Brevet FR3117570A1 — publié le 20220617

Le circuit de fluide (4) pour une centrale de production d'énergie comprend : - une conduite principale (12) présentant un premier axe (14), - une conduite auxiliaire (16) présentant un deuxième axe (18) et débouchant dans la conduite principale, et - une plaque (22) s'étendant dans la conduite auxiliaire suivant un plan parallèle aux premier et deuxième axes. Figure pour l’abrégé : Fig 3 Circuit de fluide dans une centrale de production d'énergie DOMAINE DE L’INVENTION L'invention concerne les circuits de fluide, notamment dans les centrales de production d'énergie, telles que les centrales nucléaires servant à la production d'électricité. ETAT DE LA TECHNIQUE L'invention s’applique notamment aux centrales nucléaires productrices d’électricité et dans ce contexte concerne les écoulements dans les lignes auxiliaires des circuits des centrales nucléaires. Les circuits des centrales nucléaires à eau contiennent en effet de nombreux piquages permettant de connecter les lignes auxiliaires nécessaires au contrôle et à la sûreté de chaque circuit. Il est fréquent de prévoir dans une ligne auxiliaire d’une conduite principale un organe de type clapet ou vanne pour bloquer l’écoulement par exemple en fonctionnement normal. Nous nommerons « bras mort » le tronçon situé entre le piquage et la vanne lorsqu'elle est en position fermée. Lorsque la vanne et le piquage sur la conduite principale sont éloignés l’un de l’autre, la température du fluide dans le tronçon de conduite localisé à proximité de la vanne peut être à une valeur très différente de celle régnant à proximité du piquage. Cette différence de température peut induire, par effet de densité, une stratification thermique. Même dans cette situation de bras mort, le fluide au sein de la ligne auxiliaire peut ne pas être statique et des écoulements peuvent avoir lieu. Ils sont induits par un écoulement complexe qui a pour origine l’écoulement à fort débit qui transite dans la conduite principale au niveau du piquage. A cet endroit, l’écoulement principal pénètre partiellement dans la branche auxiliaire latérale et conduit à un écoulement fortement perturbé à proximité immédiate de la jonction entre la conduite principale et la ligne auxiliaire. L’énergie et la quantité de mouvement contenues par le fluide à cette position s’organisent après une certaine distance pour former dans la conduite auxiliaire un vortex coaxial à cette conduite. La structure interne de ce vortex peut être décomposée en deux zones : - une première zone en périphérie du vortex (donc un écoulement en rotation qui lèche la paroi de la conduite) entraîne du fluide provenant de la ligne principale, et - inversement un deuxième écoulement, lui aussi en rotation mais localisé dans la partie centrale de la ligne auxiliaire (donc au cœur du vortex) ramène du fluide depuis une position plus éloignée de la ligne auxiliaire vers la ligne principale. L’écoulement central dans la ligne auxiliaire correspond à un phénomène d’aspiration créé par le vortex. L'intensité de ce vortex diminue au fur et à mesure que l’on pénètre plus profondément dans la ligne auxiliaire. Il peut également s’affaiblir fortement, voire disparaître lorsqu’il rencontre un coude à 90°, ou bien lorsqu’il interagit avec une stratification thermique. L’interaction entre une stratification thermique et un écoulement de type vortex conduit généralement à de fortes perturbations de l’écoulement et ainsi à de fortes fluctuations thermiques qui peuvent endommager les structures. Dans certaines situations, une modification de la puissance du réacteur, comme lors des opérations de suivi de charge, affecte les conditions thermohydrauliques des circuits secondaire et tertiaire de la centrale et peut donc entraîner une modification de la température du liquide circulant dans leurs conduites principales. Cette modification de température peut à son tour altérer, dans les lignes auxiliaires concernées, la nature du vortex et donc sa distance de pénétration dans le bras mort. Dans certaines situations, cela peut induire une modification de la stratification thermique présente dans la ligne auxiliaire. Le problème concerne donc la présence de ce vortex qui se forme dans les lignes auxiliaires, ou vortex de bras mort. C’est un phénomène qui n’a pas été prévu en général lors de la conception. L’interaction entre le vortex chaud et les milieux stratifiés beaucoup moins chauds induit des fluctuations thermohydrauliques. Celles-ci sont ensuite des sources de fatigue thermique pour les tuyauteries, et donc une menace pour leur intégrité. En effet, ces fluctuations font que les parois se trouvent soumises à des alternances des températures qui engendrent des cycles de dilatations et de rétractions successives des parois. Soumises à un tel régime de dilatations et de rétractions répétées, les parois connaissent une fatigue thermique qui nuit à terme à leur intégrité, au même titre que des cycles de sollicitations mécaniques répétés sur une pièce engendrent sa fatigue mécanique et peut conduire à la rompre. Il n’existe pas de parade actuellement pour éliminer ou réduire ces phénomènes. La seule option consiste à réduire les variations de puissance du réacteur, ce qui peut s’avérer pénalisant vis-à-vis du suivi de charge. Un but de l'invention est de réduire, voire d'éliminer, la formation du vortex de bras mort et ainsi la fatigue thermique des structures. L’objectif est notamment de contrôler les fluctuations thermohydrauliques susceptibles de provoquer une fatigue thermique sur les lignes auxiliaires, par exemple celles des circuits primaires, secondaires ou tertiaires des centrales nucléaires, ou dans toute autre installation industrielle pourvue de lignes auxiliaires de conduites principales. A cet effet, on prévoit un circuit de fluide pour une centrale de production d'énergie, le circuit comprenant : - une conduite principale présentant un premier axe, - une conduite auxiliaire présentant un deuxième axe et débouchant dans la conduite principale, et - une plaque s'étendant dans la conduite auxiliaire suivant un plan parallèle aux premier et deuxième axes. On constate qu'une plaque ainsi positionnée permet d’empêcher la formation d’un vortex dans la conduite auxiliaire ou d'en réduire l'intensité. Il s'ensuit un meilleur contrôle des fluctuations thermohydrauliques et donc une réduction, voire une disparition, de la fatigue thermique des structures en vue de leur préservation et de la prolongation de leur durée de vie. En particulier, l’orientation de la plaque est choisie de façon que l’écoulement provenant du conduit principal ne puisse pas descendre d'un côté aval de la plaque puis remonter sur son côté amont. Or ce serait probablement le cas si par exemple la plaque était perpendiculaire à l’écoulement circulant dans la ligne principale. Autrement dit, si la normale à la plaque était parallèle à la direction du vecteur vitesse de l’écoulement dans la conduite principale, le fluide dans la conduite auxiliaire pourrait s’écouler autour de la plaque. Cette configuration serait alors sans effet sur la formation du vortex. Dans un mode de réalisation, la plaque s'étend à une distance de la conduite principale supérieure ou égale à quatre fois, notamment supérieure ou égale à cinq fois, un diamètre de la conduite auxiliaire. En effet, il est préférable que la plaque soit placée suffisamment loin dans la branche morte pour empêcher encore plus nettement la formation d’un vortex ou a minima diminuer fortement son intensité. Les études montrent qu’une distance d’au moins quatre ou cinq fois le diamètre de la ligne auxiliaire est avantageuse. La plaque a peu d’effet en amont de sa position. Par contre, elle tend à éliminer tout vortex en aval de sa position peu importe sa distance à la conduite (sauf lorsque cette position est inférieure à quatre diamètres). La distance de pénétration du vortex dépend (entre autres choses) de la vitesse de la conduite principale. On peut prévoir que la plaque présente une dimension, suivant une direction perpendiculaire au deuxième axe, supérieure ou égale à 0,75 fois un diamètre de la conduite auxiliaire, notamment égale à ce diamètre. Dans un mode de réalisation, la plaque présente une dimension suivant le deuxième axe supérieure ou égale à 0,7 fois un diamètre de la conduite auxiliaire, de préférence supérieure à ce diamètre. En effet, pour empêcher le vortex de dépasser la plaque, les études suggèrent une telle condition dimensionnelle. On peut prévoir que la plaque présente une épaisseur inférieure ou égale à 0,05 fois un diamètre de la conduite auxiliaire. En effet, pour que la plaque ne perturbe pas l’écoulement provenant de la ligne auxiliaire lorsque celle-ci est en fonctionnement (la branche morte devenant alors débitante après ouverture de la vanne ou du clapet), il est préférable que l’épaisseur de la plaque soit faible. Les calculs menés pour répondre à ce point montrent que l’épaisseur de la plaque devrait rester en deçà de 0,05 fois le diamètre de la conduite auxiliaire. Dans ce cas, la perte de charge supplémentaire induite par la plaque est suffisamment faible pour ne pas perturber l’écoulement dans la ligne auxiliaire assurant la continuité des fonctions de contrôle et de sûreté recherchées. On peut prévoir que la conduite auxiliaire comprend une vanne configurée pour autoriser ou interdire un passage de fluide dans la conduite auxiliaire, la plaque s'étendant entre la vanne et la conduite principale. On prévoit également selon l'invention une centrale de production d'énergie, telle qu'une centrale nucléaire, comprenant au moins un circuit selon l'invention. On prévoit également selon l'invention un procédé d'aménagement d'un circuit de liquide d'une centrale de production d'énergie, dans lequel on dispose une plaque dans une conduite auxiliaire débouchant dans une conduite principale de sorte que la plaque s'étend suivant un plan parallèle à un axe de la conduite principale et à un axe de la conduite auxiliaire. Dans un mode de réalisation, on fait circuler un fluide, tel qu'un liquide, dans la conduite principale. Le fluide peut aussi être un gaz. Par exemple, le fluide a une température inférieure à 100°C ou supérieure à 100°C, par exemple comprise entre 200 et 300°C. Avantageusement, une différence entre une température dans la conduite principale et une température dans la conduite auxiliaire est supérieure à 40°C, par exemple supérieure à 80°C. L'invention est d'autant plus utile lorsqu’une différence de température existe entre la température de la conduite principale et la température de la conduite auxiliaire. Car en particulier, en présence d'un écart de température de 40°C, et plus encore à partir de 80°C, l’interaction entre le vortex et le milieu stratifié peut nuire à l'installation en produisant des alternances de dilatations et de rétractions des parois pouvant engendrer leur fatigue thermique après un grand nombre de cycles d'alternance. On rappelle au demeurant que l’écart de température entre les deux conduites n’a pas d’incidence sur la formation d'un vortex – le vortex se forme aussi dans un milieu isotherme. DESCRIPTION DES FIGURES Nous allons maintenant présenter un mode de réalisation de l'invention à titre d'exemple non-limitatif à l'appui des dessins sur lesquels : la est un schéma illustrant une centrale nucléaire selon l'invention; les figures 2 à 4 sont des vues respectivement en perspective, en élévation, et en coupe d'une partie d'un circuit de la centrale de la conforme à l'invention, et les figures 5 et 6 sont des diagrammes illustrant le résultat de tests. On a illustré à la une centrale de production d'énergie, telle qu'une centrale nucléaire 2 selon l'invention. De façon classique, la centrale comprend des circuits primaire 4 et secondaire 6 servant à faire circuler de l'eau assurant des transferts thermiques en vue de la production d'électricité dans une ou plusieurs turbines 8. Dans une telle centrale électrique à réacteur nucléaire 10 à eau pressurisée, c'est en effet de l'eau qui circule dans le circuit primaire. Elle est amenée à très haute température par l'effet des réactions de fission nucléaire qui ont lieu au sein du cœur du réacteur 10, que le circuit primaire 4 traverse. L'eau est ensuite amenée et maintenue à une haute pression grâce à un pressuriseur, puis effectue un échange thermique avec le circuit secondaire 6 dans un générateur de vapeur : la chaleur dégagée par l'eau du premier circuit vaporise alors l'eau du second, qui fait ensuite tourner une ou plusieurs turbines 8 génératrices d'énergie mécanique, elle-même enfin transformée en énergie électrique par un alternateur. Nous allons décrire l'invention en relation avec le circuit primaire 4 mais l'invention est également applicable au circuit secondaire 6 ou un autre circuit de fluide de l'installation. En référence aux figures 2 à 4, le circuit 4 comprend notamment une conduite principale 12 présentant un premier axe 14. On suppose ici que cette conduite est rectiligne et a une forme profilée à section rectangulaire par exemple mais il pourrait s'agir d'une section d'une autre forme, par exemple une section circulaire. Le circuit 4 comprend aussi une conduite auxiliaire 16 présentant un deuxième axe 18. On suppose ici que cette conduite est rectiligne et a une forme profilée à section circulaire par exemple mais il pourrait s'agir d'une section d'une forme voisine de la forme circulaire, légèrement ovale par exemple. La conduite auxiliaire a un diamètre interne D identique sur toute la longueur de la conduite en l'espèce. Elle présente une extrémité qui débouche dans un tronçon médian de la conduite principale 12 de sorte qu'elle constitue pour cette dernière un piquage. Les axes 14 et 18 des deux conduites sont donc sécants et perpendiculaires l'un à l'autre. Comme illustré à la , la conduite auxiliaire 16 comprend une vanne 20 située sur la conduite à distance de la conduite principale et configurée pour autoriser ou interdire un passage de liquide dans la conduite auxiliaire. On suppose qu'une différence entre une température du fluide dans la conduite principale 12 et une température du fluide dans la conduite auxiliaire 16 est supérieure à 40°C et même ici à 80°C. La température dans la conduite principale 12 peut être prise à un endroit quelconque, par exemple à l'endroit où débouche la conduite auxiliaire 16. La température dans cette dernière est prise par exemple à l'endroit où est disposée la plaque dont il va être question plus bas. Une plaque 22 est disposée dans la conduite auxiliaire 16 entre la conduite principale 12 et la vanne 20. La plaque a une forme plate. Elle présente un contour rectangulaire, en l'espèce carré. Dans le présent exemple, la longueur de chaque côté du carré est égale au diamètre D de la conduite auxiliaire 16. Ainsi, la plaque présente une dimension suivant une direction perpendiculaire à au deuxième axe 18 égale au diamètre D de la conduite auxiliaire. De même, elle présente une dimension suivant cet axe supérieure ou égale au diamètre de la conduite auxiliaire. Bien entendu, on pourra prévoir les tolérances nécessaires pour permettre l'introduction et le logement de la plaque sans difficulté dans la conduite. En pratique, la longueur du côté du carré sera très légèrement inférieure au diamètre D de la conduite. La plaque 22 présente une épaisseur égale en l'espèce à 0,05 fois le diamètre D de la conduite auxiliaire. La plaque s'étend suivant un plan parallèle aux axes 14 et 18. La normale 23 à la plaque, visible à la , est donc orthogonale à la direction du vecteur vitesse de l'écoulement du liquide dans la conduite principale 12. Sur la , une flèche 24 montre l’orientation de cet écoulement. La plaque 22 se trouve à une distance d de la conduite principale 12, mesurée ici suivant le deuxième axe 18, supérieure ou égale à quatre, voire cinq fois le diamètre D de la conduite auxiliaire. Lorsqu'on se trouve en présence d'un circuit existant, on peut mettre en œuvre le procédé d'aménagement de l'invention pour aboutir à un circuit comme présenté plus haut. Dans ce procédé, on dispose donc la plaque 22 dans la conduite auxiliaire 16 débouchant dans la conduite principale 12 comme expliqué plus haut, notamment de sorte que la plaque s'étende suivant un plan parallèle aux axes 14 et 18 et que la plaque s'étende à la distance d de la conduite principale 12 supérieure ou égale à cinq fois le diamètre D de la conduite auxiliaire 16. On fait circuler un fluide, ici un liquide tel que de l'eau, dans la conduite principale 12. La plaque 22 empêche la formation d'un vortex susceptible d’apparaître dans le bras mort de la ligne auxiliaire 16, ou en minimise l'intensité. Ce bras mort est constitué par le tronçon de la conduite auxiliaire 16 situé entre la conduite principale 12 et la vanne 20 lorsque cette dernière est fermée. Les mouvements du liquide dans ce bras mort sont illustrés à la . On distingue pour cela quatre régions successives le long de la conduite auxiliaire à partir de la conduite principale. La première région 28 est contiguë à la conduite principale. Il s'y produit un écoulement de cavité, à savoir un écoulement de type paroi défilante. La deuxième région 30 est une région de transition dans laquelle le liquide a un mouvement turbulent. La troisième région 32 correspond à un tronçon de la conduite auxiliaire 16 qui comprend la plaque 22 en son milieu. En l'absence de la plaque, il s'y produirait un vortex 33 avec un mouvement tourbillonnant de l'eau en périphérie, le long de la paroi, en direction de la vanne 20 et une remontée de l'eau en direction de la conduite principale au centre. Il s'agit des deux zones du vortex déjà présentées plus haut. Ce vortex 33 a été illustré sur la figure. Mais comme la plaque est présente, il ne se produit pas. La quatrième région 34, la plus proche de la vanne, forme une zone de stagnation qui permet la formation de boucles de conduction naturelle et de stratification. Pour plus d'information sur ces mouvements et la formation d'un vortex, nous renvoyons au document [1] A. Nakamura et al., Nuclear Engineering and Design, 269, 360– 373, 2014 dont une partie de ce schéma est extraite. Comme on le voit, pour maximiser les chances d'éviter la formation du vortex, il conviendra de choisir avec soin les paramètres d'orientation, de position et de dimensions de la plaque 22 en fonction de la configuration des conduites principale et auxiliaire et de leurs dimensions, et des paramètres de l'écoulement dans la conduite principale. Des tests par simulation numérique montrent que le dispositif formé de la plaque est effectif pour arrêter la formation du vortex. On le voit sur la sur laquelle la conduite auxiliaire 16 est illustrée deux fois, équipée de la plaque à gauche et sans celle-ci à droite, avec les valeurs de vitesse verticale moyenne du liquide à différents endroits. Le cas en test correspond au cas de la référence [1] avec une vitesse moyenne dans la ligne principale de 9 m/s. La plaque 22 de largeur D , de longueur D et d’épaisseur 0,05 D est placée à une distance égale à 5D en dessous de la conduite principale 12. A mesure qu'on s'éloigne de la conduite principale, la vitesse du fluide diminue plus rapidement en présence de la plaque que sans celle-ci. De même, la illustre l’évolution d’un scalaire avec le dispositif (à gauche) et sans (à droite). Ce scalaire est un nombre quantifiant la densité de présence d'un traceur passif. Il s'agit par exemple de la concentration d'une espèce chimique injectée dans le circuit volontairement à des fins de test. Injecter et suivre le mouvement d’un tel traceur dans une simulation numérique revient à observer la convection de la température. A nouveau, le cas test correspond au cas de la référence [1] avec une vitesse moyenne dans la ligne principale de 9 m/s. On observe que les effets thermiques (indiqués sur la figure par le gradient du scalaire) peuvent dépasser la position de la plaque en direction de la vanne mais que la vitesse d’avancement est réduite de manière significative en présence de la plaque. L'invention a été testée avec succès sur un cas isotherme pour montrer que le dispositif empêche l’avancement du vortex quelle que soit l’orientation du piquage, qu'il s'agisse par exemple d'un piquage vertical montant ou horizontal. Le vortex pénètre plus loin quand il n’y a pas d’effet de gravité (c’est-à-dire lorsque le milieu est isotherme). Lorsque le piquage est descendant et la conduite principale plus chaude que la ligne auxiliaire, comme dans le mode de réalisation présenté plus haut, l’effet de flottabilité agit contre l’avancement du vortex. C’est un cas limitant pour la pénétration du vortex. Au contraire, quand l’orientation du piquage fait que l’effet de flottabilité favorise la pénétration du vortex, la température régnant à l’intérieur du vortex est différente de celle à sa périphérie (c’est le phénomène qui se produit dans un milieu non isotherme). A la périphérie, le fluide avance dans le sens inverse de la direction de pénétration du vortex et ainsi ralentit sa progression. Un processus d’échange thermique entre le vortex et la paroi favorise également un ralentissement de la progression du vortex. L’avantage du dispositif est a minima d’apporter un contrôle de la distance de pénétration du vortex de bras mort. Le vortex s’arrête à la position du dispositif. L’exploitant garde ainsi la maîtrise de cette distance. On pourra apporter à l’invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. Le dispositif est utile dans tout procédé contenant un écoulement monophasique (liquide ou gaz) dans lequel un exploitant veut contrôler la distance de pénétration d’un vortex de bras mort. Elle est applicable à toute activité industrielle mettant en œuvre des installations pourvues de circuits hydrauliques transportant des fluides monophasiques. Ainsi les installations dans lesquelles l'invention trouverait des applications sont aussi, non limitativement, celles du domaine de la chimie et de la pétrochimie. Elle s'applique aussi dans les domaines naval et aéronautique. Circuit de fluide (4) pour une centrale de production d'énergie (2), le circuit comprenant : - une conduite principale (12) présentant un premier axe (14), - une conduite auxiliaire (16) présentant un deuxième axe (18) et débouchant dans la conduite principale, et - une plaque (22) s'étendant dans la conduite auxiliaire suivant un plan parallèle aux premier et deuxième axes. Circuit selon la revendication précédente dans lequel la plaque (22) s'étend à une distance ( d ) de la conduite principale (12) supérieure ou égale à quatre fois, notamment supérieure ou égale à cinq fois, un diamètre ( D ) de la conduite auxiliaire (16). Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la plaque (22) présente une dimension, suivant une direction perpendiculaire au deuxième axe, supérieure ou égale à 0,75 fois un diamètre ( D ) de la conduite auxiliaire (16), notamment égale à ce diamètre. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la plaque (22) présente une dimension, suivant le deuxième axe, supérieure ou égale à 0,7 fois un diamètre ( D ) de la conduite auxiliaire (16), de préférence supérieure à ce diamètre. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la plaque (22) présente une épaisseur inférieure ou égale à 0,05 fois un diamètre ( D ) de la conduite auxiliaire (16). Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la conduite auxiliaire comprend une vanne (20) configurée pour autoriser ou interdire un passage de fluide dans la conduite auxiliaire (16), la plaque (22) s'étendant entre la vanne et la conduite principale. Centrale de production d'énergie (2), telle qu'une centrale nucléaire, comprenant au moins un circuit (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes. Procédé d'aménagement d'un circuit de fluide (4) d'une centrale de production d'énergie (2), dans lequel on dispose une plaque (22) dans une conduite auxiliaire (16) débouchant dans une conduite principale (12) de sorte que la plaque (22) s'étend suivant un plan parallèle à un axe (14) de la conduite principale et à un axe (18) de la conduite auxiliaire. Procédé selon la revendication précédente dans lequel on fait circuler un fluide, tel qu'un liquide, dans la conduite principale (12). Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9 dans lequel une différence entre une température dans la conduite principale (12) et une température dans la conduite auxiliaire (16) est supérieure à 40°C, par exemple supérieure à 80°C.