Brevet FR2945104A1 — publié le 20101105

La présente invention se rapporte d'une manière générale aux générateurs de vapeur à passage unique pour centrales nucléaires, et en particulier à un piège pour empêcher des débris dans l'eau d'alimentation d'entrer dans l'espace de la section des tubes placés dans l'économiseur qui est intégré dans la cuve sous pression du générateur de vapeur. Les générateurs de vapeur, ou échangeurs de chaleur, sous pression associés à des centrales nucléaires transfèrent la chaleur produite par le réacteur du fluide de refroidissement primaire au fluide de refroidissement secondaire, qui à son tour entraîne les turbines de l'installation. Beaucoup de ces cuves sous pression de générateur de vapeur ont des économiseurs intégrés dans lesquels de l'eau d'alimentation sous-refroidie est canalisée directement dans la section inférieure du faisceau de tubes. Ces cuves sous pression peuvent avoir environ 23 m de long et avoir un diamètre extérieur d'environ 4 m. À l'intérieur de l'une de ces cuves sous pression de générateur de vapeur, des tubes rectilignes, dans lesquels circule le fluide de refroidissement primaire peuvent avoir typiquement un diamètre extérieur de 16 mm, mais avoir une longueur utile de 16 m ou plus entre les montages d'extrémité des tubes ou entre les faces opposées des plaques de tête des tubes. Typiquement, il peut y avoir un faisceau de plus de 15 000 tubes dans l'une de ces cuves de générateur de vapeur. Des débris provenant du système d'eau d'alimentation, transportés par le flux d'eau d'alimentation, peuvent venir se loger entre les tubes du faisceau de tubes et provoquer de l'usure et/ou des étranglements des tubes. Bien que l'on connaisse des cuves sous pression de générateur de vapeur ayant des économiseurs intégrés, comme le montrent par exemple le brevet US 3 356 135 délivré à Robert K. Sayre ; le brevet US 3 547 084 délivré à Theodore S. Sprague et le brevet US 3 771 497 délivré à Theodore 2 Sprague et al. ; aucun de ces brevets de l'art antérieur ne prévoit un piège à débris à l'intérieur de la cuve sous pression de générateur de vapeur pour capturer les débris transportés par l'eau d'alimentation et les empêcher d'entrer dans la section des tubes d'économiseur. Pour une description générale des caractéristiques des générateurs nucléaires de vapeur, le lecteur est renvoyé au chapitre 48 de "Steam/its generation and use", 41e édition, Kitto et Stultz, Éditeurs, O 2005 The Babcock & Wilcox Company, Barberton, Ohio, USA, dont le texte est incorporé par référence dans le présent document bien qu'il y soit entièrement exposé. La présente invention se rapporte à un générateur de vapeur ayant une cuve sous pression et une pluralité de tubes d'échangeur de chaleur s'étendant à l'intérieur de la cuve pour y faire s'écouler le flux d'un fluide primaire chaud. Un économiseur est disposé à l'intérieur de la cuve dans une relation espacée par rapport à celle-ci pour définir un passage annulaire de descente et une partie inférieure du faisceau de tubes entourée par la descente. La partie économiseur de la surface d'échange de chaleur des tubes préchauffe le fluide constitué d'eau d'alimentation par transfert de chaleur à partir des tubes. Un piège de filtrage de débris est prévu pour capturer et retenir les débris transportés par le fluide d'eau d'alimentation pour prévenir l'entrée des débris dans l'économiseur. Le piège de filtrage de débris est situé dans le passage de descente. Une couronne annulaire supporte le piège de filtrage et s'étend sur la section transversale du passage de descente. La couronne de support possède une pluralité d'ouvertures, de préférence espacées de manière égale suivant la circonférence de la couronne. Le piège de filtrage de débris inclut un groupement organisé de tubes cylindriques allongés de filtre, dont chacun possède une base ouverte et un sommet clos. La base ouverte de chaque tube de filtre est fixée à la couronne annulaire de support 3 et couvre une ouverture correspondante de la couronne. La partie globalement cylindrique du tube de filtre comporte une pluralité de trous orientés radialement qui y sont formés. Les trous de filtre sont dimensionnés pour éliminer la matière étrangère du flux de fluide secondaire, lorsque la matière est plus grande que l'espace entre les tubes placés dans l'économiseur. La couronne annulaire de support est fixée à la fois à l'économiseur et à la cuve sous pression, ou au moins à l'un d'entre eux. Si la couronne annulaire de support est fixée seulement à l'économiseur ou à la cuve sous pression, alors l'espace entre le bord libre de la couronne annulaire et soit l'économiseur soit la cuve sous pression, doit être d'une largeur identique ou inférieure à la dimension d'un trou de tube de filtre, pour garantir que des débris qui seraient plus grands que le trou de tube de filtre ne puissent pas migrer par l'espace au droit du bord libre de la couronne annulaire de support. Pour une meilleure compréhension de la présente invention et des avantages obtenus par son utilisation, on se réfèrera aux dessins annexés et à la description détaillée suivante où est représenté un mode préféré de réalisation de l'invention. Dans les dessins annexés, qui font partie de la présente description et dans lesquels des repères sont utilisés pour se référer aux éléments identiques ou fonctionnellement similaires : la figure 1 est une vue de côté en coupe d'un générateur de vapeur à passage unique de l'art antérieur sur lequel on peut mettre en pratique les principes de la présente invention ; la figure 2 est une vue de côté en coupe de la section inférieure d'un générateur de vapeur à passage unique qui incorpore le piège à débris de la présente invention ; 4 la figure 3 est une vue en perspective de la section inférieure de générateur de vapeur à passage unique montrée à la figure 2 ; et la figure 4 est une vue en perspective des tubes de 5 filtre associés au piège de filtrage de la présente invention. La figure 1 représente un générateur 10 de vapeur à un seul passage de l'art antérieur comprenant une cuve ou caisson 11 globalement cylindrique sous pression, allongé 10 verticalement, fermé à ses extrémités opposées par une tête supérieure 12 et une tête inférieure 13. Un fluide primaire chaud, comme le fluide de refroidissement provenant d'un réacteur nucléaire (non représenté) passe dans la cuve 11 sous pression, et y subit un échange indirect de chaleur 15 avec un fluide secondaire, comme de l'eau, délivré à la cuve 11 sous pression. Le fluide primaire pénètre dans une chambre 14 d'admission au droit de la tête supérieure 12 de la cuve 11 sous pression et passe à travers des tubes 16, reçus dans des plaques supérieure et inférieure de tête 18 20 et 20 des tubes, d'où il sort par la buse 22 de sortie de fluide de refroidissement pour retour au réacteur. À l'intérieur de la cuve 11 sous pression, il y a une enveloppe supérieure 24 et une enveloppe inférieure 25, toutes les deux sont à extrémités ouvertes et entourent le 25 faisceau de tubes 16. Une plaque annulaire 26 en couronne, raccordée au droit de son bord intérieur à l'enveloppe supérieure 24 et au droit de son bord extérieur à la paroi intérieure de la cuve 11 sous pression, sert à séparer l'eau d'alimentation entrante introduite par deux buses 28 30 d'entrée d'eau d'alimentation de la vapeur sortante s'échappant par deux buses 30 de sortie de vapeur. L'enveloppe inférieure 25 est conçue pour servir de section 32 d'économiseur intégré, et est placée dans une relation espacée par rapport à la cuve 11 sous pression de 35 façon à définir avec celle-ci un passage annulaire 34 de descente, qui est situé dans une relation espacée par rapport à la plaque inférieure 20 de tête des tubes pour définir avec celle-ci un espace 36 d'écoulement qui est en communication avec le bas d'une chambre 38 d'économiseur. La section 32 d'économiseur renferme une partie de la 5 surface d'échange de chaleur des tubes 16. L'eau d'alimentation entrant dans la cuve 11 sous pression par les buses 28 d'entrée d'eau d'alimentation est obligée par la plaque 26 en couronne de s'écouler vers le bas par le passage annulaire 34 de descente et donc à travers l'espace 36 d'écoulement et pénètre dans la chambre 38 d'économiseur et la traverse, où elle est préchauffée par de la chaleur transférée à partir du fluide primaire plus chaud s'écoulant dans les tubes 16 dans la partie de la surface d'échange de chaleur se trouvant à l'intérieur de la chambre 38. L'eau d'alimentation absorbe ainsi de la chaleur en s'écoulant à travers la chambre 38 d'économiseur. L'eau d'alimentation chauffée sortant de la chambre 38 est évaporée par transfert de chaleur à travers les tubes 16 à partir du fluide primaire chaud. De plus, cette vapeur est surchauffée avant qu'elle atteigne le sommet des tubes 16. La vapeur surchauffée ainsi produite sort par l'extrémité supérieure ouverte 40 de l'enveloppe supérieure 24, et descend dans le passage annulaire 42, entre l'enveloppe supérieure 24 et la paroi intérieure de la cuve 11 sous pression, et au-dessus de la plaque annulaire 26 en couronne, pour sortir par la buse 30 de sortie de vapeur. En se référant d'une manière générale à la figure 1, et d'une manière particulière aux figures 2 à 4, il y est montré un piège 46 à débris pour empêcher des débris potentiellement nuisibles transportés par l'eau d'alimentation entrant dans la cuve 11 sous pression de pénétrer dans la section des tubes 16 qui est située aux confins de l'économiseur intégré 32 du générateur 10 de vapeur à passage unique. Le piège 46 à débris élimine du flux d'eau d'alimentation toute matière étrangère qui 6 serait plus grande que l'espace entre les tubes 16, et empêche ainsi des particules de débris qui seraient assez grandes pour se loger dans l'espace entre les tubes 16 de pénétrer dans l'économiseur 32. Des débris qui se logeraient entre les tubes 16 peuvent provoquer de l'usure et/ou des étranglements des tubes. Le piège 46 à débris est situé près du bas du passage annulaire 34 de descente. L'eau d'alimentation qui pénètre dans la cuve 11 sous pression par les buses 28 d'entrée est forcée de s'écouler à travers le piège 46 à débris avant décharge dans l'espace 36 d'écoulement et entrée dans la section des tubes 16 placés dans la chambre 38 d'économiseur. Le piège 46 à débris est composé d'une couronne annulaire 48 de support qui s'étend en travers du passage 34 de descente entre la paroi de l'économiseur 32 telle que définie par l'enveloppe inférieure 25 et la paroi intérieure de la cuve 11 sous pression, et il est situé près de l'extrémité inférieure de l'enveloppe 25. La couronne annulaire 48 de support est une plaque qui supporte un groupe organisé de tubes 50 de filtre, de préférence espacés de manière égale suivant la circonférence autour de la couronne 48 de support, chacun des tubes 50 de filtre comportant une pluralité de trous 52 orientés radialement formés dans la paroi cylindrique de tube. Les extrémités inférieures des tubes 50 de filtre sont ouvertes et alignées avec des ouvertures, ou trous, correspondants (non représentés), s'étendant à travers la couronne annulaire 48 de support. L'extrémité supérieure 49 de chaque tube 50 de filtre est obturée de sorte que le flux d'eau d'alimentation descendant est forcé de s'écouler à travers les trous 52 des tubes de filtre. La couronne 48 de support de piège à débris est fixée à au moins l'une de la paroi intérieure de la cuve 11 sous pression ou de la paroi d'économiseur telle que définie par l'enveloppe inférieure 25. Si la couronne annulaire 48 de 7 support est fixée seulement à la cuve 11 sous pression ou à l'économiseur 32, alors l'espace, sur le bord libre de la couronne 48 de support, doit être gardé au maximum à la même largeur que la dimension des trous 52 de tube de filtre. Ceci garantit que des débris qui seraient plus grands que les trous 52 de tube de filtre ne puissent pas migrer à travers les espaces autour de la couronne annulaire 48 de support. La chute de pression dans le piège 46 à débris d'eau d'alimentation est minimisée pour réduire la puissance de pompage d'eau d'alimentation et pour réduire les charges structurelles sur le piège à débris. Une chute de pression faible s'obtient en maximisant le nombre des tubes 50 de filtre et le nombre de trous 52 par tube de filtre. En outre, les trous individuels 52 des tubes de filtre peuvent être profilés pour avoir une géométrie d'entrée évasée pour minimiser davantage la chute de pression. Les avantages de l'invention comprennent : le fait que le piège 46 à débris d'eau d'alimentation empêche des objets étrangers qui sont assez grands de se loger entre les tubes 16 placés dans la section 32 d'économiseur intégré, en minimisant ainsi le risque d'usure et d'endommagement des tubes ; le fait que la rangée la plus basse des trous 52 sur le tube 50 de filtre peut être placée assez loin au-dessus du niveau de la couronne annulaire 48 de support de sorte que les débris qui sont arrêtés par le tube 50 de filtre peuvent finalement reposer sur le dessus de la couronne 48 de support au-dessous du niveau des trous 52 de filtre. Ceci minimise le risque que des débris endommagent les trous 52 dans le tube 50 de filtre ; le fait que l'accès au côté supérieur de la couronne annulaire 48 de support et aux tubes 50 de filtre, pour inspection et enlèvement éventuel de débris, peut se faire à travers un ou plusieurs regards prévus dans la paroi de la cuve 11 sous pression ; 8 le fait que le tube 50 de filtre peut être fabriqué à partir d'acier résistant à l'érosion et à la corrosion, ce qui protège le tube 50 de filtre contre la dégradation en service ; le fait que la conception cylindrique du tube 50 de filtre maximise la résistance structurelle du tube de filtre, puisque des charges de pression, comme celles qui pourraient être subies au cours d'un événement hypothétique d'éclatement de tuyauterie d'alimentation, auraient pour résultat des contraintes de membrane et des contraintes minimales de flexion dans le tube 50 de filtre. En raison de sa conception cylindrique, le tube 50 de filtre est capable de supporter de fortes charges de pression. REVENDICATIONS1. Générateur (10) de vapeur ayant une cuve (11) sous pression et une pluralité de tubes (16) d'échangeur de chaleur s'étendant à l'intérieur de la cuve (11) pour y faire s'écouler le flux d'un fluide primaire chaud, un économiseur (32) disposé à l'intérieur de la cuve (11) dans une relation espacée par rapport à celle-ci pour définir un passage annulaire (34) de descente et entourant une partie de la surface d'échange de chaleur des tubes (16) pour préchauffer un flux d'eau d'alimentation introduit dans l'économiseur (32), caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (46) destiné à capturer et retenir des débris transportés par le fluide eau d'alimentation pour prévenir l'entrée des débris dans ledit économiseur (32). 2. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (46) destiné à capturer et à retenir les débris est situé dans le passage (34) de descente. 3. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (46) destiné à capturer et à retenir les débris inclut au moins un tube perforé (50). 4. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une couronne annulaire de support (48) s'étendant sur la section transversale du passage (34) de descente, la couronne (48) ayant au moins une ouverture, et un filtre (46) couvrant l'ouverture pour filtrer le fluide secondaire avant qu'il passe dans l'économiseur (32). 5. Générateur de vapeur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une pluralité d'ouvertures est espacée de manière circonférentielle autour de la couronne annulaire (48), chaque ouverture étant couverte par un filtre (46). 6. Générateur de vapeur selon la revendication 4, 35 caractérisé en ce que le filtre (46) est un tube cylindrique allongé (50) avec une extrémité supérieure 10 fermée (49), et une pluralité de trous (52) orientés radialement formés sur la partie cylindrique du tube (50). 7. Générateur de vapeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les trous (52) de filtre sont dimensionnés pour retirer du flux de fluide secondaire toute matière étrangère qui est plus grande que l'espace entre les tubes (16) placés dans l'économiseur (32). 8. Générateur de vapeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'entrée de trou de filtre est profilée avec une géométrie évasée. 9. Générateur de vapeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couronne annulaire (48) de support est fixée à l'économiseur (32) et à la cuve (11) sous pression. 10. Générateur de vapeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couronne annulaire (48) de support est fixée soit à l'économiseur (32) soit à la cuve (11) sous pression. 11. Générateur de vapeur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il y a un espace entre le bord libre de la couronne annulaire (48) de support et soit l'économiseur (32) soit la cuve (11) sous pression, et en ce qu'un tel espace est d'une largeur inférieure ou égale à la dimension d'un trou (52) dudit tube perforé (50).