[0001] La présente invention concerne les systèmes de réchauffage d'eau condensée utilisés
dans les installations de production d'énergie à turbine à vapeur telles que les centrales
électriques.
[0002] Ces systèmes de réchauffage comprennent généralement un certain nombre de réchauffeurs
disposés entre le condenseur et le générateur de vapeur de l'installation pour réchauffer
l'eau condensée dans le condenseur et alimentés en vapeur à des pressions différentes
par des soutirages respectifs sur la turbine. Entre certains des réchaut- feurs et
le réchauffeur immédiatement adjacent alimenté par un soutirage en vapeur à une pression
inférieure est disposé un séparateur de phases recevant le mélange . eau-vapeur de
la purge du réchauffeur associé au soutirage à pression plus élevée et alimentant
le réchauffeur associé au soutirage à pression moins élevée, en parallèle avec ce
soutirage à. pression moins élevée, avec de la vapeur séparée dudit mélange dans le
dispositif séparateur de phase. En outre, dans les centrales nucléaires à eau pressurisée,
il est prévu un surchauffeur dont les condensats sont envoyés au réchauffeur associé
au soutirage à pression la plus élevée par l'intermédiaire d'un séparateur de phases.
[0003] Grâce à cet agencement, une partie de l'énergie du mélange eau-vapeur de la purge
de certains des échangeurs par condensation, surchauffeurs ou réchauffeurs, est utilisée
pour contribuer au réchauffage du fluide du circuit condenseur-turbine dans un échangeur
à condensation alimenté en vapeur à une pression moins. élevée. Toutefois, une partie
de cette énergie est perdue sous forme thermique dans la soupape de régulation principale
prévue dans le conduit de purge en amont du séparateur de phase, ainsi que dans ce
dernier.
[0004] L'invention vise donc à réaliser un système de réchauffage qui permette d'utiliser
une partie de cette énergie perdue dans les systèmes de réchauffage de l'art antérieur
de manière à accroître le rendement énergétique global de. l'installation de production
d'énergie à laquelle le système de réchauffage est associé.
[0005] L'invention vise également à réaliser un système de réchauffage pour installation
de production d'énergie à turbine à vapeur qui, tout en ayant un meilleur rendement
que les systèmes de réchauffage de la technique antérieure, soit de construction plus
simple que ces derniers.
[0006] Enfin, un autre but de l'invention est de réaliser un système de réchauffage pour
installation de production d'énergie à turbine à vapeur qui permette d'éviter au moins
partiellement les phénomènes d'érosion que l'on rencontre dans les systèmes de réchauffage
classiques à soupape de régulation principale et séparateur de phase dans lesquels
le phénomène d'érosion est dû à la grande vitesse du mélange eau-vapeur à la sortie
de la soupape de régulation principale.
[0007] L'invention, telle qu'elle est caractérisée dans les revendications, permet d'atteindre
ces buts grâce au fait que la turbine biphasique produit de l'énergie mécanique par
récupération de l'énergie cinétique des condensats de l'échangeur par condensation
qui l'alimente. Il en résulte un accroissement du rendement énergétique de l'installation
à laquelle le système de réchauffage suivant l'invention est associé et la suppression
des phénomènes d'érosion dans la soupape de régulation principale et le séparateur
de phases car ceux-ci sont supprimés au profit de la turbine biphasique.
[0008] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description
qui va suivre ie deux exemples particuliers de sa réalisation illustrés par les dessins
annexés sur lesquels :
- la Fig. 1 est un schéma d'un système de réchauffage conventionnel pour centrale
électrique à combustible fossile;
- la Fig. 2 est un schéma d'un système de réchauffage suivant linvention pour centrale
électrique à combustible fossile;
- la Fig. 3 est un schéma d'un système de réchauffage conventionnel pour centrale
électrique nucléaire; et
- la Fig. 4 est un schéma d'un système de réchauffage suivant l'invention pour centrale
électrique nucléaire.
[0009] En se reportant à la Fig. 1, on a représenté le schéma d'un système de réchauffage
classique à sept réchauffeurs R
1, R
2, R
3, R
4, R
5, R
6 et R
7. Les réchauffeurs R
1 à R
7 réchauffent l'eau condensée et reprise par une pompe d'extraction PE dans le condenseur
(non représenté) de la centrale électrique à combustion fossile et turbine à vapeur
à laquelle est associé ce système de réchauffage.
[0010] Le réchauffeur R
1 est alimenté à partir d'un soutirage S
1 avec de la vapeur à 0,3 bar et à un débit représentant 4,5% en poids du débit total
(100% en poids) fourni par le réchauffeur R
7 au générateur de vapeur (non représenté) de l'installation. La vapeur condensée dans
le réchauffeur R
1 est renvoyée par une canalisation de purge P
O vers le condenseur. Le second réchauffeur R
2 disposé en série dans le circuit principale CP d'eau condensée, en aval du réchauffeur
R
1, est alimenté à partir d'un soutirage S
2 en vapeur à une pression de 1 bar, avec un débit de 4,5% en poids. Le troisième réchauffeur
R
3, disposé en aval par rapport à R
2 sur le circuit CP, est alimenté à partir d'un soutirage S
3 en vapeur à une pression de 2 bars, avec un débit représentant 3% en poids du débit
total.
[0011] Le débit du circuit principal CP à la sortie du réchauffeur R
3, qui représente 75% en poids du débit total à la sortie du réchauffeur R
7, est envoyé dans un réchauffeur par mélange ou bâche dégazante R
4 qui est alimentée à partir d'un soutirage S
4 avec de la vapeur à une pression de 4 bars et à un débit représentant 3,5% en poids
du débit total. L'eau provenant du réchauffeur R
3 et la vapeur provenant du soutirage S
4 sont mélangées dans le réchauffeur par mélange R
4 et ce mélange est repris par une pompe alimentaire PA qui l'envoie dans le réchauffeur
R
5, lequel est alimenté, à partir d'un soutirage S
5 avec de la vapeur à une pression de 9 bars et à un débit représentant 7% du débit
total. L'eau sortant du réchauffeur R
5 est ensuite envoyée dans un réchauffeur R
6 qui est alimenté, à partir d'un soutirage S
6, avec de la vapeur à une pression de 18 bars et à. un débit représentant 7% du débit
total.
[0012] Enfin, l'eau sortant du réchauffeur R
6 est encore réchauffée dans le dernier réchauffeur R
7 qui est alimenté, à partir d'un soutirage S
7, avec de la vapeur à une pression de 36 bars et à un débit représentant 7,5% en poids
du débit total. L'eau condensée sortant du réchauffeur R
7 représente donc, comme indiqué précédemment, 100% du débit total qui est envoyé sous
une pression de l'ordre de 200 à 220 bars au générateur de vapeur GV (non représenté)
de l'installation où cette eau est vaporisée pour être renvoyée dans la turbine (non
représentée).
[0013] La vapeur issue du soutirage S
7 se condense dans le réchauffeur R
7 et les condensats de cette vapeur ainsi formés sont évacués à partir du réchauffeur
R
7 par une canalisation de purge P
1 raccordée à un premier séparateur de phases SP
1 par l'intermédiaire d'une soupape de régulation principale SR Une soupape de régulation
motorisée de secours V
1 est branchée en dérivation par rapport à la soupape de régulation principale SR
1 sur la canalisation de purge P
1 pour renvoyer, si nécessaire, les condensats de la canalisation de purge P
1 directement au condenseur. Les soupapes de régulation SR
1 et V
1 sont commandées par un régulateur de niveau RN
1 destiné à régler le niveau d'eau dans le réchauffeur R
7. Le mélange à 244°C de la canalisation de purge P est envoyé par l'intermédiaire
de la soupape de régulation principale SR
1 dans le séparateur de phases SP qui sépare l'eau de la vapeur résultant la détente,
cette dernière étant envoyée par une canalisation CV
1 côté vapeur dans le réchauffeur R
6 et l'eau étant envoyée par une canalisation CE côté eau dans le réchauffeur R
6.
[0014] Les condensats recueillis dans le réchauffeur R
6 sont envoyés par une canalisation de purge P
2 à un séparateur de phases SP
2 par l'intermédiaire d'une soupape de régulation principale SR
2 avec laquelle est branchée en parallèle une soupape de régulation motorisée de secours
V
2. Les condensats à 207°C de la canalisation de purge P
2 sont séparés dans le séparateur de phases SP
2 et la vapeur est envoyée par une canalisation CV
2 côté vapeur du réchauffeur R
5, tandis que l'eau est envoyée par une canalisation CE
2 côté eau du réchauffeur R
5. Le séparateur de phases SP
2, ainsi que les soupapes de régulation SR
2 et V
2 qui sont commandées par un régulateur de niveau RN
2 qui règle le niveau d'eau dans le réchauffeur R
6, fonctionnent de la même manière et jouent le même rôle que le séparateur de phases
SP et les soupapes de régulation SR
1 et V
1 décrits précédemment.
[0015] Les condensats à 175°C recueillis dans le réchauffeur R
5 sont envoyés par une canalisation de purge P
3 au réchauffeur par mélange R
4, par l'intermédiaire d'une soupape de régulation principale SR
3 avec laquelle est branchée en dérivation une soupape de régulation motorisée de secours
V
3. Les soupapes SR
3 et V
3 sont commandées par un régulateur de niveau RN
3 qui règle le niveau dans le réchauffeur R
5. Le mélange circulant dans la canalisation de purge P
3, qui représente 21,5% en poids du débit total, est mélangé dans la bâche dégazante
R
4 avec l'eau provenant du réchauffeur R
3 et la vapeur issue du soutirage S
4 de sorte que la pompe alimentaire PA a un débit représentant 100% du débit total.
[0016] Les condensats recueillis dans le réchauffeur R
3 sont envoyés au moyen d'une canalisation de purge P
4 à un séparateur de phases SP
3, par l'intermédiaire d'une soupape de régulation principale SR
4 avec laquelle est branchée en dérivation une soupape de régulation motorisée de secours
V
4 qui, comme les soupapes V
1, V
2 et V
3, renvoie directement les condensats au condenseur en cas d'incident. Les soupapes
de régulation SR
4 et V
4 sont commandées par un régulateur de niveau RN
4 qui règle le niveau d'eau dans le réchauffeur R
3. Les condensats à 120°C de la canalisation de purge P
4 sont divisés dans le séparateur de phases SP
3, d'où la vapeur est envoyée côté vapeur du réchauffeur R
2 par une canalisation CV
3 tandis que l'eau est envoyée côté eau du réchauffeur R
2 par une canalisation CE3.
[0017] Enfin, la canalisation de purge P5 qui recueille les condensats à 100°C issus du
réchauffeur R
2 est raccordée en RA à une canalisation de dérivation CD qui est branchée entre, d'une
part, le condenseur et, d'autre part, la canalisation principlae CP, entre les réchauffeurs
R
2 et R
3. Une soupape de régulation motorisée de secours V
5 est disposée dans la canalisation de dérivation CD entre le raccord RA et le condenseur,
et une soupape de régulation principale SR
5 est disposée dans la canalisation CD entre le raccord RA et le raccord de la canalisation
CD avec la canalisation principale CP. Les soupapes de régulation SR
5 et V5 sont commandées par un régulateur de niveau RN
5 qui assure la régulation du niveau d'eau dans le réchauffeur R
2. Une pompe de reprise de condensat PR est disposée dans la canalisation CD entre
le raccord RA et la soupape de régulation SR
5 pour ré- injecter les condensats de la canalisation de purge P5 dans la canalisation
principale CP. En cas d'arrêt de la pompe PR, les condensats sont retournés au condenseur
par la soupape de régulation de secours V
5.
[0018] En fonctionnement, une partie de l'énergie calorifique du mélange issu des réchauffeurs
R
7, R
6, R
5, R
3 et R
2 est utilisée pour réchauffer l'eau du circuit principal, soit par réinjection directe
dans ce dernier à partir des réchauffeurs R
S et R
2, soit par envoi dans le réchauffeur suivant après séparation de la phase liquide
et de la phase vapeur dans les séparateurs de phases SP
1, SP
2 et SP
3. Néanmoins, une partie de l'énergie de ce mélange présente sous forme de pression
est perdue dans les séparateurs de phases qui, en outre, ont l'inconvénient d'être
soumis à une forte érosion du fait de la vitesse élevée du mélange à la sortie des
soupapes de régulation.
[0019] Ces inconvénients sont éliminés grâce au système de réchauffage suivant l'invention
dont le schéma est représenté à la Fig. 2 sur laquelle les mêmes numéros de référence
que ceux employés à la Fig. 1 ont été utilisés pour désigner les éléments similaires.
On notera en outre que les débits, pressions et températures en différents points
du circuit suivant l'invention sont sensiblement les mêmes que ceux indiqués à propos
de la Fig. 1 et ils ne seront pas précisés à nouveau.
[0020] Le système de réchauffage suivant l'invention de la Fig. 2 diffère essentiellement
de celui de la Fig. 1 en ce que les soupapes de régulation principale SR
1, SR
2, SR
3 et SR
4, ainsi que les séparateurs de phases SP,, SP
2 et SP
3 ont été supprimés et remplacés par des turbines biphasiques. C'est ainsi que la turbine
biphasique TB
1 remplace la soupape de régulation SR
1 et le séparateur de phases SP
1, la turbine biphasique TB
2 remplace la soupape de régulation SR
2 et le séparateur de phases SP
2, la turbine biphasique TB
3 remplace la soupape de régulation SR
3, la turbine biphasique TB
5 remplace la soupape de régulation SR
4 et le séparateur de phases SP
3 et une turbine biphasique supplémentaire TB
4 est disposée entre les turbines biphasiques TB
3,et TB
5.
[0021] Les turbines biphasiques sont des turbines d'une conception particulière qui sont
alimentées au moyen d'un mélange d'un liquide et d'un gaz ou vapeur pour entraîner
en rotation un arbre, fournissant ainsi un travail mécanique, tout en assurant une
séparation du liquide et du gaz , de sorte que ces derniers peuvent être recueillis
séparément à la sortie de la turbine. Etant donné que ce type de turbine est connu,
notamment par les brevets US 3 879 949, 3 972 195 et 4 087 261 auxquels on pourra
se reporter, il n'en sera pas donné de description détaillée dans le présent mémoire.
[0022] Les condensats du réchauffeur R
7 sont introduits dans la turbine biphasique TB
1 en fonction du niveau dans ce réchauffeur par ajustement de la position du modérateur
V'
1 de la turbine biphasique TB
1 commandé par le régulateur de niveau RN
1. Ces condensats sont dirigés vers le condenseur par la soupape de régulation de secours
V
1 en cas d'indisponibilité de la turbine biphasique TB
1. La vapeur séparée dans celle-ci est dirigée vers la zone vapeur du réchauffeur R
6, tandis que l'eau séparée rejoint les condensats du réchauffeur R
6. Ce mélange est introduit dans la turbine biphasique suivante TB
2 en fonction du niveau dans le réchauffeur R
6; par ajustement de la position de son modérateur V'
2 commandé par le régulateur de niveau RN
2.
[0023] En cas d'indisponibilité de la turbine biphasique TB
2, le mélange est dirigé vers le condenseur par la soupape de régulation de secours
V
2. La vapeur séparée dans la turbine biphasique TB
2 est dirigée vers la zone vapeur du réchauffeur R
5, tandis que l'eau séparée rejoint les condensats de ce réchauffeur. A nouveau, ce
mélange est introduit dans la turbine biphasique suivante TB
3 en fonction du niveau dans le réchauffeur R
5, par ajustement de son modérateur V'
3 commandé par le régulateur de niveau RN
3. En cas d'indisponibilité de la turbine biphasique TB
3, le mélange est dirigé vers le condenseur par la soupape de régulation de secours
V
3. La vapeur séparée dans la turbine biphasique TB
3 est dirigée vers le réchauffeur par mélange R
4, tandis que l'eau séparée est envoyée directement dans la turbine biphasique suivante
TB
4. La vapeur séparée dans celle-ci est dirigée vers la zone vapeur du réchauffeur R
3, tandis que l'eau séparée rejoint les condensats de ce réchauffeur. Enfin, ce mélange
est introduit dans la dernière turbine biphasique TB
5 en fonction du niveau dans le réchauffeur R
3, par ajustement de son modérateur V'
4 commandé par le régulateur de niveau RN
4. En cas d'indisponibilité de la turbine biphasique TB
5, le mélange est dirigé vers le condenseur par la soupape de régulation de secours
V
4. La vapeur séparée dans la turbine biphasique TB
S est dirigée vers la zone vapeur du réchauffeur R
2, tandis que l'eau séparée rejoint les condensats de ce réchauffeur en RA. La partie
plus aval de ce système fonctionne ensuite comme la partie correspondante du système
de réchauffage conventionnel de la Fig. 1.
[0024] En fonctionnement, l'énergie du mélange d'eau et le vapeur dans chacune des turbines
biphasiques est recueillie sur un arbre commun A pour entraîner un alternateur auxiliaire,
une pompe ou autre. En variante, les turbines biphasiques peuvent ne pas être couplées
sur le même arbre.
[0025] On se reportera maintenant à la Fig. 3 qui montre un système de réchauffage conventionnel
pour centrale nucléaire et sur laquelle les mêmes lettres de référence que celles
utilisées sur les Fig. l.et 2 ont été employées pour désigner des éléments analogues.
Etant donné que le système de réchauffage de la Fig. 3 est classique et présente en
outre de nombreuse similitudes avec celui de la Fig. 1, il sera décrit plus succinctement
que celui-ci.
[0026] Ce système de réchauffage comprend, sur le circuit principal CP, un sous-refroidisseur
SOR et six réchauffeurs R
11 à R
16 alimentés en vapeur par des soutira-
ges S
11 à S
16 respectivement. Le réchauffeur R
16 est également alimenté par de la vapeur séparée par un séparateur de phases SP
11 des condensats d'un surchauffeur SU (non représenté). Des soupapes de régulation
principale SR
11 et de secours V
11 commandées en fonction du niveau dans le surchauffeur permettent de diriger les condensats
de celui-ci vers le séparateur de phases SP
11 ou vers le condenseur suivant les besoins, comme décrit précédemment. Le réchauffeur
suivant R
15 est alimenté par de la vapeur séparée des condensats du réchauffeur R
16 par un séparateur de phases
SP12. Des soupapes de régulation principale SR
12 et de secours V
12 commandées par un régulateur de niveau RN
11. sont prévues.
[0027] Les condensats du réchauffeur R
15 sont dirigés vers un réservoir de récupération des purges DRT par l'intermédiaire
d'une soupape de régulation principape SR
13. En cas d'incident, une soupape de régulation de secours V
13 permet d'envoyer ces condensats directement au condenseur. Le réservoir DRT reçoit
également les condensats d'un sécheur SE (non représenté) par l'intermédiaire d'une
soupape de régulation principale SR
15. Une soupape de régulation de secours V
15, commandée comme la soupape SR
15 en fonction du niveau dans le sécheur, permet de diriger ces condensats directement
vers le condenseur si nécessaire. Le réservoir DRT reçoit enfin les condensats du
réchauffeur R
14, une soupape de régulation de secours V
14 commandée par le régulateur de niveau R
14 étant toutefois prévue pour les envoyer au condenseur si nécessaire.
[0028] Le contenu du réservoir DRT est réinjecté par une soupape de reprise des condensais
PR dans le circuit principal CP, entre la pompe d'alimentation PA et le réchauffeur
R
14, par l'intermédiaire d'une soupape de régulation principale SR
16 commandée par un régulateur de niveau RN
13 associé au réservoir DRT. Ce régulateur RN
13 commande également une soupape de régulation de secours V
16 permettant de renvoyer les condensats du réservoir DRT au condenseur.
[0029] Les condensats du réchauffeur R13 sont envoyés, soit à un séparateur de phases SP
13 par l'intermédiaire d'une soupape de régulation principale SR
17, soit au condenseur par l'intermédiaire d'une soupape de régulation de secours V
17, en fonction de la commande du régulateur de niveau RN
15 du réchauffeur R
13. Enfin, les condensats du réchauffeur R
12 sont envoyés, soit directement au sous- réchauffeur SOR et, de la, au condenseur
par l'intermédiaire d'une soupape de régulation principale SR
18, soit directement au condenseur par l'intermédiaire d'une soupape de régulation de
secours V
18, en fonction de la commande du régulateur de niveau RN
16 du réchauffeur R12.
[0030] Dans le système de réchauffage suivant l'invention pour centrale nucléaire, comme
représenté à la Fig. 4, des turbines biphasiques TB
11, TB
12, T
B13' TB14 et TB
15 sont substituées respectivement aux soupapes de régulation principales SR
11, SR
12, BR
13, SR
17 et SR
18, et aux séparateurs de phases SP
11, SP
12 et SP
13 supprimés.
[0031] La vapeur séparée par les turbines TB
11 et TB
12 alimente respectivement les réchauffeurs R
16 et R
15, tandis que l'eau rejoint les condensats respectifs de ces réchauffeurs pour alimenter
les turbines suivantes TB
12 et TB
13 respectivement. La vapeur séparée par la turbine biphasique TB
13 est dirigée vers le réservoir DRT, tandis que l'eau est envoyée en amont de la pompe
de reprise des condensats PR pour être réinjectée avec les purges du réservoir DRT
dans le circuit principal CP.
[0032] La turbine biphasique TB
14 sépare la vapeur des condensats du réchauffeur R
13 et envoie celle-ci côté vapeur du réchauffeur R
12, tandis que l'eau rejoint les condensats de ce réchauffeur. Ce mélange est introduit
dans la turbine biphasique TB
15 et la vapeur séparée dans celle-ci est dirigée vers la zone vapeur du réchauffeur
R11. L'eau rejoint les condensats de ce réchauffeur et le mélange ainsi formé alimente
le sous-refroidisseur SO
R.
[0033] Bien entendu, comme dans le cas de la Fig. 2, les turbines biphasiques TB
11 à TB
15 sont alimentées en fonction du niveau dans l'échangeur par condensation dont elles
reçoivent les condensats, par ajustement de la position de leur modérateur respectif
V'
11, V'
12, V'
13, V'
14 et V'
15. De même également,dans cet exemple, l'énergie du mélange d'eau et de vapeur dans
chacune des turbines est recueillie sur un arbre commun A pour entraîner des organes
auxiliaires ou individuellement sur l'arbre de chaque turbine.
[0034] Ainsi, le système de réchauffage à turbine biphasique suivant l'invention permet
à la fois d'alimenter en cascade les réchauffeurs avec de la vapeur prélevée à partir
des condensais d'un réchauffeur précédent ou d'un surchauffeur et de fournir de la
puissance mécanique supplémentaire. Ceci permet donc d'accroître le rendement global
de l'installation de production d'énergie à laquelle est associé le système de réchauffage.
[0035] Outre cet avantage au niveau du rendement, qui peut se chiffrer par un apport de
puissance supplémentaire de 0,5 à 0,8%, le système de réchauffage suivant l'inven-.
tion permet de supprimer les séparateurs de phases statiques des systèmes de réchauffage
de la technique antérieure puisque ce sont les turbines biphasiques elles-mêmes qui
effectuent la séparation. Il en résulte par là même une suppression des phénomènes
d'érosion précités dans les séparateurs de phases et une simplification du schéma
de canalisation.