Brevet FR2520847A1 — publié le 19830805

L'invention concerne un générateur de vapeur à faisceau de tubes en U et à surchauffe. De tels générateurs de vapeur sont par exemple utilisés dans le cas des réacteurs nucléaires à eau sous pression et servent à la production de vapeur en utilisant pour le chauffage et la vaporisation de l'eau alimen- taire, l'eau sous pression du réacteur comme fluide primaire. Ces générateurs de vapeur comportent une boite à eau en deux par- ties séparées par une cloison, pour l'alimentation des tubes du faisceau en fluide primaire chaud et pour l'évacuation du fluide primaire refroidi après passage dans le faisceau et mise en contact thermique avec l'eau alimentai- re à vaporiser Les tubes en U du faisceau sont fixés sur une plaque tubulai- re dont une face ou face d'entrée est située du côté de la boite à eau Les extrémités des tubes affleurent sur cette face d'entrée et sont ainsi en communication, pour chacun des tubes, d'une part avec la partie d'alimenta- tion et d'autre part avec la partie d'évacuation de la boite à eau. L'autre face de la plaque tubulaire ou face de sortie est traver- sée par le faisceau de tubes disposés verticalement à l'intérieur de la par- tie supérieure du générateur de vapeur dont l'enveloppe externe est appelée "enveloppe secondaire". La boite à eau et l'enveloppe secondaire sont soudées sur la pla- que tubulaire, de part et d'autre de celle-ci, c'est-à-dire au niveau de sa face d'entrée et au niveau de sa face de sortie respectivement. Le faisceau de tubes en U est lui-même disposé à l'intérieur d'une enveloppe coaxiale à l'enveloppe secondaire et disposée à l'intérieur de celle-ci, de façon qu'un espace annulaire subsiste entre la paroi externe de l'enveloppe du faisceau et la paroi interne de l'enveloppe secondaire. Dans les générateurs de vapeur à surchauffe, l'eau alimentaire est amenée par une tubulure à la base du faisceau du c 8 té de la branche froi- de de celui-ci, c'est-à-dire du côté par o sort le fluide primaire Par exemple, cette eau alimentaire peut être amenée par la tubulure dans ltes- pace annulaire entre enveloppe secondaire et enveloppe de faisceau puis in- troduite à l'intérieur de l'enveloppe du faisceau, du côté de la branche froide, par une ouverture prévue dans l'enveloppe du faisceau au-dessus de la plaque tubulaire. Dans de tels générateurs de vapeur à surchauffe, la branche froi- de et la branche chaude du faisceau sont séparées par une cloison liée à la plaque tubulaire qui permet de canaliser la circulation de l'eau ali- mentaire puis de la vapeur le long du faisceau. L'eau alimentaire venant en contact avec la branche froide du faisceau commence à s'échauffer et à s'élever le long de cette branche froide jusqu'au moment o la vaporisation commence, la circulation du mé- lange diphasique eau-vapeur puis la circulation de la vapeur se poursui- vant en descendant le long de la branche chaude du faisceau après contour- nement de la partie supérieure de la cloison La circulation de la vapeur le long de la branche chaude permet d'obtenir une vapeur sèche, puis une vapeur surchauffée qui est récupérée à la partie irerieure de la branche chaude du faisceau par un récupérateur de vapeur débouchant dans une tubu- lure traversant l'enveloppe secondai e. Le principal avantage de ces générateurs à surchauffe est qu'il n'est pas nécessaire de disposer sur le trajet de la vapeur, avant sa sor- tie du générateur, de séparateur eau-vapeur pour l'assèchement de celle- ci. Cependant, dans les générateurs de vapeur de type classique uti- lisés dans les centrales nucléaires à eau sous pression o l'on n'effectue pas une surchauffe de la vapeur, la partie supérieure de l'enveloppe secon- daire renfermant les séparateurs vapeur-eau permet de récupérer une partie de l'eau alimentaire entrainée avec la vapeur qui constitue une réserve d'eau de recirculation au-dessus de l'enveloppe de faisceau Cette réserve d'eau permet d'alimenter le générateur de vapeur pendant un temps suffisant pour permettre aux opérateurs de la centrale nucléaire d'intervenir dans le cas d'une interruption totale accidentelle de l'arrivée d'eau alimentaire au générateur de vapeur. Une telle réserve de sécurité n'existe pas dans le cas des géné- rateurs de vapeur à surchauffe. D'autre part, dans certains de ces générateurs de vapeur à sur- chauffe, l'eau alimentaire de secours, en cas de mauvais fonctionnement du circuit normal d'alimentation, est amenée au générateur de vapeur au voisi- nage'de la plaque tubulaire, ce qui crée un choc thermique en cas d'utilisa- tion de ce circuit de secours dont l'eau est à une température beaucoup plus basse que la température du fluide primaire. Le but de l'invention est donc de proposer un générateur de vapeur à faisceau de tubes en U et à surchauffe comportant une boite à eau en deux parties pour l'alimentation des tubes en fluide primaire chaud et pour l'é- vacuation du fluide primaire refroidi après passage dans le faisceau et mise en contact thermique avec l'eau alimentaire à vaporiser, une envelop- pe secondaire renfermant de l'eau alimentaire, une plaque tubulaire dans laquelle sont fixés les tubes du faisceau, solidaire de la boite à eau au niveau de sa face d'entrée sur laquelle les extrémités des tubes affleurent et de l'enveloppe secondaire, au niveau de sa face de sortie traversée par le faisceau et une enveloppe renfermant le faisceau de tubes, disposée à l'intérieur de l'enveloppe secondaire de façon à ménager un espace annulai- espace re avec l'enveloppe secondaire/dans lequel débouche une tubulure d'arrivée d'eau alimentaire, du côté de la branche de sortie du faisceau, ou branche froide, l'enveloppe du faisceau comportant au moins une ouverture au-dessus de la plaque tubulaire pour le passage de l Peau alimentaire à l'intérieur de l'enveloppe du faisceau pour sa mise en contact avec la branche froide, une cloison de séparation liée à la plaque tubulaire disposée entre la branche froide et la branche chaude du faisceau par laquelle arrive le fluide pri- maire permettant la canalisation de l'eau alimentaire puis de la vapeur le long du faisceau et un récupérateur de vapeur surchauffée étant disposé au voisinage de l'extrémité de la branche chaude traversant la plaque tubulai- re, pour l'évacuation de la vapeur surchauffée par une tubulure débouchant dans l'espace annulaire, ce générateur de vapeur devant continuer à fonction- ner pendant un temps suffisant après une interruption de l'alimentation en eau pour assurer l'extraction de chaleur et pour permettre d'éviter une dé- térioration du coeur du réacteur avant que n'intervienne une alimentation de secours tout en évitant un choc thermique au niveau de la plaque tubu- laire. Dans ce but, au-dessus de l'enveloppe du faisceau est ménagé un espace libre à l'intérieur de l'enveloppe secondaire, pour constituer une réserve d'eau alimentaire en communication avec l'espace annulaire et avec au moins un moyen d'alimentation en eau à une température inférieure à la température du fluide primaire. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant dé-. crire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un générateur de vapeur à faisceau de tubes en U et à surchauffe suivant l'invention. La figure 1 représente dans une vue en coupe par un plan verti- cal de symétrie un générateur de vapeur suivant l'invention utilisable dans une centrale nucléaire à eau sous pression. La figure 2 représente une vue en coupe suivant A de la figure 1. La figure 3 représente une vue en coupe suivant B de la figure 1. La figure 4 représente, dans une vue en perspective, un premier mode de réalisation d'un récupérateur de vapeur équipant un générateur de vapeur suivant l'invention. La figure 5 représente, dans une vue en perspective, un second mode de réalisation d'un récupérateur de vapeur associé à un générateur à surchauffe suivant l'invention. Sur la figure 1, on voit un générateur de vapeur comportant une boite à eau 1 alimentée en eau sous pression, d'un côté de la cloison 2 par une tubulure 3, l'eau sous pression étant évacuée par une tubulure 4 de la seconde partie de la boite à eau se trouvant de l'autre côté de la cloi- son 2. La boite à eau 1 est fixée sur une plaque tubulaire 5 traversée par les extrémités des tubes 6 du faisceau qui sont fixés à l'intérieur des trous de cette plaque tubulaire. Les extrémités des tubes affleurent sur la face inférieure ou face d'entrée de la plaque 5 de façon qu'une extrémité de chaque tube commu- nique avec une des parties de la boite à eau et l'autre extrémité avec l'au- tre partie de cette boite à eau De cette façon la circulation de l'eau dans le faisceau est assurée dans le sens de la flèche 8, c'est-à-dire d'a- bord par passage de bas en haut de l'eau à l'intérieur de la branche chaude 9 puis par passage de cette eau primaire de haut en bas à l'intérieur de la branche froide 10. Autour du faisceau de tubes 6 est disposée une enveloppe de fais- ceau 12 cylindrique et fermée par un fond sphérique à sa partie supérieure. L'enveloppe de faisceau 12 est elle-mame disposée à l'intérieur de l'enve- loppe secondaire 14 fixée sur la plaque tubulaire et ménageant un espace annulaire 15 autour de l'enveloppe de faisceau 12. Ainsi qu'il est visible sur les figures 1 et 2, des entretoises horizontales et verticales 17 permettent de centrer et de maintenir l'en- veloppe de faisceau à l'intérieur de l'enveloppe secondaire. A sa partie inférieure, l'enveloppe de faisceau ne repose pas di- rectement sur la plaque tubulaire, si bien que du côté de la branche froide 10 il subsiste un passage 19 entre la partie inférieure de l'enveloppe de faisceau et la plaque tubulaire. Du côté de la branche chaude 9, l'enveloppe du faisceau-12 est re- liée au récupérateur de vapeur 20 qui sera décrit plus en détail en se réfé- rant à la figure 4 ou à la figure 5. L'enveloppe secondaire comporte une tubulure 21 pour l'amenée d'eau alimentaire dans l'espace annulaire 15, cette eau alimentaire descen- dant ensuite jusqu'à la base de l'espace annulaire pour s'introduire à l'in- térieur de l'enveloppe de faisceau par le passage 19 L'enveloppe secondai- re comporte également une tubulure 22 pour la sortie de la vapeur, cette tubulure 22 étant en communication avec la sortie du récupérateur de vapeur 20. Le volume intérieur de l'enveloppe de faisceau est séparé en deux parties jusqu'à l'extrémité supérieure de la partie droite des tubes par une cloison médiane 24 permettant de canaliser la circulation de l'eau alimentaire et de la vapeur à l'intérieur de l'enveloppe 12. L'eau alimentaire, ainsi qu'il est visible aux figures 1 et 3, introduite dans l'espace annulaire 15 par la tubulure 21, se sépare en deux courants descendants dans cet espace annulaire et pénètre dans l'enveloppe de faisceau par le passage inférieur 19 au-dessus de la plaque tubulaire. L'eau alimentaire est ainsi parfaitement distribuée à la partie inférieure de la branche froide du faisceau tubulaire au contact duquel cette eau ali- mentaire s'échauffe. L'eau alimentaire échauffée à l'intérieur de la partie branche froide du faisceau tubulaire est canalisée par l'enveloppe de faisceau et la cloison médiane 24. Lors de sa circulation au contact de la branche 10 du faisceau, l'eau alimentaire s'échauffe puis commence à se vaporiser et le mélange di- phasique eau-vapeur continue sa circulation le long du faisceau. La vaporisation est totale après un certain parcours du mélange diphasique le long de la partie supérieure de la branche chaude, de haut en bas, si bien que la surchauffe de la vapeur a lieu pendant la dernière partie du parcours de celle-ci le long de la branche chaude du faisceau, avant le récupérateur de vapeur 20. Ainsi qu'il est visible à la figure 3, la récupération de vapeur se fait à la partie inférieure de l'enveloppe de faisceau 12 par passage de la vapeur à l'intérieur de l'enveloppe du récupérateur. L'enveloppe 14 a été prolongée sur une hauteur relativement impor- tante au-dessus de l'enveloge de faisceau 12, de façon à ménager un espace libre 25 en communication avec l'espace annulaire 15 et avec une tubulure 26 reliée à une canalisation 27 en dérivation sur la conduite d'eau alimen- taire principale et une canalisation 28 recevant l'eau alimentaire de se- cours du système de sécurité du générateur de vapeur. Dans le cas d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression tel que construit actuellement d'une puissance thermi- que de l'ordre de 1000 MW, il est souhaitable d'avoir une réserve d'eau alimentaire dans l'espace 25 de l'ordre de 50 t pour permettre une alimenta- tion temporaire de secours automatique du générateur de vapeur en cas de manque d'eau alimentaire, pendant un temps suffisant pour permettre l'in- tervention des opérateurs. La section de ces générateurs de vapeur est telle qu'il est pos- sible de stocker lot d'eau par mètre linéaire de l'enveloppe secondaire, au-dessus de l'enveloppe de faisceau. Il est donc nécessaire, pour disposer d'une réserve dteau per- mettant une intervention après accident sur le réseau d'eau alimentaire dans de très bonnes conditions, de surélever l'eneloppe secondaire audessus de l'enveloppe de faisdeau, d'une hauteur de l'ordre de 5 mètres. Cependant, on a également déterminé que pour un générateur de va- peur d'une puissance de 1000 MW, il est possible, sans diminuer de façon inacceptable la sécurité de fonctionnement du générateur de vapeur, de di- minuer la rémrve d'eau jusqu'à 20 t Dans ce cas, et toujours pour le mê me type de générateur de vapeur, il est possible de ne surélever l'enveloppe secondaire que d'une hauteur de deux mètres. La puissance thermique du générateur de vapeur est déterminée à partir du débit de fluide primaire et de la température d'entrée et de sor- tie de ce fluide Dans le cas des réacteurs nucléaires, ces paramètres sont parfaitement définis, si bien qu'il est possible de déterminer la capacité d'eau de secours nécessaire pour pouvoir intervenir en cas d'une interruption d'alimentation en eau du générateur de vapeur et donc de déterminer la dimen- sion nécessaire de la capacité 25 comprise à l'intérieur de l'enveloppe se- condaire et située au-dessus de l'enveloppe de faisceau. Pendant la marche normale du générateur de vapeur, une partie de l'eau alimentaire remplissant l'enveloppe secondaire 14 vient en contact avec l'enveloppe de faisceau 12, dans l'espace annulaire 15, au voisinage de la branche chaude 9 Il se produit donc une vaporisation d'une partie de cette eau alimentaire et la vapeur vient s'accumuler à la partie la plus haute de l'enveloppe 14 Une introduction d'eau à la température d'entrée par la tubulure 26 permet de condenser cette vapeur et de maintenir un rem- plissage complet en eau de la capacité de secours 25, pendant le fonction - nement normal du générateur de vapeur. D'autre part, en cas d'utilisation de l'alimentation de secours, l'eau alimentaire de la conduite 28 pénètre dans l'en:-veloppe 14 à sa partie supérieure par la tubulure 26, se mélange à l'eau de la capacité 25 et se réchauffe avant de descendre dans l'espace annulaire 15. On évite ainsi l'inconvénient d'avoir un choc froid au niveau de la plaque tubulaire ce qui était le cas lorsqu'on utilisait une ali- mentation de secours au voisinage de cette-plaque tubulaire. Le mode de réalisation représenté aux figures 1, 2 et 3 montre l'utilisation d'une cloison médiane 24 séparant le faisceau en deux par- ties parfaitement symétriques ce qui n'était pas le cas des générateurs à surchauffe de l'art antérieur. En effet, dans ces générateurs de vapeur de l'art antérieur, on effectuait la vaporisation dans la partie montante de la circulation de l'eau alimentaire le long du faisceau et la surchauffe de la vapeur dans la partie descendante. Ceci nécessitait de diminuer l'importance de l'apport thermique et donc le volume du faisceau utilisé pour la surchauffe; par rapport à ceux utilisés pour la vaporisation. On s'est apercu qu'il était possible, en faisant varier la pres- sion, la température et le débit de l'eau alimentaire introduite dans l'en- veloppe secondaire d'augmenter ou de diminuer la surchauffe tout en utili- sant un faisceau parfaitement symétrique-de construction beaucoup plus sim- ple qu'un faisceau partagéè par une cloison de façon non symétrique. Par exemple, si l'on augmente la pression et le débit de l'eau alimentaire, on diminue la surchauffe, en retardant le début de La vaporisa- tion et en prolongeant la présence d'un état diphasique du fluide en circu- lation le long de la branche chaude du faisceau. On peut donc en faisant varier ces paramètres utiliser une lon- gueur plus ou moins importante de la branche chaude 9 du faisceau pour opé- rer la surchauffe. On est ainsi amené à poursuivre la vaporisation sur une partie descendante de la circulation du fluide dans le faisceau, contrairement à la technique de l'art antérieur. Sur la figure 4, on voit un mode de réalisation du récupérateur de vapeur 20 o celui-ci constitue la partie inférieure de l'enveloppe de faisceau 12. La partie inférieure de la virole 12 de l'enveloppe de faisceau est limitée de façon à ménager un espace 30 au-dessus de la plaque tubulai- re 5 Le récupérateur de vapeur 20 comporte une virole externe 31 fermée à sa partie supérieure et soudée sur la virole 12 par l'intermédiaire d'une couronne 32 A sa partie inférieure, la virole 31 est soudée de façon conti- nue sur toute sa périphérie sur la plaque tubulaire 5 La cloison'de sé- paration 24 ferme la boite de vapeur du récupérateur dans le plan diamé- tral du générateur de vapeur. Cette boite de vapeur est donc totalement étanche et constitue la partie inférieure de l'enveloppe de faisceau 12 Lorsque la vapeur sur- chauffée parvient à la base de la branche chaude du faisceau, cette vapeur peut passer par l'ouverture 30 à l'intérieur de la boite de vapeur d'o elle est évacuée vers la tubulure 22 par l'intermédiaire d'un manchon sou- ple 34 de raccordement entre la boite de vapeur et l'enveloppe secondaire 14. Un limiteur de 'débit 33 est d'autre part interposé sur le passa- ge de la vapeur à l'intérieur de la tubulure 22. Le manchon souple 34 permet de rattraper les dilatations diffé- rentielles entre l'enveloppe de faisceau et l'enveloppe secondaire. Sur la figure 5, on voit un second mode de réalisation du récu- pérateur de vapeur 20 o la boite de vapeur est solidaire de la partie infé- rieure de l'enveloppe de faisceau 12 sur laquelle elle est soudée Cette boi- te de vapeur 36 est en contact avec la plaque tubulaire 5 par l'intermédiaire d'un système d'étanchéité à rail 37, dans le plan diamétral du générateur, et par l'intermédiaire d'un système d'étanchéité à lamelles 38 à la base de sa surface cylindrique La boite de vapeur 36 est mise en communication avec la tubulure 22 par l'intermédiaire d'un manchon rigide 39 constituant un li- miteur de débit 40 à l'intérieur de la tubulure 22. Les systèmes d'étanchéité 37 et 38 permettent d'absorber les jeux de montage et de dilatation du dispositif. Ce dispositif n'est évidemment pas absolument étanche commne le dispositif représenté à la figure 4. On voit que les principaux avantages du dispositif suivant l'in- vention sont de permettre de réaliser simplement une réserve d'eau de se- cours au-dessus du faisceau tubulaire et donc de permettre aux opérateurs d'intervenir de façon légèrement différée après une panne d'alimentation en eau du générateur de vapeur, d'introduire l'eau alimentaire de secours dans cette capacité o elle se mélange et se réchauffe avant de descendre dans l'espace annulaire jusqu'au niveau de la plaque tubulaire, enfin d'adopter une construction entièrement symétrique du générateur de vapeur tout en au- torisant un réglage de la surchauffe en agissant sur les paramètres de l'eau alimentaire introduite dans l'encéete secondaire. Mais l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit; elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi qu'on peut prévoir une capacité d'un volume quel- conque en fonction des conditions d'exploitation du générateur de vapeur. Il suffit de surélever l'enceinte secondaire d'une hauteur suffisante au- dessus du faisceau ou de prévoir une capacité accrue de forme tronconique ou cylindro-conique à la partie supérieure du générateur de vapeur. Il est également possible d'utiliser un générateur de vapeur suivant l'invention comportant une capacité de réserve, avec un faisceau dont 1 *loison n'est pas disposée symétriquement, bien que cette disposi- tion en facilite et en simplifie la construction. Il est également possible d'utiliser un récupérateur de vapeur d'un type quelconque à la partie inférieure de la branche chaude du fais- ceau. Enfin, le générateur de vapeur suivant l'invention s'applique non seulement dans le cas des réacteurs nucléaires à eau sous pression mais également dans le cas d'autres installations de grande puissance pouvant nécessiter une surchauffe de la vapeur produite. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur à faisceau de tubes en U et à surchauf- fe, comportant une boite à eau ( 1) en deux parties pour l'alimentation des tubes en fluide primaire chaud et pour l'évacuation du fluide primaire re- froidi après passage dans le faisceau et mise en contact thermique avec l'eau alimentaire à vaporiser, une enveloppe secondaire ( 14) renfermant de l'eau alimentaire, une plaque tubulaire ( 5) dans laquelle sont fixés les tubes ( 6) du faisceau, solidaire de la boite à eau ( 1) au niveau de sa face d'entrée sur laquelle les extrémités des tubes affleurent et de ltenvelop- pe secondaire f 14) au niveau de sa face de sortie traversée par le faisceau, et une enveloppe ( 12) renfermant le faisceau de tubes disposée à l'intérieur de l'enveloppe secondaire ( 14) de façon à ménager un espace annulaire ( 15) avec ltenveloppe secondaire ( 14), espace dans lequel débouche une tubulure ( 21) d'arrivée d'eau primaire, du c Sté de la branche de sortie ( 10) du fais- ceau ou branche froide, l'enveloppe ( 12) du faisceau comportant au moins une ouverture ( 19) au-dessus de la plaque tubulaire ( 5) pour le passage de l'eau alimentaire à l'intérieur de l'enveloppe ( 12) du faisceau pour venir en contact avec la branche froide ( 10), une cloison de séparation ( 24) dis- posée entre la branche froide ( 10) et la branche chaude ( 9) du faisceau par laquelle sort le fluide primaire permettant la canalisation de l'eau alimen- taire puis de la vapeur le long du faisceau et un récupérateur de vapeur sur- chauffée ( 20) étant disposé au voisinage de l'extrémité de la branche chaude ( 9) traversant la plaque tubulaire ( 5) pour l'évacuation de la vapeur sur- chauffée par une tubulure ( 22) débouchant dans l'espace annulaire, caractérisé par le fait qu'au-dessus de l'enveloppe du faisceau ( 12) est mé- nagé un espace libre ( 25) à l'itntérieur de l'enveloppe secondaire ( 14) pour constituer une réserve d'eau alimentaire en communication avec l'espace an- nulaire ( 15) et avec au moins un moyen d'alimentation ( 26) en eau à une tem- pérature irgrieure à la température du fluide primaire. 2 Générateur de vapeur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la réserve d'eau ( 25) peut contenir au moins tonnes d'eau alimentaire pour une puissance thermique du générateur de vapeur de 1000 MW, puissance définie à partir de la température d'entrée, de la température de sortie et du débit de fluide primaire. 3 Générateur de vapeur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la réserve d'eau ( 25) a une capacité voisine de tonnes, pour une puissance thermique du générateur de vapeur de 1000 MW. il 4. Générateur de-vapeur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la branche froide ( 10) et la branche chaude ( 9) du faisceau sont symétriques par rapport à un plan et que la cloison de séparation ( 24) de cette branche froide ( 10)?àe cette branche chaude ( 9) est disposée suivant le plan de symétrie du faisceau. 5. Procédé d'utilisation d'un générateur de vapeur selon la re- vendication 4, permettant une modulation de l'effet de surchauffe du gené- rateur, caractérisé par le fait qu'on fait varier au moins l'un des paramètres, tem- pérature, pression et débit de l'eau alimentaire introduite dans le généra- teur de vapeur pour modifier la longueur de la zone de la branche chaude du faisceau le long de laquelle est effectuée la surchauffe de la vapeur.