Brevet FR2609149A1 — publié le 19880701

La presente invention a pour objet un procéda et un dispositif permettant la surchauffe en un temps court de la vapeur nécessaire à la marche d'une usine lorsque ladite usine voit ses moyens normaux d'alimentation electricue romentanement hors service. Les centrales thermiques de production de vapeur et d'electricite destinees à desservir une usine ou une unite de fabrication sont soumises à des variations rapides et importantes de charge alors que la . plupart de leurs elements et particulierement les chaudières ne sont pas conçues pour repondre rapidement à de telles variations. tYn dispositif connu pour pallier temporairement l'ecart entre besoins en vapeur et production disponible consiste à mettre en place, parallglement aux appareils normaux de production, un accumulateur de vapeur dont le rôle est de restituer, sous forme de vapeur, la chaleur qui a été accumulee lorsque la production normale de la centrale est à même d'assurer l'ensemble des besoins de l'unité ou de l'usine et le chargement thermique de l'accumulateur.Un tel dispositif, delivrant la vapeur à partir d'eau chaude sous pression, ne peut cependant la fournir que sous forme saturée impropre n l'alimentation de certaines turbines. Il est donc dans ce cas indispensable de produire un fluide surchauffe. Un dispositif connu de surchauffe de vapeur installé en aval de certaines chaudières et appelé surchauffeur indépendant consiste à faire passer la vapeur saturée dans un groupe de tubes exposés à une source de chaleur externe. La puissance de la source aussi bien que la surface d'échange nécessaire pour assurer le transfert thermique vers le fluide dépend directement du débit du fluide surchauffé qu'il est indispensable d'assurer pour le fonctionnement de l'unité ou de l'usine. Si celui-ci est important mais nécessaire seulement pendant un temps tr?s court, un tel dispositif devient du fait de sa taille trîr onéreux pour être économiquement viable. Le procédé visé par la présente invention ci pallie cet inconvénient consiste à accumuler pendant les périodes de marche normale des unités une quantité de chaleur à une température et sous une forme telle qu'elle sera restituée en un temps très court de l'ordre de quelques minutes maximum, au fluide à surchauffer lors des perturbations présentées par l'unité ou par l'usine.Pour assurer l'accumulation de chaleur, le procédé met en oeuvre un support constitué d'un matériau accumulateur qui présente de bonnes caractéristiques en matière de capacité calorifique de façon à permettre le stockage d'une quantité importante de chaleur sous un volume restreint, de surface spécifique afin d'assurer un transfert rapide de cette chaleur accumulée dans le matériau vers le fluide à surchauffer et de conductivité thermique pour faciliter un transfert vers le fluide suffisamment rapide. Par bonne capacité calorifique du matériau, on entend une capacite calorifique comprise entre 2000 et - -l 4500 kJ.m 0C La surface spécifique importante du support est réalisée en utilisant un matériau accumulateur se présentant sous forme divisée par exemple des billes ou des grains de taille telle que le rapport entre la surface et le volume du matériau au sein du support est compris entre 400 et 4200 m 1 et de préférence entre 1500 et 3500 m 1. La conductivité thermique du matériau sera comprise entre 30 et 400 et de préférence entre 40 et 250 l OC A titre d'exemples de matériaux particulièrement bien adaptés au procédé de l'invention, on peut citer des billes ou granulés d'acier ou de ferro-alliages ou encore des billes ou granulés d'alliages cuivreux ou d'alliages légers (aluminium) sans que ceci ne soit limitatif. Les billes ou granulés isolants destinés ajuster la conductivité électrique de l'ensemble seront généralement en matériau réfractaire type alumine, silice ou carbure de silicium... Une variante du procédé consiste en outre à disposer le matériau accumulateur formant le support et présentant les caractéristiques décrites ci-dessus dans des enceintes allongeas, des tubes par exemple, de rapport longueur/diamètre au moins égal à 10 pour que le processus de réchauffage du fluide qui progresse dans lesdites enceintes se déroule de telle sorte que le front de température maximale du fluide à surchauffer se déplace selon le mode dit en "quasi piston" au sein de l'enceinte ainsi que cela sera illustré ci-après dans la description. Le dimensionnement des enceintes mettant en oeuvre le procédé est tel que, après le temps de quelques minutes suffisant à retrouver une situation normale dans l'unité ou l'usine, une partie du matériau accumulateur, situez à l'extrémité du support opposée à l'entrée du fluide b surchauffer, reste encore à la température finale T1 désirée pour le fluide à surchauffer.La quantité du matériau encore à température T1 à l'issue de la phase de surchauffe représente avantageusement au moins 20 t en volune de la quantité totale. L'davantage des dispositions ci-dessus est de pouvoir disposer à la sortie des enceintes, pendant toute la durée a cycle de surchauffe d'un fluide à tempnrature quasi constante sans qu'il soit besoin de prévoir une quelconque regulation. Le préchauffage du matériau accumulateur peut se faire au moyen d'une ou de plusieurs sources de chaleur de faible puissance. Lorsque, suite à un incident de l'unité ou de l'usine, la chaleur emmagasinée dans le matériau accumulateur a été utilisée, le temps alors disponible pour la remontée en température du support est important, plusieurs dizaines de fois supérieures au temps de restitution. Il suffit donc pour recharger thermiquement le support de sources de chaleur dont la puissance est plusieurs dizaines de fois inférieures à celle nécessaire pour pallier aux incidents de l'unité ou de l'usine. Dans une variante préférée du procédé de l'invention, la source de chaleur est d'origine électrique. Il est proposé de faire passer dans des enceintes métalliques contenant le matériau accumulateur un courant électrique qui, par effet joule, échauffe la dite enceinte. Si le matériau accumulateur n'est pas conducteur de l'électricité, le courant électrique ne traverse que l'enceinte qui s'échauffe et élève la température du matériau simplement par rayonnement et conduction thermique. Si le matériau accumulateur est conducteur de l'électricité le courant électrique traverse à la fois l'enceinte et le matériau et ce avec des intensités inversement proportionnelles aux résistances électriques respectives. Outre l'échauffement par rayonnement et conduction thermique, une partie de la chaleur stockée dans le matériau apparait donc directement en son sein par effet joule. Il sera parfois avantageux de contrôler la conductivité électrique du support et pour cela de mélanger au sein du support des matériaux conducteurs électriques et des matériaux isolants. Les quantités respectives de ces deux types de matériaux et -leur disposition au sein du support permettront d'ajuster la conductivité globale de ce support. Afin que le procédé présente une sécurité importante tout en restant de mise en oeuvre facile, la tension d'alimentation des enceintes métalliques contenant le matériau accumulateur sera prise dans la catégorie très basse tension, c'est-à-dire dont le voltage est généralement inférieur à cinquante volts. A titre de simple illustration, la mise en oeuvre du procédé conduit, pour assurer la surchauffe en deux minutes de deux tonnes de vapeur 15 bars de 2000C à 275du, d utiliser 6250 kg de billes métalliques de 2 mm de diamètre. La surface d'échange présentée par lesdites billes est de 2300 m2 et leur température initiale est de 280"C, leur - -l capacité calorifique étant de 2900 kJ.m .eC . Elles étaient réparties dans sept tubes d'une longueur de quatre mètres et d'un diamètre de 273 mm. Les objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront par ailleurs de la description cue l'on va en donner ci-après en référence b - la figure 1 qui décrit un schéma de mise en oeuvre du procédé, - la figure 2 qui illustre le mode de déplacement en "quasi piston" du front de température du fluide, - la figure 3 qui décrit un dispositif de surchauffe utilisable dans le procédé. La figure 1 décrit un exemple schématique de mise en oeuvre du procédé de surchauffe de l'invention intégré . un système générateur de vapeur d'une unité industrielle. le générateur de vapeur (1) est constitué d'une chaudière (2) alimentant le réseau d'utilisation de l'unité par l'intermédiaire de la ligne (5) et notamment une turbine (10) par l'intermédiaire de la ligne (11). Il comprend également un accumulateur de vapeur (3) connecté en dérivation à la ligne (5), pour assurer sa charge en eau par l'intermédiaire de la ligne (6) munie d'une vanne G fonctionnement automatique (14). Cet accumulateur (3) est e outre muni d'un équipement auxiliaire de chauffacr électrique, non représenté, assurant sa montée en pression. Le générateur de vapeur (1) comprend enfin le surchauffeur (4) contenant le matériau accumulateur (12) maintens en température par des résistances électriques, non représentées, alimentées par la ligne électrique (9), qui est connecté à l'accumulateur (3) par l'intermédiaire de la ligne (7) sur laquelle est disposée une vanne automatique (13) qui s' ouvre lorsque la pression dans la ligne (5) passe en-dessous d'un seuil de consigne. En cas d'incident entrainant une baisse de pression dans la ligne (5) et nécessitant une montée rapide en puissance, il est nécessaire de fournir, avant que cette puissance ne soit atteinte, à la turbine (10) de la vapeur surchauffée. Ceci est réalisée en faisant passer la vapeur de l'accumulateur (3), à travers le surchauffeur (4) dont le matériau accumulateur (12) a été maintenu à une température au moins égale à la température de surchauffe de la vapeur nécessaire au fonctionnement de la turbine (10). La figure (2) décrit les courbes d'évolution de la température de la vapeur au sein du support contenu dans les enceintes allongées (tubes) en fonction de la distance parcourue (L) exprimée en pourcentage de la largeur totale de l'enceinte et de la durée d'utilisation du surchauffeur (courbes 1, 2, 3, 4 et 5), To étant la température d'entrée de la vapeur et T1 la température à atteindre par la vapeur. Avant le début du surchauffage, la vapeur est à la température To et le matériau accumulateur dans sa totalité à une température légbrement supérieure à T1. Au début de la phase de surchauffage, la vapeur surchauffée atteint la température Tl avant d'avoir parcouru le quart de la longueur du support (courbe 1). Au fur et à mesure de l'utilisation du surchauffeur, la vapeur atteint cette température T1 de plus en plus loin dans le support (courbes 2, 3 et 4). La courbe 5 correspond à la fin de la phase de surchauffage au-delà de laquelle l'utilisateur n'est plus certain de pouvoir disposer d'une vapeur à température T1 constante. Le front de température maximale de la vapeur se déplace de manière continu, ce qui est dénommé déplacement en "quasi piston".Ce surchauffage de la vapeur au long du support entraîne un refroidissement concommitant du matériau. La figure 3 décrit, à titre de simple illustration, le schéma d'un dispositif de surchauffage utilisable dans le procédé de l'invention. Ce dispositif se compose d'une enveloppe métallique (21) entourée de calorifuge (34). A l'intérieur de cette enveloppe une plaque métallique (22) supporte des tubes (24) par l'intermédiaire d'un isolant électrique (23). Les tubes métalliques (24) sont remplis de- billes métalliques (26) destinées à accumuler la chaleur. Les tubes (24) sont fermés à leur extrémité par des tôles perforées (33) dont les ouvertures sont de diamètre inférieur à celui des billes (26). L'alimentation en énergie électrique des tubes (24) se fait par l'intermédiaire de câbles (29) qui pénètrent dans l'enveloppe (21) par un passage étanche (2F). Ces câbles (29) arrivent sur certains des tubes (24) et s'y raccordent par l'intermédiaire de connections (32). La circulation du courant se fait par association de tubes en série ce qui est assuré grâce aux liaisons électriques (25). La plaque métallique (22), l'isolant (23) et les collerettes métalliques (27) assurent une étanchéité entre les deux volumes internes qu'elles délimitent de façon à obliger la vapeur à passer par les tubes (24). On va maintenant décrire le fonctionnement de cet appareil. On distingue deux phases à ce fonctionnement. Une première phase correspond au stockage de la chaleur. Elle a lieu alors que l'unité ou l'usine fonctionne normalement et peut durer plusieurs heures. Une faible tension de l'ordre de 50 volts au plus est appliquée aux tubes (24) par l'intermédiaire du câble (29) et des connections (35). Il va donc apparaître un courant se répartissant entre les tubes (24) et les billes (26). Ceux-ci présentant une résistance, il s'ensuivra, par effet joule, un échauffement aussi bier. des parois métalliques des tubes (24) que des billes (?6). La puissance électrique dissipée égale y la puissance thermique emmagasinée sera réglée en modulant la tension d'alimentation. Un ajustement satisfaisant de la résistance globale peut être obtenu en intercalant dans les billes métalliques (26) des billes en matériau isolant de l'électricité. Quand, après quelques heures, les billes auront atteint la température désirée pour le fluide surchauffé plus quelques degrés, un dispositif thermostatique, non représenté, coupera l'alimentation électrique du dispositif. Celui-ci sera alors placé en attente de la seconde phase qui va être décrite ci-aprs. Les pertes thermiques vers l'extérieur seront compensées automatiquement par remise sous tension pendant des temps déterrinés par le dispositif thermostatique. Lors de la seconde phase décrite ci-après, les billes se refroidissent selon le processus décrit en référence à la figure 2. Les billes placées à l'extrémité du tube oppose à l'entrée di: fluide gardent leur température initiale. Il n'est donc pas nécessaire de les réchauffer électriquement, aussi le dispositif est-il avantageusement conçu pour que la circulation du courant n'ait lieu que sur 80 % de la longeur des tubes. Il sera avantageux lors de la phase de réchauffage électrique ou après celle-ci de faire passer un faible débit de vapeur permettant l'homogénéisation des températures des billes dans les tubes. La seconde phase du fonctionnement consiste à faire passer la vapeur de l'état saturé à un état surchauffé. La vapeur saturée en provenance d'un accumulateur placé en amont du dispositif est introduit par l'entrée (20). Elle se répartit entre les tubes (24), se surchauffe au contact des billes (26) et quitte les tubes puis le dispositif par l'orifice de sortie (31). La vapeur saturée est introduite dans le dispositif à une pression égale à celle de la vapeur surchauffée, sortant de l'appareil et réclamée par le réseau augmentée de la perte de charge au sein du dispositif. La vapeur issue de l'accumulateur étant de toute façon détendue, cette perte de charge ne présentera aucun inconvénient. La température des billes (26) étant très peu supérieure à la température requise par la vapeur surchauffée, celle-ci sortira du dispositif à une température sensiblement constante au cours du déstockage. REVENDICATIONS 1 - Procédé de surchauffe d'un fluide saturé, en provenance d'accumulateurs de vapeur permettant d'obtenir, en période de marche perturbée d'une unité où il est mis en oeuvre, en un temps très court un fluide surchauffe caractérisé en ce qu'on fait passer ladite vapeur saturée dans une enceinte métallique contenant un support constitué d'un matériau solide divis présentant de bonnes caractéristiques thermiques, préchauffé pendant la période de marche normale de la dite unité. 2 - Procédé, suivant revendication 1, caractérisé en ce que les enceintes métalliques sont remplies d'un matériau accumulateur se présentant sous forme d'un solide divisé tel que la surface spécifique du support en quantité suffisante soit comprise entre 400 et 420G, et de préférence entre 1500 et 3500 m 3 - Procédé, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau accumulateur présente une capacit 3 1 thermique comprise entre 2000 et 4500 kJ.m OC 4 - Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau accumulateur présente une conductivité thermique comprise entre 30 et 400, et de préférence entre 40 et 250 h'.m C . 5 - Procédé suivant la revendication 1 caractsrisé en ce que l'enceinte métallique est constitué par des tubes métalliques dont la longueur est au moins égale à 10 fois le diamètre. 6 - Procédé, suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la quantité de matériau accumulateur est telle qu'au moins 20% du dit matériau reste à la température de stockage lorsque la phase de déstockage est terminée. 7 - Procédé suivant la revendication 1, caractérise e ce le chauffage du support est assuré par au moins une source de chauffage électrique. 8 - Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la source électrique agit par effet joule sur les tubes et sur le matériau accumulateur. 9 - Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la résistance électrique du matériau accumulateur est ajustée par mélange de deux composants, l'un conducteur électrique, l'autre isolant. 10- Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la tension de la source électrique est inférieure à 50 Volts. 11- Dispositif de surchauffe de vapeur saturée applicable à la mise en oeuvre du procédé précité caractérisé en ce qu'il est composé d'une enveloppe (21) apte à résister à la pression de la vapeur, présentant à sa partie supérieure une ouverture (30) pour l'arrivée de la vapeur et à sa partie inférieure une autre ouverture (31) pour le départ de la dite vapeur, à l'intérieur de laquelle sont disposés des tubes métalliques (24) maintenus à une de leur extrémité par une plaque d'acier (22) isolée (23), et connectés entre eux par des liaisons électriques (25) et à l'alimentation électrique par au moins une connexion (32), les dits tubes étant remplis de billes métalliques (26) constituant le matériau accumulateur. 12- Dispositif suivant revendication 11, caractérisé en ce que les tubes métalliques sont fermés à leurs extrémités par des tôles perforées dont le diamètre des perforations est inférieur au diamètre des billes.