Brevet FR2578028A1 — publié le 19860829

Une chaudière électrique perfectionnée à jets d'eau et électrodes sous haute tension est décrite et revendiquée dans la demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique n 706 490 du même inventeur déposée le 28 février 1985 L'exposé de cette demande et les amendements acceptés consti- tuent des références complétant la présente description. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION L'invention se rapporte de façon générale aux chaudiè- res électriques et elle concerne plus particulièrement les chaudières électriques à haute pression du type ayant des électrodes à jets d'eauo Les chaudières de ce type sont connues et en service depuis de nombreuses années aussi bien aux Etats-Unis d'Amérique que dans d'autres pays. Une description très détaillée d'une chaudière semblable à un équipement utilisé en conjonction avec une forme d'exécution préférée de la présente invention est contenue dans la revue Broin-Boveri, volume XXII datée de mars 1935o Cette publication imprimée est à considérer comme référence se rapportant au présent exposéo D'une façon générale, les chaudières de ce type utili- sent des pompes centrifuges pour fournir l'eau d'alimentation provenant d'un réservoir à une structure de collecteur à buses qui produit des jets d'teau. Comme le dégagement de vapeur de ce type de chaudière dépend de la fourniture d'eau par jets symétriques, les écoulements des jets d'eau doivent être raisonnablement semblables d'une rangée verticale à une autre0 La commande de l'eau en circulation fournie au collec- teur à buses de la chaudière est très importante0 Ainsi, beaucoup d'équipements de ce type maintenant en service utilisent une valve papillon ou un autre élément de fermeture variable à la sortie de la pompe de circulation afin de commander l'envoi d'eau au collecteur de chaudière alimentant les électrodes à jets d'eau, en commandant ainsi la valeur de puissance mise en jeu. Cette méthode présente cependant des imperfections sérieuses, principalement parmi elles l'introduction d'un ecoulement turbulent vers le collecteur de chaudière alimen- tant les jets d'eau quand il y a presque fermeture ou quand des positions de forte retenue de l'élément de fermeture de la valve sont requiseso Un inconvénient supplémentaire de cette technique est, d'une façon générale, que les pompes décrites ne sont pas véritablement des pompes centrifuges mais utilisent une structure de rotor analogue à une turbine. Quand la sortie de pompe de ces appareils est très restreinte, une pression notable est établieo Des pulsations dans l'écoulement d'eau d'alimentation pour le collecteur sont présentes ainsi que des besoins élevés de puissance pour l'entraînement élec- trique de la pompeo Les besoins élevés de puissance pour l'entraînement de la pompe, en plus de la diminution du rende- ment global de la chaudière, sont directement responsables de la diminution de durée de la pompe et du moteur d'entraînement. Le système d'entraînement et de commande de la pompe dans cette invention surmonte les difficultés mentionnées ci-dessus à un degré notable. Ainsi, un but de la présente invention est d'établir un système pour commander l'écoulement d'eau d'électrode prove- nant d'une pompe pour l'eau d'alimentation sans utiliser une valve mécanique pour étrangler l'écoulement de sortie de la--. pompe en diminuant ainsi notablement les besoins de puissance de pompage. Un but supplémentaire de la présente invention est de proposer un système d'entraînement de pompe pour des chaudiè- res à électrode à jets d'eau dans lequel l'eau fournie au collecteur de chaudière a de très faibles niveaux de pression et/ou de pulsations du niveau d'eau de collecteuro Un autr but de la présente invention est d'établir un système de commande et d'entraînement de la pompe à eau d'ali- mentation dans lequel des jets d'eau, pour une puissance de chaudière relativement faible, sont hautement symétriques par rapport à leurs électrodes réceptrices à haute tension. Un but supplémentaire de la présente invention est de proposer un système d'entraînement de pompe pour des chaudières à électrodes à jets d'eau ayant une commande infi- niment variable de l'écoulement d'eau sans utilisation d'élé- ments restreignant l'écoulement sur le parcours de l'eau d'alimentation0 Un but supplémentaire de l'invention est d'établir un système d'alimentation en eau pour électrode à jets d'eau qui réponde facilement aux systèmes électriques et électro- niques de commande de chaudièreso Un autre but de la présente invention est encore d'éta- blir un système de commande de la pression de vapeur pour des chaudières électriques à électrodes à jets d'eau selon lequel la fourniture de puissance à la chaudière et/ou l'obtention de puissance peuvent être commandées dans une gamme infiniment variable. Résumé de l'invention Un système de commande pour des chaudières à vapeur électriques à haute pression du type à électrodes à jets d'eau employant uns entrée de puissance triphasée utilise un moteur de pompe à vitesse variable typiquement du genre à changement de fréquenceo Le système comprend de plus des fonctions de commande selon lesquelles des niveaux de puis- sance électrique prédéterminés et des pressions de vapeur sont comparés aux conditions de fonctionnement de la chaudière à tous moments, comprenant la pression de sortie de la vapeur, la puissance d'entrée en kilowatts de la chaudière et le débit de la pompe de circulation pour les électrodes de chau- dière. En fonctionnement, la comparaison continue des dévia- tions à partir de points prédéterminés de réglage permet un fonctionnement sur toute la gamme de la sortie de vapeur de la chaudière et, en même temps, de maintenir des niveaux de puissance électrique au-dessous d'une valeur prédéterminée. Dans des conditions dans lesquelles la charge réceptrice de vapeur imposerait une admission de puissance électrique en excès d'une valeur permise ou prédéterminée, le système décrit établit un transfert automatique au système d'entrée de puissance en limitant ainsi la demande de puissance et en empêchant la surcharge de la chaudière. Tandis qu'en fonctionnement dans des plages prévues de débit de vapeur de la chaudière, les variations de la pression de vapeur règlent de façon continue le débit de la pompe de circulation pour les électrodes à jets d'eau en établissant un réglage de puissance infiniment variable pour des demandes de vapeur statiques et/ou variant de façon continue, Brève description des dessins D'autres buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture-de la description détaillée qui suit et en réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma fonctionnel par blocs du système de commande de l'invention, indiquant en particulier les passages et les sens des signaux de commande de la chau- dière et les écoulements d'énergie entrant dans la chaudière et en sortant; la figure 2 est une coupe d'une chaudière typique à électrodes à jets d'eau utilisée dans une forme d'exécution préférée de l'invention; en particulier, on a représenté la pompe de circulation pour la chaudière, le collecteur à jets d'eau et l'emplacement des jets d'eau à l'intérieur de la chaudière; la figure 3 est une coupe selon la ligne 3-3 de la figure 2, montrant en particulier l'emplacement des jets d'eau et des électrodes réceptrices à haute tension. Bien que le système de commande et d'entraînement de la pompe sera décrit pour une chaudière à jets d'eau typique comme décrit dans la Revue Brown-Boveri de mars 1935, consti- tuant une forme d'exécution préférée, on comprendra qu'il n'y a pas lieu de limiter l'application du système de commande et d'entraînement décrit à son utilisation sur la chaudière mentionnée ci-dessus. Au contraire, l'invention couvre toutes variantes ou modifications qui peuvent être incluses dans l'esprit et le cadre de l'invention définie par les. revendi- cations annexées. Description détaillée de l'invention En référence en particulier à la figure 1, le système de commande de l'invention utilise une chaudière 2 à électro- des à jets d'eau, alimentée en puissance électrique sous haute tension à partir d'une source de puissance 4 pour fournir à une charge réceptrice 6 de la vapeur produite par chauffage direct par résistanceo La chaudière 2 est aussi alimentée en eau de remise en circulation par une pompe 8, entraînée par une transmission à vitesse variable 10o Des signaux indiquant la pression de vapeur fournie à la charge réceptrice 6 sont transmis à un ensemble 12 de commande de la pression de chaudière du type à valeur proportionnelle plus une intégrale o L'ensemble de commande 12 reçoit aussi un signal indiquant la fourniture d'eau de pompe par l'inter- face de pompe 11. L'ensemble de commande 12 dispose aussi de moyens pour l'entrée en 13 d'un point de réglage de la pres- sion désirée et prédéterminée. De façon analogue, un signal indiquant la tension et l'intensité de courant fourni à la chaudière 2 à partir-de la source 4 est traité dans le calculateur de puissance 18 pour alimenter l'ensemble 14 de commande d'entrée de puissance ou de kilowatts. Des moyens pour régler une valeur d'entrée ou de limite maximale de kilowatts à fournir à la chaudière sont prévus dans le commande de puissance 14 en 15, comme repré- sentéo Là commande de puissance reçoit de plus une entrée indiquant la fourniture d'eau à la pompe par l'intermédiaire de l'interface 11 mentionnée précédemment. Les sorties de la commande de puissance 14 et de la commande de pression 12 sont fournies à un comparateur 16 qui choisit la plus petite ou la plus grande selon les commandes effectivement utilisées de chaque pour produire un signal d'entrée à l'entraînement 10 à vitesse variable de la pompeo En fonctionnement dans le cas o le sélecteur 16 choisit la plus grande valeur des signaux de pression ou de puissance en supposant que le signal d'entrée de puissance est réglé pour assurer la fourniture maximale de vapeur, les personnes expérimentées dans les techniques de commande verront faci- lement que la sortie du contrôleur de puissance 14 sera, pour toutes valeurs de puissance au-dessous de son point de régla- ge, une valeur négative relativement élevée fournie au compa- rateur 16. Dans ces conditions, si on suppose que la charge 6 est dans la possibilité de la chaudière 2, la pression de sortie de la chaudière sera relativement proche de la pres- sion réglée en 13 en fournissant ainsi au comparateur 16 un signal de pression d'une valeur relativement faible. Dans ces conditions, l'entraînement à vitesse variable de la pompe sera sous le contrôle de la pression de vapeur, le sélecteur ayant choisi le signal de vapeur selon les critères ci-dessus. L'action de la commande peut être décrite sous la supposition supplémentaire que la charge réceptrice 6 est soudainement et notablement augmentée, en diminuant ainsi la pression de sortie et le signal de pression pour le comparateur 16. Le signal d'erreur plus grand aboutira alors à une augmentation du débit de pompe, qui apparaîtra par une description suivante de la chaudière de la forme d'exécution préférée, pour augmenter la quantité de vapeur engendrée, aboutissant éventuellement à une augmentation de la pression de vapeur. Selon les principes de commande établis, quand la pression de vapeur augmente, le signal engendré par la commande de pression 12 se réajustera à une valeur plus élevée de fourniture d'eau, puisqu'au signal proportionnel à la sortie de la pompe est aussi fourni comme entrée pour la commande 12 en 9. On doit remarquer que la puissance de chaudière ou la vapeur fournie augmente avec l'augmentation de la quantité d'eau pompée pour le collecteur. Les personnes expérimentées dans les techniques de commande verront facilement que, dans le système de la figure 1, agissant comme on l'a décrit ci-dessus, l'eau pompée pour les cas hiérarchiques de commande de pression de vapeur et de demande maximale de kilowatts, respectivement, suivent les équations suivantes: (1) WpfW keps + epdt - e pfw f ep dte s vs (2) W pf kew (2)Wpfw kekw f erwdt - evs En référence en particulier aux figures 2 et 3, le système de commande de l'invention peut être utilisé pour commander la chaudière à électrode à jets d'eauo D'une façon générale, la chaudière se compose d'une enveloppe extérieure ou réservoir sous pression 24 contenant le collecteur 25 à jets d'eau qui fournit l'eau en formant des jets d'eau 34 provenant d'eau d'une pluralité de buses 30. A l'intérieur du réservoir sous pression de la chaudière sont disposées des électrodes sous haute tension 32. Typiquement et comme décrit, on utilise de la puissance triphasée pour engendrer la vapeur de sorte que, comme décrit, trois électrodes sous haute tension 32 sont représentées pour coopérer avec trois jeux de buses par les jets d'eau 34. On remarquera pour la clarté de l'exposé que la figure 2 n'indique qu'un seul jeu de buses 30, de jets d'eau 34 et une électrode 32 recevant la haute tension, A l'intérieur du réservoir de chaudière à haute pression se trouve aussi la partie de sortie de la pompe de circulation 8 ayant une enveloppe de pompe intérieu- re 38 avec une admission 40 et une sortie terminée par un conduit de refoulement d'eau 36 Comme représenté, le conduit de débit d'eau fournit un niveau d'eau suffisant, typiquement 29, à l'intérieur du collecteur 28 en permettant à l'eau de s'écouler à l'extérieur des buses 30 en formant des jets d'eau 34 qui frappent sur l'électrode 32 recevant la haute tension. L'extrémité inférieure 35 de l'électrode sous haute tension se termine en une partie d'écoulement 35 dirigeant l'eau rési- duelle provenant des électrodes 32 vers une contre-électrode de retour d'eau 37 fonctionnant au potentiel du réservoir qui est celui de la terre, L'eau passe à travers la contre- électrode en retournant à la partie inférieure du réservoir o, typiquement, un niveau d'eau de retour 26 est-maintenu pendant le fonctionnement. Les personnes expérimentées dans les techniques de chaudières électriques comprendront facilement que toute l'eau des chaudières à électrodes est maintenue à une valeur de conductivité électrique étroitement contrôlée par l'utilisa- tion de produits chimiques ajoutés tels que des orthophospha- teso Les personnes expérimentées dans les techniques de chaudières électriques comprendront facilement aussi qu'un nombre de contrôles auxiliaires typiques de chaudières tels que l'indicateur de niveau d'eau, l'admission d'eau d'alimen- tation, la valve de pression de sQreté et d'autres éléments sont comme on l'a représenté et indiqué sur les figures annexées 1 et 2o Comme ces éléments ne sont pas une partie de l'invention, on ne trouvera pas d'explication complémen- taire de leurs rôles dans le présent exposéo En fonctionnement, l'eau contenue au niveau 26 à l'inté- rieur du réservoir sous pression 24 de la chaudière entre dans l'admission de pompe 40 et est fournie au collecteur 28 par le conduit de sortie de pompe 36 Le niveau d'eau 29 détef'mine essentiellement la quantité de vapeur de chaudière fournie à la charge réceptrice car le nombre de jets d'eau 34 ?578028 engendrés est directement en rapport avec le niveau d'eau 29 dans le réservoir 280 L'eau un peu conductrice sortant des buses 50 et formant les jets d'eau 34 frappe la partie centrale de l'électrode sous haute tension 32 Comme le ré- servoir et l'ensemble des buses fonctionnent essentiellement au neutre de terre tandis que les électrodes sous haute tension fonctionnent à la tension de phase de l'alimentation en puissance électrique, l'eau conductrice du jet 34 est chauffée par le passage de courant en produisant de la vapeuro Comme indiqué ci-dessus, la quantité de vapeur pro- duite et, à certain point, sa pression, sont directement déterminées par le nombre de jets et la quantité d'eau sortant du collecteuro Comme seulement une petite quantité de l'eau en écoulement est chauffée à une température suffisamment élevée pour produire de la vapeur, l'écoulement d'eau cumulé provenant des buses 30 et des jets 34 quitte l'électrode sous haute tension en 35 En ce point, l'eau de retour est essen- tiellement au potentiel électrique de l'électrode sous haute tension. Aussi, comme représenté, un courant de sortie d'élec- trode passe à travers une contre-électrode 37 de retour d'eau. Comme la contre-électrode 57 est au neutre de terre ou au potentiel du réservoir, un supplément de vapeur est formé en ce point. Toute l'eau non vaporisée est ensuite renvoyée à la partie inférieure du collecteur 25 en maintenant typique- ment un niveau 26 Le volume de l'eau contenue en 25 est fonctionnel en ce qu'il sert de volume de repos tendant à diminuer la turbulence à 17admission de la pompeo En harmonie avec les avantages obtenus par l'invention décrite, comme la vitesse de pompe commande maintenant l'eau fournie au collecteur à buses 28, l'utilisation d'une valve modulatrice à la sortie de pompe utilisée dans les équipe- ments selon la technique connue a été éliminée. L'élimination d'une valve modulatrice à haute pression et haute température assure une augmentation notable de la fiabilité générale de la chaudière. En particulier, le fonctionnement de valves convenables à des réglages à fort étranglement (faible puissance de chaudière) diminue beaucoup la durée de la valve par suite de la.forte chute de pression et de l'écoulement très turbulent de l'eau pompéeo La commande d'un débit infiniment variable effectuée par l'invention assure ainsi une alimentation en eau pour le collecteur qui est d'une turbulence très réduite puisqu'il n'y a pas d'étranglement à la sortie de la pompeo Cette diminution de la turbulence de l'eau du collec- teur est un avantage important dans les chaudières à électro- des à jets d'eau particulièrement quand la chaudière fonction- ne avec un débit de vapeur relativement faible, typiquement à 10 - 20 % du-maximum. L'avantage est dû à un écoulement grandement amélioré à travers les buses 30 pour tout niveau donnéo Comme le comprendront facilement les personnes expéri- mentées dans la technique des chaudières électriques, toute turbulence dans l'eau fournie au collecteur 2B aboutit à une fluctuation du niveau d'eau 29 dans le collecteur. Comme représenté sur la figure 3, puisque les chaudières typiques fonctionnent avec trois électrodes sous haute tension alimen- tées par une puissance traditionnelle de haute tension en trois phases, la symétrie de l'écoulement des jets d'eau est de très grande importance. Une oscillation ou pulsation du niveau 29 dans des appareils de ce type utilisables actuelle- ment aboutit à un déséquilibre notable du-passage de courant à travers les jets d'eau 34 placés symétriquement, donnant lieu à une production non uniforme de vapeur et, de façon plus importante à une variation du courant neutre de puissan- ce électrique0 Comme il est bien connu dans les techniques électriques, un déplacement du neutre de la puissance des trois phases aboutit à un déséquilibre des phases et à un chauffage excessif de l'équipement électrique fournissant la puissance à la chaudière. Afin de minimiser cela, le système de commande d'une chaudière électrique "typique" utilise des relais de déséquilibre du neutre pour capter des différences dans le courant à travers les trois électrodes0 Ces relais agissent pour déconnecter toute la chaudière de son alimenta- tion si le déséquilibre du neutre devient supérieur à une valeur prédéterminée, par exemple 7,5 % du courant de pleine charge de la chaudièreo Dans les équipements utilisés actuellement, le niveau pulsatoire 29 aboutit à beaucoup de déconnexions de nuisance de la chaudière en la séparant de la puissance électrique ou de dispositifs de déclenchement qui en plus d'interrompre la fourniture de vapeur nécessitent dans la plupart des cas un rétablissement manuel ou un rétablissement de la connexion de la chaudière à la source de puissance. Comme indiqué ci- dessus, une commande infinie et douce du débit de la pompe assure une augmentation notable de la fiabilité de la chaudière par diminution des déclenchements de décalage du neutreo Ainsi, il est clair qu'on a proposé selon l'invention un système pour commander des chaudières à électrodes à jets d'eau qui répond pleinement aux buts et avantages exposés ci-dessuso Bien qu'on ait décrit la commande en conjonction avec une forme d'exécution particulière préférée, utilisant un type de chaudière à électrodes, il est évident que bien d'autres équipements ou modifications aux ensembles décrits apparaltront aux spécialistes des techniques de chaudières électriques à la lumière de la description qui précèdeo Ainsi, il est clair que l'invention décrite englobe toutes variantes entrant dans le large cadre des revendications annexéeso R E V E N D I C A T I 0 N So Dans une commande pour une chaudière électrique du type à électrodes à jets d'eau, le perfectionnement compre- nant: - un réservoir sous pression (24) pour contenir la vapeur produite et l'eau en circulation; - un collecteur de distribution (28) disposé centrale- ment dans ledit réservoir, ayant un dessus, une base et des parois latérales pour contenir l'eau à un niveau prédéter- miné (29); - une pluralité de buses (30) disposées verticalement sur ledit collecteur (28) pour produire des jets d'eau (34) correspondant audit niveau d'eau; - au moins une électrode sous haute tension (32) entre ledit collecteur (25) et la paroi du réservoir (24) pour intercepter ledit écoulement d'eau des jets de buses; - une pompe de circulation (8) pour fournir l'eau au dit collecteur et maintenir un niveau d'eau prédéterminé dans ledit collecteur; - un moyen produisant une pluralité de signaux corres- pondant aux conditions de fonctionnement de la chaudière;- - un moyen répondant auxdits signaux de fonctionnement pour faire varier le débit d'eau de la pompe; - la fourniture d'eau par lesdits jets étant continuel- lement réglée selon les conditions de fonctionnement de la chaudièreo 2o Dispositif de commande selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen faisant varier la vitesse de la pompe est une commande de la vitesse d'un moteur électrique à changement de fréquenceo 3o Dispositif de commande selon la revendication 1, dans lequel lesdits signaux comprennent la pression du réser- voir de chaudière et l'entrée de puissance électrique. 4o En combinaison, une chaudière électrique du type utilisant des jets d'eau ayant un réservoir sous pression contenant un collecteur (28) de distribution d'eau; - une pluralité de buscs (30) sur ledit collecteur (28) pour produire, diriger et faire varier le débit des jets d'eau (34); - au moins une électrode adjacente sous haute tension pour recevoir le débit des jets d'eau; - une pompe (8) pour alimenter le collecteur en eau (28); - un moyen commandant la vitesse de ladite pompe pour des variations de la demande de vapeur et/ou des entrées de puissance électrique; la vitesse de la pompe commandant l'alimentation de jets d'eau pour les dites électrodes sous haute tension en faisant ainsi varier le débit d'eau. 5. Procédé pour commander la production de vapeur d'une chaudière électrique du type à électrodes à Jets d'eau compre- nant les opérations de: capter les paramètres de fonctionnement de la chaudière; produire des signaux de commande correspondant auxdits paramètres; faire varier la vitesse de la pompe de circulation de la chaudière en fonction desdits signaux. 6. Dans un système de commande pour une chaudière élec- trique du type utilisant des électrodes à jets d'eau, le perfectionnement comprenant: - un moyen produisant un premier signal de contrôle représentatif des variations de l'entrée de puissance électri- que à la chaudière à partir d'un niveau prédéterminé préala- blement fixé; - un moyen produisant un second signal de contrôle repré- sentatif de la variation de la pression de vapeur fournie par la chaudière à partir d'un niveau prédéterminé préalablement fixé; - un système d'entraînement de pompe pour commander le débit de la chaudière par l'eau fournie auxdites électrodes à Jets de la chaudière selon la variation de la vitesse de pompe; - un moyen transmettant le plus'fort desdits premier et second signaux en produisant un troisième signal de contrôle; - un moyen dans ledit entraînement de pompe répondant audit troisième signal pour faire varier la vitesse de pompe et le débit d'eau sur les électrodes; - dans lequel ladite sortie de chaudière est commandée pour ladite pression de réglage jusqu'à la limite dudit niveau de pression prédéterminé. 7. Dans un système de commande pour une chaudière électrique du type utilisant des électrodes à jets d'eau, le perfectionnement comprenant: un moyen de production d'un premier signal de contrôle représentatif de la variation de la puissance d'entrée élec- trique pour la chaudière à partir d'un niveau prédéterminé précédemment fixé; - un moyen produisant un second signal de contrôle représentatif de la variation de la pression de vapeur fournie par la chaudière à partir d'un niveau prédéterminé précédem- ment fixé; - un système d'entraînement de pompe pour commander par la variation de la vitesse de pompe le débit de la chaudière et le débit d'eau fourni aux dites électrodes à jets d'eau de la chaudière; - un moyen transmettant le plus petit dudit premier signal et du second en engendrant un troisième signal de contrôle; - un moyen dans ledit entraînement de pompe répondant au dit troisième signal pour faire varier la vitesse de pompe et l'écoulement pour les électrodes; dans lequel ledit débit de chaudière est commandé jusqu'à la limite de ladite pression régléeo 8. Commande selon la revendication 6 ou la revendica- tion 7, dans laquelle ledit système d'entraînement de la pompe est un entraînement par moteur d'induction à courant alternatif à fréquence variable.