Brevet FR2978242A1 — publié le 20130125

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine technique des méthodes de mesures et de suivi de débit dans une conduite hydraulique fermée contenant un coude. ETAT DE L'ART Les mesures de débits industriels font appel à différentes techniques dont les statuts respectifs diffèrent quant à leur crédibilité et leur précision dans le monde des instrumentistes et exploitants des divers secteurs industriels utilisateurs. On peut notamment citer les méthodes suivantes : - les méthodes normalisées notamment en utilisant des organes déprimogènes ou traceurs, électromagnétiques ; ces méthodes permettent une précision élevée, mais elles sont exigeantes en termes de conditions d'installation, et nécessitent notamment de grandes longueurs droites de canalisations ; - le bilan enthalpique appliqué aux échangeurs de chaleur ; cette méthode peut dépendre fortement de paramètres (températures par exemple) difficiles à maîtriser ; - les techniques non normalisées, par exemple les méthodes de mesure par ultrasons (effet Doppler, temps de vol), dont l'usage est en cours de 25 développement. Dans le cas particulier de la détermination du débit dans la conduite primaire d'un réacteur à eau sous pression (REP), cette dernière joue un rôle primordial dans le refroidissement du combustible du réacteur. Il est 30 donc important de déterminer de manière précise le débit du fluide de refroidissement dans cette conduite primaire pour des raisons de sûreté, et du fait que le fonctionnement du circuit de refroidissement impacte directement le fonctionnement des réacteurs nucléaires. Plusieurs méthodes sont connues afin de mesurer le débit dans la conduite fermée du circuit primaire, et ainsi s'assurer qu'il reste dans une plage étroite de valeurs. Une première méthode consiste à mesurer le débit dans le circuit primaire lors d'un essai périodique réglementaire et obligatoire une fois en début de cycle en réalisant un bilan enthalpique entre le circuit primaire et le circuit secondaire. Les températures de la branche chaude et de la branche froide primaires sont alors des données essentielles pour la mise en oeuvre de cette méthode. Or, la détermination de la température de la branche chaude est un des termes prépondérants de l'incertitude actuelle. En effet, cette méthode détermine la température en branche chaude en disposant plusieurs sondes dans une portion de la branche chaude, et en réalisant une moyenne des mesures effectuées par ces sondes. Or, il est reconnu que la température en branche chaude est hétérogène, et il y a alors une incertitude spécifique sur le fait que la température moyenne mesurée reflète bien la température moyenne réelle du fluide. Une seconde méthode, exploitée notamment dans certains réacteurs nucléaires conçus par la société Westinghouse aux États-Unis, définit le débit d'eau en fonction de la variation de pression au niveau de l'extrados et de l'intrados d'un coude du circuit primaire, et d'un coefficient k déterminé en fonction du bilan enthalpique. Toutefois, cette méthode fait également appel à un bilan enthalpique, ce qui engendre des incertitudes du fait de l'hétérogénéité de la température en branche chaude, comme indiqué précédemment, incertitudes de facto supérieures à celle du dit bilan enthalpique. On cherche donc à développer une méthode alternative de détermination du débit dans une conduite hydraulique fermée possédant un coude qui dans le cas du circuit primaire des centrales REP pourra s'affranchir de ces approximations, et ainsi permettra de contribuer à confirmer, voir améliorer, la méthode réglementaire du bilan enthalpique. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise à proposer une méthode ne présentant pas ces inconvénients, et améliorant les résultats obtenus. A cet effet, l'invention propose une méthode de suivi de l'évolution du 10 débit dans une conduite hydraulique fermée selon laquelle on mesure en continu ledit débit en mettant en oeuvre les étapes suivantes : - mesure d'une pression différentielle entre l'intrados et l'extrados d'un coude de ladite conduite, - calcul du débit en fonction de cette pression différentielle, 15 ladite méthode étant caractérisée en ce qu'on détermine préalablement aux mesures en continu, en fonction d'une modélisation 3D de la géométrie de la conduite au niveau du coude, un paramètre qui est ensuite utilisé dans le calcul de débit. 20 L'étape de mesure d'une pression différentielle au droit du coude de la conduite est par exemple réalisée au moyen de deux piquages de pression : - un premier piquage de pression à l'intrados du coude, et - un second piquage de pression à l'extrados du coude. 25 Ladite modélisation 3D comprend typiquement des étapes de : - définition de la pression et de la température dans la conduite au niveau du coude, - déduction de la masse volumique du fluide, 30 - définition de la valeur et le profil des vitesses en entrée de la conduite.5 Selon un mode de réalisation particulier, on applique à ladite modélisation 3D de la géométrie de la conduite une simulation numérique d'écoulement de fluide dans ladite conduite. En variante, ladite simulation numérique met en oeuvre un modèle de 5 turbulence de type RANS. Selon un autre mode de réalisation, ladite modélisation 3D de la géométrie de la conduite au niveau du coude présente un maillage comprenant un nombre de mailles compris entre 2 et 4 millions, ou de 10 manière plus générale un maillage suffisamment fin pour atteindre la convergence en maillage. Selon un autre mode de réalisation, ledit paramètre est un coefficient K de débit, tel que : 15 K= Q P où Q est le débit de référence dans ladite portion de la conduite, D est le diamètre interne de ladite portion de la conduite, Rc est le rayon de courbure dudit coude, 20 p est la masse volumique du fluide, AP est la variation de pression dans ledit coude entre son intrados et son extrados. En variante, le calcul du débit est réalisé au moyen de la formule : 25 Q=KXD3/2xRc2~AP P où K est le coefficient de débit déterminé à l'aide de la modélisation 3D, D est le diamètre interne de ladite portion de la conduite, Rc est le rayon de courbure dudit coude, 30 p est la masse volumique du fluide, D3/ 2R1/2 ~AP c AP est la variation de pression dans ledit coude, mesurée à partir des valeurs relevées par des capteurs de pression disposés dans le coude. En variante, ladite méthode comprend en outre une étape d'affichage de la valeur de débit ainsi calculée. La méthode proposée trouve une application spécifique pour la détermination du débit du circuit primaire de refroidissement d'un réacteur à eau pressurisé. La méthode telle que proposée par l'invention a notamment fait l'objet d'essais expérimentaux sur une maquette à l'échelle '/4 d'une installation réelle afin de valider la concordance entre les valeurs obtenues au moyen de l'invention et les valeurs réelles. Ces essais ont montré que les valeurs de débit obtenues par la mise en oeuvre de l'invention et les valeurs de débit réelles présentaient bien une concordance forte, et que l'incertitude sur les valeurs obtenues s'en trouvait réduite. La cohérence de cette méthode est également vérifiée avec des données réelles des quatre tranches N4. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 présente un exemple d'une portion de conduite fermée modélisée selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention. - La figure 2 représente schématiquement les étapes du procédé selon un aspect de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE On présente ci-après les différentes étapes pour la mise en oeuvre du procédé selon un aspect de l'invention, et qui sont représentées schématiquement sur la figure 3. Modélisation 3D de la géométrie d'une conduite au niveau d'un coude. Cette étape vise à réaliser une modélisation numérique d'une portion de conduite considérée. On sélectionne une portion de la conduite considérée. Par exemple, dans le cas d'application aux centrales REP, on sélectionne une portion comprenant une boite à eau et une canalisation présentant un coude, par exemple ayant sensiblement une forme de U. Cette portion du circuit primaire est typiquement une portion se trouvant en sortie du générateur de vapeur du REP. On réalise une modélisation 3D de la géométrie de la conduite, ladite modélisation étant avantageusement réalisée avec un maillage adapté pour réaliser une convergence en maillage, par exemple au moyen d'un maillage comprenant un nombre de mailles compris entre 2 millions et 4 millions. Le maillage est en particulier affiné en bordure de la conduite, dans la mesure où la valeur de la pression en bord de conduite est un paramètre déterminant. La figure 2 présente un exemple d'une portion de conduite modélisée, comprenant une boite à eau 1, une canalisation 2 ayant une forme générale de U et comprenant un coude 3. La boîte à eau 1 a typiquement une forme de quart de sphère, et joue un rôle de mélangeur du débit entrant. La modélisation 3D retranscrit les paramètres géométriques de la portion de circuit, et plus particulièrement le diamètre intérieur de la conduite et le rayon de courbure du coude 3. 6 Mesure d'une pression différentielle au droit d'un coude de la conduite. On réalise ici une mesure de la pression dans un coude de la conduite qui fait l'objet de la modélisation 3D, en mesurant la pression à l'intrados et à l'extrados du coude. Cette mesure de pression est réalisée par deux piquages de pression : - un premier piquage de pression à l'intrados du coude, et - un second piquage de pression à l'extrados du coude. La mesure est typiquement réalisée dans un plan situé à 22,5° par rapport à l'entrée de l'écoulement dans le coude, de sorte que la différence de pression entre les deux piquages de pression soit maximisée. En variante, deux capteurs ou plus peuvent être utilisés pour chaque piquage de pression à l'intrados et/ou à l'extrados du coude, de manière à avoir une redondance des mesures ce qui permet d'en renforcer la sûreté. A titre d'exemple, on peut utiliser trois capteurs disposés à l'intrados pour des coudes de tranches 900 MW, quatre capteurs disposés à l'intrados pour des coudes de tranches 1300 MW et N4. Après calibrage, ces capteurs de pression fournissent une valeur de pression en continu. Détermination d'un paramètre au moyen de la modélisation 3D. Suite à la modélisation 3D de la géométrie de la conduite et à la mesure de la pression différentielle au droit d'un coude de la conduite, on détermine un paramètre K qui pourra ensuite être utilisé afin de calculer le débit dans ladite conduite. Pour cela, on réalise une simulation numérique mettant en oeuvre cette modélisation 3D. On détermine en premier lieu les paramètres d'entrée de la simulation numérique. On définit la pression et la température comme étant des constantes dans la conduite, et prises par exemple égales aux valeurs nominales de fonctionnement, la masse volumique est alors déduite de ces valeurs et de tables thermodynamiques. 10 On définit la valeur et le profil de la vitesse en entrée de la conduite, la valeur de la vitesse permettant d'obtenir le débit nominal de fonctionnement. On définit un modèle de turbulence, typiquement parmi les modèles 15 suivants : - DNS (Direct Numerical Simulation - simulation numérique directe) ; dans ce modèle, les équations de Navier Stokes sont complètement résolues sans modèle de turbulence, ce qui implique des calculs complexes et une modélisation pouvant être très longue 20 à réaliser. - LES (Large Eddy Simulation - simulation des grandes échelles) ; dans ce modèle, on sépare les phénomènes à grandes échelles des phénomènes à petites échelles à l'aide de filtres. - RANS (Reynolds Average Navier Stokes - équations de Navier- 25 Stokes avec décomposition de Reynolds) ; ce modèle fait apparaître un tenseur de Reynolds dans les équations, qui représente les phénomènes de turbulence. Il est représenté par une expression pour les modèles de ier ordre et par une équation pour les modèles du tnd ordre. 30 Le modèle de turbulence est avantageusement choisi pour modéliser au mieux les phénomènes proches des parois et pas seulement éloignés de celles-ci, tout en prenant en compte la valeur du nombre de Reynolds qui5 est typiquement très élevé dans les conduites considérées, et le régime d'écoulement qui est alors très turbulent. On définit enfin le pas des itérations et le temps de simulation pour que la simulation arrive à un régime permanent. Le pas de temps est avantageusement suffisamment petit pour obtenir un nombre de Courant (également appelé condition de Courant-Friedrichs-Lewy) maximum qui soit avantageusement inférieur à 1 ou tout au moins inférieur à 5 avec l'utilisation de Code Saturne. Une fois ces paramètres d'entrée de la simulation déterminés, on réalise la simulation. On vérifie alors la convergence des résultats, et on relève la pression des mailles correspondant aux positions des capteurs de pression dans le coude de la conduite. On détermine ensuite le coefficient de débit K, tel que : K= Q où Q est le débit de référence dans ladite portion de la conduite, D est le diamètre interne de ladite portion de la conduite, Rc est le rayon de courbure dudit coude, p est la masse volumique du fluide, AP est la variation de pression dans ledit coude entre son intrados et son 25 extrados obtenue à partir de la simulation. D"2R"2 ~ AP c P 10 Calcul du débit. Une fois le coefficient de débit K déterminé, on utilise la formule précédente que l'on inverse afin d'obtenir le débit dans la conduite prise 5 en considération. Q=KxD"2xRcz P Où K est le coefficient de débit déterminé à l'aide de la modélisation 3D, D est le diamètre interne de ladite portion de la conduite, 10 Rc est le rayon de courbure dudit coude, p est la masse volumique du fluide, AP est la variation de pression dans ledit coude, mesurée à partir des valeurs relevées par les capteurs de pression disposés dans le coude. 15 Une fois calculée, la valeur de débit est typiquement affichée par exemple sur un écran, afin que l'utilisateur puisse la visualiser et suivre son évolution au cours du temps. La présente invention permet ainsi d'obtenir un procédé de mesure en 20 continu du débit du circuit primaire d'un réacteur à eau pressurisée, qui est calibré pour un type de conduite, et ne nécessitant pas d'avoir la température en branche chaude comme donnée d'entrée. Le procédé tel que présenté peut alors être utilisé pour déterminer cette température en branche chaude. 25 Le procédé proposé permet d'obtenir des mesures de débit en continu, et dans le cas d'application aux centrales REP de suivre son évolution au cours d'un cycle, contrairement aux méthodes connues telle que la méthode par bilan enthalpique. Par ailleurs, l'utilisation d'un code de simulation numérique 3D de mécanique des fluides permet de s'affranchir de l'hétérogénéité de 30 température qui entrainait une approximation dans le débit de référence pris en compte pour les méthodes antérieures. Le procédé proposé permet d'obtenir une mesure directe, absolue et continue ayant une précision accrue et une incertitude réduite par rapport aux méthodes antérieures. A titre d'exemple, des tests ont montré que le procédé selon l'invention permettait d'obtenir une incertitude inférieure à 3,5%, ce qui est avantageux par rapport aux méthodes connues qui présentent une incertitude plus élevée. Dans le cas d'une application particulière à la mesure du débit du circuit primaire d'un REP, cette précision accrue permet ainsi un meilleur contrôle du circuit primaire de refroidissement, et donc de rester plus facilement entre les limites hautes et basses fixées, voire d'éviter des arrêts de production en cas d'incertitude sur l'état du circuit de refroidissement. Par ailleurs, en réduisant fortement l'incertitude des mesures, on peut augmenter la production de puissance du réacteur. REVENDICATIONS1. Méthode de suivi de l'évolution du débit dans une conduite hydraulique fermée, selon laquelle on mesure en continu ledit débit en mettant en oeuvre les étapes suivantes : - mesure d'une pression différentielle au droit d'un coude de ladite conduite, - calcul du débit en fonction de cette pression différentielle, ladite méthode étant caractérisée en ce qu'on détermine préalablement aux mesures en continu, en fonction d'une modélisation 3D de la géométrie de la conduite au niveau du coude, un paramètre qui est ensuite utilisé dans le calcul de débit. 2. Méthode selon la revendication précédente, dans laquelle ladite étape de mesure d'une pression différentielle au droit du coude de la conduite est réalisée au moyen de deux piquages de pression : - un premier piquage de pression à l'intrados du coude, et - un second piquage de pression à l'extrados du coude. 3. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite modélisation 3D comprend des étapes de : - définition de la pression et de la température dans la conduite au niveau du coude, - déduction de la masse volumique du fluide, - définition de la valeur et le profil de la vitesse en entrée de la conduite. 4. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite simulation numérique met en oeuvre un modèle de turbulence de type BANS. 5. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite modélisation 3D de la géométrie de la conduite au niveau du coude30présente un maillage comprenant un nombre de mailles compris entre 2 et 4 millions. 6. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit 5 paramètre est un coefficient de débit, tel que K= Q P où Q est le débit de référence dans ladite portion de la conduite primaire, D est le diamètre interne de ladite portion de la conduite primaire, 10 Rc est le rayon de courbure dudit coude, p est la masse volumique du fluide, AP est la variation de pression dans ledit coude entre son intrados et son extrados. 15 7. Méthode selon la revendication précédente, dans laquelle le calcul du débit est réalisé au moyen de la formule Q=KxD"2xRc où K est le coefficient de débit déterminé à l'aide de la modélisation 3D, 20 D est le diamètre interne de ladite portion de la conduite, Rc est le rayon de courbure dudit coude, p est la masse volumique du fluide, et AP est la variation de pression dans ledit coude, mesurée à partir des valeurs relevées par des capteurs de pression disposés dans le coude. 25 8. Méthode selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une étape d'affichage de la valeur de débit ainsi calculée. D"2Rv2 ~AP c 9. Utilisation de la méthode selon l'une des revendications précédentes pour la détermination du débit du circuit primaire de refroidissement d'un réacteur à eau pressurisé. 10. Utilisation de la méthode selon l'une des revendications 1 à 8 pour la détermination du débit d'un fluide dans une conduite industrielle.