide d'un circuit de ce genre à une variation subite du niveau, ce qui peut signifier par exemple dans le cas d'un réchauffeur régénérateur, un dépassement du niveau de sécurité de l'eau et des avaries dans l'installation. Un détecteur hydraulique du niveau liquide, peut fournir une sortie de puissance suffisante pour la commande directe d'un servo-moteur actionnant la soupape de régulation. Cependant, le mélange de vapeur et de gaz non condensable absor- bé par le jet turbulent est la cause, si l'on branche directe- ment l'appareil de prélèvement hydraulique et le servo-moteur sur une autre portion de tuyau, d'oscillations de la pression de commande et d'un comportement irrégulier du circuit. Un autre obstacle à l'utilisation d'un circuit avec réponse dynamique rapide, réside dans la production de coups de bélier qui apparaissent du fait de la fermeture rapide de la soupape de régulation et de purge quand on arrête subite- ment le liquide dans une canalisation tubulaire de jonction de grande longueur destinée à l'évacuation du condensat. Les inconvénients mentionnés ci-dessus sont évi- tés dans une large mesure par une installation conforme à l'in- vention pour la régulation hydraulique de niveaux de liquides, installation qui comporte un récipient de dérivation avec une conduite tubulaire de liaison, un appareil de prélèvement hydrau- lique et un séparateur contenant un détecteur d'évacuation à deux phases qui est relié à l'entraînement de la soupape de ré- gulation et de purge. L'installation de l'invention est caractérisée en ce que, à une buse d'un dispositif de prélèvement hydraulique, est raccordé un canal central, qui plonge, par sa partie perfo- rée, dans un récipient séparateur. Dans ce récipient séparateur, plonge également un détecteur de purge à deux phases dont la conduite de retour débouche à l'extérieur de la chambre active du séparateur, dont la partie inférieure est en liaison par une conduite de commande par impulsions, avec l'entraînement de la soupape qui est disposé dans le tuyau de raccordement du réci- pient. Dans la chambre intérieure du raccordement de l'appareil de prélèvement hydraulique, est prévu un entonnoir 3.- coaxial, disposé de telle manière que, entre son fond et le fond du raccord de liaison, il se forme un canale qui est relié à l'enceinte intérieure du récipient. Le fond de l'entonnoir est prolongé au-delà de la chambre du purgeur hydraulique. A l'em- placement de la buse de prélèvement, est prévu, autour de celle- ci, un diffuseur dont le raccord inférieur débouche dans la cham- bre d'évacuation prévue dans le fond de l'appareil de prélève- ment hydraulique. Un exemple de réalisation pratique d'une instal- lation conforme à l'invention pour la régulation du niveau de liquide, est représenté dans le dessin annexé, sous la forme d'une boucle de régulation du niveau d'un réchauffeur-régénéra- teur d'une turbine à vapeur. L'installation représentée au dessin comprend un récipient 5, qui est relié par une conduite tubulaire de jonc- tion G1, avec la bride de gauche de la cage de la soupape de ré- gulation 4, sur la bride de droite de laquelle est raccordée la conduite tubulaire d'évacuation de purge G2, laquelle débouche à l'extérieur de l'ensemble de système de régulation. Sur le récipient 5 est raccordeé, en outre, au moyen d'une conduite de jonction 16, un appareil de prélèvement de fluide 1 au moyen d'une bride de raccordement 16. Dans cet appareil 1 est prévu un entonnoir 15 placé en direction longi- tudinale perpendiculaire à l'axe de l'appareil 1. La conduite de raccordement 16 débouche dans une chambre d'entrée 101 qui est séparée d'une chambre d'interaction 102 par une enveloppe de protection perforée 13. La chambre d'interaction 102, dans la- quelle débouchent par le haut une buse de prélèvement supérieure 11, qui est raccordée à une conduite d'alimentation 110, et par le bas, une buse d'évacuation 12 coaxiale avec la précédente, se termine en bas par un diffuseur 14, dont le raccord inférieur débouche dans une chambre 103. L'appareil de prélèvement hydrau- lique 1 présente un retour au récipient 5v par l'intermediaire d'un canal prévu dans le raccord de jonction 16, en-dessous du fond de l'entonnoir 15. L'installation comprend, d'autre part, un sépa- rateur 2, dont la chambre intérieure est reliée avec la buse de purge 12 du canal central 21 o Le séparateur 2 est en outre re- lié, par l'intermédiaire d'un palpeur d'évacua.tion à deux pha- ses 22 et d'une conduite de retour 23 qui lui est raccordée, 4.- à un canal formé dans le raccord de jonction 16 en-dessous du fond de l'entonnoir 15. La partie inférieure du séparateur 2 est reliée, par une conduite tubulaire à impulsions 24, avec la chambre su- périeure de l'entratnement hydraulique 3, au-dessus du piston 31. Ce dispositif d'entraînement hydraulique comprend un pis- ton coulissant 31, qui s'appuie sur un ressort 32 et qui est relié rigidement, par la tige de piston 36, avec le cône 33 coulissant dans la lanterne 34 reliée rigidement au corps de la soupape de régulation. La chambre inférieure de l'envelop- pe de l'entra nement, en dessous du piston 31, est reliée par l'intermédiaire d'une conduite d'équilibrage 35, à la conduite de jonction 61. Le mode de fonctionnement de l'installation conforme à l'invention, repose sur le mélange d'un jet de con- densat en turbulence, qui sort de la buse d'entrée 11, avec le fluide sous forme de vapeur et de gaz, et sur une interaction du jet de liquide ainsi produit avec la couche de condensat qui s'écoule au-dessus de la buse de prélèvement 12. La transmission rapide d'une indication de la hauteur du niveau à régler dans le récipient 5 à l'appareil de prélèvement hydraulique 1 exté- rieur au récipient, est assurée par l'écoulement du condensat passant par l'entonnoir 15 dans la chambre d'entrée 101. le condensat s'écoule dans la chambre d'interaction 102 en fonction de la différence de niveau intérieure et extérieure à l'envelop- pe protectrice 13. Après mélange du condensat avec le-jet de liquide, le fluide résultant est transporté, en raison du dépla- cement relatif entre ces courants, Jusqu'au niveau de l'embou- chure de la buse d'évacuation de purge 12 et duwdiffuseur 14. Dans ce diffuseur, le noyau du courant de mélange est séparé et stabilisé par l'alésage cylindrique du corps de la buse d'é- vacuation 12. Le reste du mélange s'écoule, par le diffuseur 14, dans la chambre d'évacuation 103, et revient librement dans le récipient 5, par le canal formé au-dessous de l'entonnoir 15 dans le raccord de branchement 16. L'énergie cinétique du courant de mélange qui passe par la buse d'évacuation 12 est convertie en pression dans le diffuseur 14, et le mélange comprimé passe, par le ca- nal central 21, dans le séparateur 2. Dans la chambre intérieure de ce séparateur, se produit une séparation entre la phase 5.- liquide et la phase gazeuse, et, si les conditions sont station- naires, il s'institue également un niveau libre de liquide au niveau de la section transversale de passage du détecteur d'éva- cuation à deux phases 22. Le niveau de pression dans le sépara- teur 2 correspond ici à une valeur de la masse du flux d'écou- lement par le canal central 21 et par le détecteur d'évacuation 22. Cette valeur de pression est transmise au-dessus du piston 31 de l'entraInement 3, par la conduite tubulaire à impulsions 24. La résultante de la force qui est produite par la pression du condensat sur le piston 31, et la compression du ressort 33 qui en résulte, déterminent la position de l'ensemble coopérant du piston 31, de la tige de piston 36 et du c8ne de soupape 33, par rapport aux évidements de la lanterne 34 et détermine la grandeur de la section de passage et ainsi de l'écoulement du condensat dans la soupape de régulation 4 et dans la conduite tubulaire d'lvacuation 61, pour sortir du récipient 5. Le ni- veau de pression dans lentraïnemen 3 au-dessous du piston 31 est équilibré avec la pression qui rage dans la conduite tubu- laire de jonction 61 en amont de la cage de la soupape de régu- lation 4, par la conduite tubulaire d'équilibrage 35. Le comportement dynamique de la boucle de cir- cuit de réglage pour la régutlation du niveau d'un réchauffeur- régénérateur d'une turbine à vapour peut etre ezpliqué comme résultat d 'une réaction dynamique à une reduction subite de l'afflux du condensat dans le récipient 5o Une réduction de cet afflux de condensate avec une évacuation momentanément constante, par la conduite de jonction 61 et la cage de la soupape de régu- lation 4, provoque un abaissement du niveau dans le récipient , et une réduction de l'écoulement du condensat, par l'enton- noir 15e dans la chamtbe d'entrée 101 de l1appareil de.prél'eve ment hydra iique, Le niveau dans la chambre d0entré 101 décroît très rapidement et la diminution de la diffSérenee du niveau mur l'enveloppe 13 provoque à son touxr une diminution du flu de passage dans la chambre deinteraction 02, un abaissement de la couche de liquide auadessus de la buse d'évacuation '2 et ainsi un accroissemeit du couaut du reMélange dans cette buse d'évacuation 12 L'afflux accru du mélange dans le séparateur 2 par le canal central 21 accroit la pression dans ce séparateur 2. Cet accroissemewnt de pression est communiqué par la conduitle de jonction à impulsions 24 à la chambre au-dessus du piston 31 6.- de l'entrainement 3. La modification de la résultante des forces commence à se déplacer dans le système formé par le piston 31, la tige de piston 36 et le cône de soupape 33, dans l'enveloppe d'entraînement 3 et dans la lanterne 34 et ainsi également se trouvent réduits l'écoulement du condensat par le corps de la soupape de régulation 4, par la conduite de jonction 31, et éga- lement le flux de sortie du condensat hors du récipient 5. La vitesse de déplacement du piston 31 détermine l'afflux de condensat dans l'entralnement 3, l'écoulement à tra- vers la conduite de jonction à impulsions 24 et l'évacuation du condensat, qui provoque un abaissement du niveau dans le sépara- teur 2. En raison de l'abaissement du niveau, le débit de la phase vapeurgaz venant de l'amas de vapeur et de gaz domine dans la section de passage du détecteur d'évacuation à deux phases 22. L'écoulement ainsi réduit de sortie de la masse de condensat a pour conséquence une élévation rapide de la pression dans le séparateur 2. Ce processus est renforcé par un couplage de ré- troaction positif, jusqu'à ce que soit prédominante l'influence du couplage de réaction négatif entre la course du cône de sou- pape 33 et le débit de la conduite de liaison 61, et par éléva- tion du niveau dans le récipient 5, et également par réduction du courant de mélange sortant de l'appareil de prélèvement 1 dans le séparateur 2. L'influence dynamique du couplage de ré- troaction positif peut être modifiée et réglée par modification de la géométrie du détecteur à deux phases 22 et permet ainsi de rendre optimal le comportement dynamique de l'ensemble de la boucle de circuit de réglage. En vue d'éviter l'apparition de coups de bélier lors de la fermeture rapide de la soupape de réglage 4, il est prévu, conformément à l'invention, de réaliser une jonction de la chambre située au-dessous du piston 31 dans l'enveloppe du dispositif d'entraînement, avec la conduite tubulaire de jonc- tion 61, par l'intermédiaire de la conduite d'équilibrage 35. De cette manière, en transmettant l'accroissement de pression provenant de la conduite tubulaire de jonction 61 dans la cham- bre en dessous du piston 31, la vitesse de diminution de l'é- coulement du condensat hors du système régulé, est limitée. L'installation conforme à l'invention ne suppri- me pas les influences perturbatrices de vibrations mécaniques du bruit de fond des radiations ou des interférences de champ 7.- électro-magnétique. En conséquence, elle est avant tout orientée vers l'emploi dans des installations lourdes qui. sont spécifi- ques dans les installations énergétiques et chimiques. Particu- lièrement, l'invention peut être utilisée dans tous les cas o il est nécessaire de disposer d'une régualation de niveau de li- quide dans un domaine de réglage réduit, avec une réaction dyna- mique rapide à toute variation subite de l'afflux de liquides avec un haut degré de fiabilité de fonctionnement, ce qui ré- sulte de ce que, dans la totalité du circuit de régulation, on utilise un seul composant mobile mécanique. 8/- R E V E N-D I C A T I O N Installation pour la régulation hydraulique du niveau de liquides, comprenant un appareil de prélèvement hydrau- lique qui est raccordé par un branchement à un récipient, un sé- parateur et une soupape de réglage disposée dans une conduite d'évacuation, installation caractérisée en ce qu'elle comporte un canal central perforé (21), raccordé à une buse de prélève- ment (12) de l'appareil de prélèvement hydraulique (1), qui plon- ge dans le séparateur (2), dans lequel est monté un détecteur d'évacuation à deux phases (22), un entonnoir (15) étant prévu à l'intérieur du raccord de branchement (16), et un diffuseur (14) étant disposé en-dessous du fond de l'entonnoir, autour de la buse de prélèvement (12).