Brevet FR2808015A1 — publié le 20011026

PROCEDE DE TRAITEMENT ET DE CONDITIONNEMENT DE L'EAU DE REFROIDISSEMENT DE STATOR D'ALTERNATEUR FONCTIONNANT EN MODE AERE, ET DISPOSITIF PERMETTANT SA MISE EN UVRE La présente invention concerne un procédé permettant de s'affranchir des phénomènes d'obstruction de circuit de refroidissement de stator d'alternateur fonctionnant en mode aéré. Elle concerne également un dispositif permettant la mise en euvre de ce procédé. Dans les centrales électriques, les alternateurs sont soumis au passage de fortes densités de courant qui provoquent un échauffement important. Pour lutter contre cet échauffement, les stators des alternateurs sont constitués par des réseaux de barres statoriques qui possèdent des conducteurs creux en cuivre dans lesquels circule de l'eau de refroidissement. Afin d'avoir une conductivité la plus faible possible de l'eau de refroidissement, environ 1 à 7% du débit nominal de l'eau circulant dans le stator est dérivé vers "0 une résine de déminéralisation à lit mélangé. Un problème fréquemment rencontré avec ces systèmes de refroidissement, est la formation de dépôts sur les parois internes des conducteurs creux, dépôts qui obstruent ces conducteurs. De telles obstructions conduisent à un échauffement et à terme à de nombreuses indisponibilités de l'alternateur ou à des baisses de charge. Une tentative de solution a consisté à conditionner les circuits de refroidissement sous air. Cependant, ceci ne s'est pas avéré satisfaisant à long terme, le phénomène d'obstruction persistant. 2 2808015 Pour lutter contre ces obstructions, les alternateurs sont donc arrêtés périodiquement pour procéder à un nettoyage chimique des conducteurs creux en cuivre à l'aide de solutions acides et/ou complexantes. Cependant, ces opérations de nettoyage sont longues, conduisent à l'arrêt des machines et sont souvent corrosives pour les conducteurs creux. En réponse à ces difficultés, une autre tentative de solution décrite dans la demande de brevet déposée sous le n FR9800354 a été d'établir un procédé d'épuration en dérivant une partie de l'eau en amont de l'alternateur vers un circuit de désionisation qui alimente le réservoir d'expansion et de traiter cette eau grâce à une résine à lit mélangé et/ou une résine cationique. - Un tel procédé permet de jouer sur les concentrations d'ions en solution et d'influencer le pH, ce qui permet de dissoudre les bouchons tout en gardant l'alternateur en marche. Toutefois, un tel procédé ne permet pas de s'affranchir définitivement du phénomène d'obstruction persistant, une fois les conducteurs épurés. Ainsi, il existe un réel besoin en un procédé permettant de s'affranchir définitivement de la formation des dépôts responsables de l'obstruction des conducteurs creux en cuivre ou en alliages de cuivre, de stators d'alternateur dans un circuit de refroidissement fonctionnant en mode aéré. Les inventeurs, au prix de nombreux efforts, ont eu le mérite de mettre au point un -tel procédé. Ce procédé permet d'empêcher définitivement la formation de ces dépôts à l'intérieur des conducteurs creux en cuivre ou en alliages de cuivre, sans l'arrêt de 3 2808015 l'alternateur, sans générer de conductivité élevée et en induisant une corrosion infime des conducteurs creux en cuivre ou en alliages de cuivre du circuit de refroidissement. Avantageusement, ce procédé sera utilisé en complément du procédé décrit dans le brevet déposé sous la référence FR98/00354 dont la Société Demanderesse est titulaire. L'invention porte donc sur un procédé de traitement et de conditionnement de l'eau de circuit de refroidissement de stator d'alternateur, fonctionnant en mode aéré, suivant lequel l'eau du circuit fermé de refroidissement du stator de l'alternateur est entraînée par une pompe à partir d'un réservoir d'expansion, refroidie et éventuellement filtrée afin d'alimenter les 15. conducteurs creux en cuivre ou en alliages de cuivre du stator d'alternateur, Une partie de l'eau est dérivée en amont de l'alternateur vers un circuit de désionisation alimentant le réservoir d'expansion, ledit circuit de désionisation comprenant au moins une résine susceptible de retenir les ions Cu2+ et'au moins une résine susceptible de retenir tout ou partie des anions présents dans l'eau de refroidissement, le circuit de désionisation comprenant un circuit de déminéralisation et un circuit de traitement avec des moyens permettant l'ouverture sélective ou simultanée desdits circuits et la régulation des débits sur lesdits circuits, ledit procédé étant caractérisé par le fait que la pression partielle en C02 dans la phase gazeuse dudit réservoir d'expansion est maintenue à une valeur telle que: log (pC02) > 1,8 x log (Séóh/Qres)+ 0, 034 x T - 8,1 (A) 4 2808015 O : pCO2 représente la pression partielle du C02 dans la phase gazeuse dudit réservoir d'expansion, Séch est la surface d'échange entre les éléments en cuivre ou en alliages de cuivre constitutifs du circuit et l'eau de refroidissement, Qres est le débit d'eau traversant la résine assurant la rétention des ions Cu2+, T est la température de l'eau de refroidissement à la sortie du stator, pCO2 étant exprimée en atm, (Séch/Qres) en h.m-1 et T est exprimé en Celsius. La ténorite (CuO), est l'espèce principalement responsable de ce phénomène. Elle se forme dans le circuit de refroidissement par précipitation de l'oxyde cuivrique. Ce processus est régi par la température, la pression partielle en Co2 dans la phase gazeuse de la bache et le rapport SéchiQres- Le procédé et son dispositif permettent de s'affranchir définitivement du phénomène de bouchage. En effet, en abaissant la température de l'eau de refroidissement en sortie de machine et en respectant les valeurs de pCO2 et de SêCh/Qres définies par l'équation (A), il est possible de maintenir le cuivre en solution et d'éviter ainsi la formation de l'oxyde cuivrique. Pour une installation donnée, il est possible de diminuer la température de l'eau de refroidissement à la sortie de la machine par exemple en abaissant la température à l'entrée de la machine; il est également possible de réduire le terme Séch/Qres par exemple en supprimant tous les éléments hors stator qui contiennent du cuivre ou ses alliages et/ou en filtrant l'eau de refroidissement dans la zone la plus chaude et/ou en 2808015 augmentant le débit de traitement sur résine en augmentant le volume de résine; l'optimisation de la pression partielle en CO2 pourra être réalisée par exemple à partir du débit d'air si de l'air alimente la bâche ou à partir du débit de C02 dans l'air qui alimente la bache si un mélange air + CO2 est utilisé et/ou de la pression partielle en CO2 dans l'air ou dans le mélange air + C02 qui alimente la bâche. Pour éviter la précipitation de composés carbonatés, la pression partielle en CO2 ne doit pas dépasser 10-1'5 atm. Pratiquement, la pression de l'air dans la bâche étant fixée généralement A 1 atm, la pression partielle du C02 est maintenue entre 10-1'5 atm et l0-5 atm, de S15 préférence à environ 10-3'48 atm. Dans ces conditions, pour éviter la précipitation du CuO, le rapport Séch/Qes est inférieur à 100 h.m-f, de préférence inférieur à 80 h.m-1 et plus préférentiellement encore est inférieur à 50 h.m-1 et T est compris entre 20 C et 70 C. Le procédé selon l'invention peut être utilisé pour tous les types d'alternateurs refroidis par une circulation d'eau aérée dans des conducteurs creux en cuivre, des barres statoriques formant le stator. A titre d'exemple de tels alternateurs, on peut citer tous les alternateurs de centrales thermiques à flammes ou de centrales nucléaires ayant une puissance d'au moins de 250 MW. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le circuit de désionisation comprend un circuit de déminéralisation à lit mélangé et un circuit de traitement à lit mélangé, placé en dérivation du circuit 6 2808015 de déminéralisation avec des moyens permettant l'ouverture sélective ou simultanée desdits circuits. Ce mode de réalisation donne la possibilité d'utiliser le circuit de traitement comme circuit de secours en cas de défaillance du circuit de déminéralisation. On pourra donc dans ce cas, fermer la circulation d'eau dans le circuit de déminéralisation en maintenant la circulation dans le circuit de traitement, réparer le circuit de déminéralisation ou changer le lit mélangé, puis rouvrir la circulation d'eau dans le circuit de déminéralisation. Dans ce mode de réalisation, on utilise comme résine susceptible de retenir tout ou partie des anions et les ions Cu2+, au moins un lit mélangé à résines à anions forts saturée en OH et cations forts saturée en Hi. Dans ce mode de réalisation, la résine utilisée retient le cuivre dissous et les ions HC03- ce qui va induire une baisse de la concentration de cette espèce en solution. La pression partielle en CO2 va s'en trouver modifiée et un rééquilibrage devra être fait pour maintenir la pression en C02 à une valeur telle qu'elle respecte l'équation (A). Ce rééquilibrage pourra être réalisé par exemple, en ajustant le débit d'air à l'entrée du réservoir d'expansion si la bâche est alimentée en air ou en ajustant le débit de C02 par rapport au débit d'air si la bâche est alimentée à la fois par de l'air et du C02. Selon un autre mode de réalisation avantageux du procédé on met en ouvre, comme résine susceptible de retenir tout ou partie des anions et les ions Cu2+, au moins un lit mélangé à résines à cations forts saturées en H+ et à anions faibles susceptibles de ne pas retenir HCO3- 7 2808015 Ce type de résine ne retient pas ou très peu HC03-. Dans ces conditions, la pression partielle en CO2 est naturellement celle que l'on trouve dans l'air ou dans le mélange air + CO2 qui alimente le ciel de bâche, et cela quel que soit le débit d'alimentation. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le circuit de désionisation comprend un circuit de déminéralisation à résine à lit mélangé ou à résine anionique et un circuit de traitement comprenant une résine cationique, placé en dérivation du circuit de déminéralisation avec des moyens permettant l'ouverture sélective ou simultanée desdits circuits. Ce mode de réalisation donne la possibilité de travailler avec une résine cationique, de préférence à cations forts, en alternance ou en simultané avec un lit mélangé, de préférence à anions et cations forts, ou en alternance ou en simultané avec une résine anionique à anions forts. Dans ce cas, le circuit de traitement fonctionne en permanence et le circuit de déminéralisation est mis en service de temps en temps ou en permanence. Pour ce mode de réalisation, la pression partielle en CO2 dans la phase gazeuse de la bâche d'expansion peut être ajustée, par exemple: - par la pression partielle en CO2 de l'air ou du mélange air + CO2 alimentant cette bache lorsque le circuit de traitement fonctionne seul, - par le débit et la composition de l'air alimentant la bâche, - par le débit de C02 dans l'air qui alimente la bâche si un mélange air + CO2 est utilisé. - ou par le débit d'eau traité sur la résine anionique ou la résine à lit mélangé lorsque le 8 2808015 circuit de déminéralisation et de traitement fonctionnent simultanément. Des exemples de colonnes à lit mélangé à anions forts, cations forts sont notamment IRN 160 de la Société RHOM & HAAS, NRW 354 de la Société PUROLITE Comme résine cationique, on pourra utiliser par exemple les résines de type NRW 160 de la société PUROLITE, ARC 9652 de la Société RHOM et HAAS. Lorsqu'une résine à lit mélangé à anions faibles, cations forts est requise, on pourra utiliser par exemple le mélange IRN 97H/HP661 de la Société RHOM & HAAS. Comme résine anionique forte, on pourra utiliser par exemple la résine IRN 78 de la Société RHOM & HAAS, NRW 600 de la Société PUROLITE. La présente invention porte également sur un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Ce dispositif consiste en un dispositif permettant le traitement et le conditionnement de l'eau de refroidissement de stator d'alternateur fonctionnant en mode aéré dans lequel l'eau de circuit fermé de refroidissement du stator de l'alternateur est entraînée par une pompe à partir d'un réservoir d'expansion, refroidie et éventuellement filtrée afin d'alimenter les conducteurs creux en cuivre ou en alliages de cuivre du stator d'alternateur; une partie de l'eau est dérivée en amont de l'alternateur vers un circuit de désionisation alimentant le réservoir d'expansion, ledit circuit de désionisation comprenant au moins une résine susceptible de retenir les ions Cu2+ et au moins une résine susceptible de retenir tout ou partie des anions présents dans l'eau de refroidissement, le circuit de désionisation 9 2808015 comprenant un circuit de déminéralisation et un circuit de traitement avec des moyens permettant l'ouverture sélective ou simultanée desdits circuits et la régulation des débits sur lesdits circuits, ledit procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de réguler la pression partielle en C02 dans la phase gazeuse dudit réservoir d'expansion à une valeur telle que: log (pC02) > 1,8 x log (Séch/Qres)+ 0, 034 x T - 8,1 (A) O : pC02 est la pression partielle du C02 dans la phase gazeuse dudit réservoir d'expansion, Séch est la surface d'échange entre les éléments en cuivre ou alliages de cuivre constitutifs du circuit et l'eau de refroidissement, Qres est le débit d'eau traversant la résine assurant la rétention des ions Cu2+, et T est la température de l'eau de refroidissement à la sortie du stator; pCO2 étant exprimée en atm, (Séch/Qres) en h.m'1 et T en Celsius. Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif, le circuit de désionisation comprend un circuit de déminéralisation à lit mélangé et un circuit de traitement à lit mélangé, placé en dérivation du circuit de déminéralisation avec des moyens permettant l'ouverture simultanée ou sélective du circuit de déminéralisation et du circuit de traitement. Ce dispositif a l'avantage de permettre le remplacement des résines sans provoquer l'arrêt du circuit et donc sans induire l'arrêt de l'alternateur. 2808015 Selon ce mode de réalisation, on utilise comme résine susceptible de retenir tout ou partie des anions et les ions Cu2+, au moins un lit mélangé à résines à anions forts saturées en OH- et cations forts saturées en H+. La résine utilisée retient le cuivre dissous et les ions HC03- ce qui va induire une baisse de la concentration de cette espèce en solution. La pression partielle en CO2 va s'en trouver modifiée et un rééquilibrage devra être fait pour maintenir la pression en C02 à une valeur telle qu'elle respecte l'équation (A). Ce rééquilibrage pourra être réalisé par exemple, en ajustant le débit et la teneur en C02 de l'air à l'entrée de la bâche d'expansion. Selon un autre mode de réalisation du dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé, on utilise comme résine susceptible de retenir tout ou partie des anions et les ions Cu2+, au moins un lit mélangé à résines cations forts saturées en H+ et anions faibles susceptibles de ne pas retenir HCO3-. Ce type résine ne retient pas ou très peu HCO3-, ce qui permet de conserver la valeur de la concentration de cette espèce en solution. La pression partielle en CO2 dans la phase gazeuse du réservoir d'expansion est naturellement celle que l'on trouve dans l'air ou dans le mélange air + C02 qui alimente ledit réservoir et cela quel que soit le débit d'alimentation. Selon un autre mode de réalisation du dispositif permettant la mise en ouvre du procédé, le circuit de désionisation comprend un circuit de déminéralisation à résine à lit mélangé ou à résine anionique et un circuit de traitement comprenant une résine cationique, placé en dérivation du circuit de déminéralisation avec des moyens permettant l'ouverture sélective ou simultanée desdits circuits. Ce mode de réalisation donne la possibilité de travailler avec une résine cationique, de préférence à cations forts, et avec un lit mélangé, de préférence à anions et cations forts, ou une résine anionique à anions forts. Dans ce cas, le circuit de traitement fonctionne en permanence et le circuit de déminéralisation est mis en service de temps en temps ou en permanence. Quelques exemples de moyens permettant de moduler la pression partielle en CO2 dans la phase gazeuse du réservoir d'expansion sont: - l'optimisation de la composition et du débit de l'air alimentant la bâche lorsqu'on travaille avec un ou plusieurs lits mélangés, - la régulation du débit sur les résines anioniques ou à lit mélangé lorsqu'on utilise sur le circuit de traitement une résine cationique. La présente invention va maintenant être décrite de façon plus détaillée à l'aide du dessin donné à titre illustratif. Sur le dessin: La figure 1 représente de façon schématique un exemple de circuit de refroidissement de stator d'alternateur fonctionnant en mode aéré, comprenant un circuit de désionisation constitué d'un circuit de déminéralisation (D) et un circuit de traitement (T) placé en dérivation dudit circuit de déminéralisation. 12 2808015 Dans ce dispositif, l'eau est entraînée par la pompe (P) et refroidie par le réfrigérant(R) avant de traverser les conducteurs en cuivre ou en alliages de cuivre du stator de l'alternateur (A). Puis après passage par le réservoir d'expansion (E), pénètre à nouveau dans la pompe. En amont de l'alternateur, une partie de l'eau en circulation est dérivée vers le circuit de désionisation o elle traverse les circuits de déminéralisation (D) o10 et/ou de traitement (T). 13 2808015 REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement et de conditionnement de l'eau de refroidissement de stator d'alternateur fonctionnant en mode aéré suivant lequel l'eau du circuit fermé de refroidissement du stator de l'alternateur est entraînée par une pompe à partir d'un réservoir d'expansion, refroidie et éventuellement filtrée afin d'alimenter les conducteurs creux en cuivre ou en alliages de cuivre du stator d'alternateur, une partie de l'eau est dérivée en amont de l'alternateur vers un circuit de désionisation alimentant le réservoir d'expansion, ledit circuit de désionisation comprenant au moins une résine susceptible de retenir les ions Cu2+, et au moins une résine susceptible de retenir tout ou partie des anions présents dans l'eau de refroidissement, le circuit de désionisation comprenant un circuit de déminéralisation et un circuit de traitement avec des moyens permettant l'ouverture sélective ou simultanée desdits circuits et la régulation des débits sur lesdits circuits, ledit procédé étant caractérisé par le fait que la pression partielle en CO2 dans la phase gazeuse dudit réservoir d'expansion est maintenue à une valeur telle que: log (pCO2) > 1,8 x log(Séch/Qres)+ 0, 034 x T - 8,1 o pCO2 représente la pression partielle du CO2 dans phase gazeuse dudit réservoir d'expansion, Séch est la surface d'échange entre les éléments en cuivre ou en alliages de cuivre constitutifs du circuit et l'eau de refroidissement, 14 2808015 Qres est le débit d'eau traversant la résine assurant la rétention des ions Cu2+, et T est la température de l'eau de refroidissement à la sortie du stator; pC02 étant exprimée en atm, (Sêch/Qres) en h.m-l et T en Celsius. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de désionisation comprend un circuit de déminéralisation à lit mélangé et éventuellement un circuit de traitement à lit mélangé, placé en dérivation du circuit de déminéralisation avec des moyens permettant l'ouverture sélective ou simultanée desdits circuits. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que, comme résine susceptible de retenir tout ou partie des anions et les ions Cu2, on utilise une résine à lit mélangé à anions forts saturée en OH et à cations forts saturée en H+ et que l'on régule la composition de l'air dans la phase gazeuse du réservoir d'expansion. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé par le fait que l'on utilise comme résine susceptible de retenir tout ou partie des anions et C2+ les ions Cu2+, un lit mélangé à résines à cations forts saturées en H+ et à anions faibles susceptibles de ne pas retenir HCO3. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de désionisation comprend un circuit de déminéralisation à résine à lit mélangé à anions forts et à cations forts et un circuit de traitement à résine à cations forts, placé en dérivation 2808015 du circuit de déminéralisation avec des moyens permettant l'ouverture sélective ou simultanée desdits circuits. 6.Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de désionisation comprend un circuit de déminéralisation à résine à anions forts et un circuit de traitement à résine à cations forts, placé en dérivation du circuit de déminéralisation avec des moyens permettant l'ouverture sélective ou simultanée desdits circuits. 7.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le rapport Séch/Qres est inférieur à 100 h.m-l, de préférence est inférieur à 80 h.m-l et plus préférentiellement encore est inférieur à 50 h.m-1. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la pression partielle en CO2 dans la phase gazeuse du réservoir d'expansion est maintenue entre 10-5 atm et 101l5 atm, de préférence à environ 10-3,48 atm. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la température T est maintenue entre 20 et 70 C. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé par le fait que la pression partielle en CO2 dans la phase gazeuse du réservoir d'expansion est maintenue par un moyen permettant la régulation du débit et/ou de la composition de l'air à l'entrée du réservoir d'expansion. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé par le fait que la pression partielle en CO2 dans la phase gazeuse du réservoir d'expansion est maintenue par un moyen permettant la régulation de la 16 2808015 teneur en C02 dans l'air qui alimente le réservoir d'expansion. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé par le fait que la pression partielle en C02 dans la phase gazeuse de la bâche d'expansion peut être ajustée par le débit et la composition de l'air à l'entrée de la bâche d'expansion et/ou le débit d'eau traité sur la résine anionique ou la résine à lit mélangé lorsque celle-ci fonctionne simultanément avec une résine cationique placée en dérivation. 13. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 12 dans lequel l'eau du circuit fermé de refroidissement du stator de l'alternateur est entraînée par une pompe à partir d'un réservoir d'expansion, refroidie et éventuellement filtrée afin d'alimenter les conducteurs creux en cuivre ou en alliages de cuivre du stator d'alternateur, une partie de l'eau est dérivée en amont de l'alternateur vers un circuit de désionisation alimentant le réservoir d'expansion, ledit circuit de désionisation comprenant au moins une résine susceptible de retenir les ions Cu2+ et au moins une résine susceptible de retenir tout ou partie des anions présents dans l'eau de refroidissement, le circuit de désionisation comprenant un circuit de déminéralisation et un circuit de traitement avec des moyens permettant l'ouverture sélective ou simultanée desdits circuits, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un moyen permettant la régulation du débit et/ou de la qualité de l'air à l'entrée du réservoir d'expansion.