Objet de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine des chaudières à ballon utilisées par exemple dans le secteur des centrales électriques ou des industries de processus, et qui sont soumises à des démarrages fréquents et rapides avec des pressions de fonctionnement élevées.
En particulier, la présente invention se rapporte aux chaudières de type générateur de vapeur à récupération de chaleur ou HRSG (pour heat recovery steam generator).
Arrière-plan technologique et état de la technique
Actuellement, l'évolution du marché de l'énergie requiert une plus grande flexibilité des unités de production, avec des pressions de fonctionnement suffisamment élevées pour que, de plus en plus souvent, les épaisseurs des ballons de chaudière deviennent problématiques du point de vue de la fatigue cyclique.
On souhait e dès lors proposer un dimensionnement optimisé des ballons de chaudière pour que ceux-ci puissent résister à la fatigue, en particulier dans les conditions critiques qui sont les suivantes :
- un nombre élevé de démarrages de la chaudière prévus dans le cahier des charges et ce avec des hauts gradients de montée en pression ;
- une conception de ballons avec des parois épaisses pour les deux motifs suivants :
- ∘ des pressions de conception élevées requises par des pressions de fonctionnement élevées ;
- ∘ le recours à de grands diamètres pour satisfaire une demande de volumes de stockage plus importants, imposés par les transitoires ou les fonctionnements exceptionnels.
On connaît trois types de solutions permettant de diminuer efficacement les problèmes de fatigue des ballons haute pression (HP) :
- la chaudière à circulation forcée (ou « once through ») : le ballon HP de la chaudière est remplacé par un séparateur dont le diamètre est plus petit que celui du ballon. L'avantage est que la résistance à la fatigue est plus élevée car les épaisseurs mises en jeu sont plus faibles. Cette technologie alternative requiert un équipement de conduite de chaudière plus complexe et implique par ailleurs l'utilisation d'une qualité d'eau d'une très grande pureté. La capacité de stockage plus réduite, voire nulle, rend cependant plus critique certains fonctionnements exceptionnels ;
- la chaudière à ballons multiples : au lieu de considérer un ballon unique pour un niveau de pression considéré dans la chaudière, le volume de stockage du ballon est réparti sur deux réservoirs de capacité totale équivalente. Les diamètres des deux réservoirs sont significativement inférieurs par rapport à celui d'un ballon unique, ce qui permet de réduire aussi les épaisseurs en jeu et ainsi améliorer sensiblement le problème de la fatigue. Des exemples de solutions proposées dans l'état de la technique sont décrits dans les documents WO 2012/129195 A2 et WO 2012/148656 A1. Dans un autre exemple commercialisé, on a proposé une solution consistant à placer des séparateurs à l'extérieur du ballon, afin de réaliser la dernière étape de séparation eau/vapeur à l'extérieur du ballon ce qui implique que le niveau normal de fonctionnement ainsi que le niveau de déclenchement par niveau haut du ballon principal peuvent être revus à la hausse. Ceci conduit à une réduction du diamètre et de l'épaisseur du ballon principal ;
- les solutions liées au contrôle du procédé :
- ∘ une méthode pour principalement limiter les gradients de montée en pression lors des démarrages de l'installation par l'emploi adéquat d'exutoires pour la vapeur produite (évents de vapeur, vanne de contournement de la turbine à vapeur, etc.). Ces exutoires sont asservis à une logique contrôlant la montée en pression/température dans le ballon. Le défaut majeur de cette solution est de retarder l'établissement de la pression nominale dans la chaudière (donc démarrage plus lent), ce qui est de nos jours de moins en moins compatible avec les besoins du marché ;
- ∘ une autre méthode est de maintenir la chaudière plus ou moins « chaude », et donc plus ou moins sous pression, après un arrêt en prévision du prochain démarrage dans le but d'éviter les démarrages froids qui sont les plus contraignants d'un point de vue de la fatigue. Ce maintien en température/pression est rendu possible grâce à une injection de vapeur auxiliaire dans la chaudière principale. Les désavantages de cette méthode sont la nécessité d'avoir à proximité une source de vapeur auxiliaire disponible, et d'autre part de supporter la consommation d'énergie liée à cette consommation de vapeur ;
- ∘ d'autres possibilités existent également comme le maintien à température des parois du ballon par échauffement direct des tôles (trace heating).
On définit ci-après deux notions importantes pour la suite de l'exposé :
- ROT : le « run-out time » ou temps d'écoulement est une durée définie contractuellement dans le cahier des charges qui correspond à la durée pendant laquelle le ballon doit être capable de fonctionner sans être alimenté en eau par les pompes d'alimentation ;
- « swell effect » ou effet de gonflement : avant le démarrage de la chaudière, l'évaporateur est rempli d'eau. Lorsque cette eau se réchauffe et atteint le point d'ébullition, un grand volume d'eau est poussé vers le ballon et remplacé dans les tubes de l'évaporateur par de la vapeur. Le ballon doit être dimensionné pour être capable d'accueillir ce volume d'eau en s'assurant de ne pas déborder vers les surchauffeurs. Ce phénomène peut également survenir lors de certains transitoires de charge.
Dans une configuration actuelle typique de l'état de la technique pour une chaudière à ballon représentée sur la FIG. 1, le ballon 1 est alimenté en eau par un conduit d'eau alimentaire 4 (feedwater line) qui contient une première vanne « A », dite vanne de contrôle 5 (feed water control valve-FWCV).
Le ballon 1 est connecté à sa boucle « tubes de descente d'eau - évaporateur - tubes de montée d'eau » : l'eau s'écoule du ballon 1 vers l'évaporateur par les descentes d'eau 6 (downcomers), l'eau passe dans les tubes de l'évaporateur 2 et y est partiellement évaporée. Ce mélange eau/vapeur est renvoyé vers le ballon 1 par les tubes de montée d'eau 7 (risers). Les deux phases eau/vapeur sont séparées dans le ballon par un(e) ou plusieurs équipements (méthodes) adéquat(e)s, connus en soi de l'homme de métier.
Le niveau du plan d'eau dans le ballon est contrôlé par la vanne de contrôle « A » 5. La vapeur saturée au-dessus du plan d'eau du ballon s'échappe du ballon par un piètement 3 prévu à cet effet et est dirigée vers le réseau de vapeur via les surchauffeurs (le cas échéant), pour ensuite alimenter le process ou la turbine à vapeur utilisant la vapeur produite.
Le volume de ce ballon doit être suffisant pour le ROT et le swell effect considérés.
Le document US 2,702,026 A divulgue une usine de génération de vapeur dans laquelle la vapeur est générée à partir de la chaleur disponible à une pluralité de sources de chaleur séparées, comprenant : une pluralité de chaudières individuelles indépendantes du type à circulation naturelle, chacune située à une source de chaleur différente et disposée de manière à utiliser la chaleur correspondante, chacune des chaudières individuelles possédant un ballon de séparation à vapeur et des tubes placés pour extraire la chaleur de la source de chaleur et connectés avec le ballon pour la circulation naturelle d'un fluide de chaudière au travers ; des moyens de montage des chaudières pour que tous les ballons de vapeur soient essentiellement au même niveau ; des moyens pour fournir de l'eau d'alimentation à chaque chaudière à un débit régi par la chaleur prélevée à la chaudière respective et indépendant des besoins en eau d'alimentation des autres chaudières ; des moyens pour soutirer de la vapeur de chaque chaudière à un débit régi par la chaleur prélevée à la chaudière respective et indépendant du débit auquel la vapeur est prélevée aux autres chaudières ; des conduites interconnectant tous les ballons de vapeur au-dessus de leurs niveaux d'eau ; et des conduites reliant tous les ballons de vapeur en dessous de leurs niveaux d'eau, les deux types de conduites étant totalement indépendants des systèmes de circulation des chaudières et des moyens de fourniture de l'eau d'alimentation aux chaudières, de sorte que toutes les chaudières visent le même niveau d'eau.
Le document GB 241,961 A décrit un générateur de vapeur du type comprenant une section à rayonnement de chaleur et une section à convexion de chaleur, dans lesquelles les tubes sont disposés essentiellement de manière verticale et parallèlement les uns aux autres. Les tubes dans la section à rayonnement sont plus espacés que dans la section à convexion. Les sections de tubes sont reliées à deux ballons supérieurs de séparation eau/vapeur avec sortie de vapeur et également à un ballon à eau intermédiaire.
Le document US 2013/0145998 A1 se rapporte à un système comprenant un évaporateur, un réservoir d'eau en communication fluidique avec l'évaporateur, le réservoir d'eau étant situé en amont de l'évaporateur, et un premier ballon de vapeur en communication fluidique avec l'évaporateur, le premier ballon de vapeur étant situé en aval de l'évaporateur, où le réservoir d'eau fonctionne de façon à fournir l'eau d'alimentation de l'évaporateur, tout en maintenant un niveau d'eau prédéterminé dans le premier ballon de vapeur.
On trouve aussi dans l'état de la technique un arrangement de chaudière avec deux ballons ou plus connectés les uns aux autres, par exemple superposés, dans un certain nombre de brevets, parfois très anciens, pour les raisons précisées dans ces documents. Par exemple :
- dans le générateur de vapeur à récupération de chaleur de WO 2012/148656 A1, réduire le diamètre et donc l'épaisseur du ballon, et augmenter la souplesse de fonctionnement (temps de démarrage plus court, température de fonctionnement de l'évaporateur atteinte plus rapidement) ;
- dans le générateur de vapeur à récupération de chaleur de WO 2012/129195 A2, également réduire le diamètre et donc l'épaisseur du ballon, et par conséquent le gradient de température au travers de sa paroi au démarrage, lequel augmente la fatigue thermique sur le ballon et à son tour provoque une usure de celui-ci sous forme de fissures. La réduction d'épaisseur de ballon permet aussi de réduire le coût de fabrication. Ces préoccupations se retrouvent également dans le document EP 1 526 331 A1.
Buts de l'invention
La présente invention vise à apporter une solution pour les chaudières à ballon soumises à des démarrages fréquents et rapides avec des pressions de fonctionnement élevées.
En particulier, l'invention vise à l'amélioration de la résistance à la fatigue du ballon, l'enjeu étant la durée de vie de cet équipement clef de la chaudière.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention
Un premier aspect de la présente invention se rapporte à un générateur de vapeur industriel comprenant :
- un évaporateur,
- un ballon de séparation eau/vapeur présentant un conduit de sortie de vapeur saturée, l'évaporateur étant en communication fluidique avec le ballon de séparation au moyen d'un conduit de montée d'eau,
- un conduit d'entrée d'eau d'alimentation en communication par des moyens de connexion fluidique avec le ballon de séparation eau/vapeur,
- un conduit de descente pour le retour de l'eau à une entrée de l'évaporateur,
- ainsi qu'un réservoir de stockage d'eau, lesdits moyens de connexion fluidique comprenaient un conduit de débordement pouvant aussi jouer un rôle d'évent, reliant le réservoir de stockage d'eau au ballon de séparation eau/vapeur et apte à alimenter le ballon de séparation par débordement du réservoir de stockage lorsque celui-ci est complètement rempli, et un conduit d'alimentation de secours du ballon de séparation, reliant également le réservoir de stockage d'eau au ballon de séparation eau/vapeur, ledit conduit d'alimentation de secours étant muni d'une vanne actionnable apte à s'ouvrir et à créer une situation de vases communicants entre le ballon de séparation eau/vapeur et le réservoir de stockage d'eau en utilisant les conduits respectifs de débordement et d'alimentation de secours, ledit générateur de vapeur étant caractérisé en ce que le conduit d'entrée d'eau d'alimentation est muni d'une vanne de contrôle et en ce que le réservoir de stockage d'eau est agencé de manière telle que le conduit d'eau d'alimentation soit en communication avec le ballon de séparation eau/vapeur, via le réservoir de stockage d'eau.
Selon des formes d'exécution préférées de l'invention, le générateur de vapeur industriel comprend au moins une des caractéristiques suivantes ou une combinaison appropriée de celles-ci :
- ledit conduit de descente relie directement le ballon de séparation eau/vapeur à l'entrée de l'évaporateur ;
- le ballon de séparation eau/vapeur et le réservoir de stockage sont essentiellement à la même hauteur moyenne ;
- le réservoir de stockage d'eau comporte N (N entier ≥ 1) ballons de stockage d'eau en communication fluidique entre le conduit d'entrée d'eau d'alimentation et le ballon de séparation eau/vapeur et/ou entre eux, le diamètre ou plus généralement la taille des ballons étant d'autant plus réduit(e) que le nombre de ballons de stockage est élevé ;
- un nombre élevé de ballons de stockage est remplacés par des éléments de tuyauterie ;
- le conduit d'alimentation de secours du ballon de séparation est relié directement au conduit de descente et non au ballon de séparation eau/vapeur ;
- le générateur comprend un économiseur situé en amont ou en aval de la vanne de contrôle ;
- le générateur est du type chaudière à récupération de chaleur ou HRSG, verticale, horizontale ou mixte.
Un deuxième aspect de la présente invention se rapporte à un procédé de base pour générer un cycle de vapeur à haute pression au moyen d'un générateur de vapeur industriel comme décrit ci-dessus, en fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque le niveau d'eau dans le ballon de séparation se situe au-dessus d'un seuil critique prédéterminé, et de manière à assurer un temps d'écoulement ou ROT requis, comprenant au moins les étapes suivantes :
- i) le réservoir de stockage, alimenté en eau par le conduit d'entrée d'eau d'alimentation muni de la vanne de contrôle, est complètement rempli ;
- ii) le réservoir de stockage alimente le ballon de séparation par débordement via le conduit de débordement, la vanne actionnable étant fermée dans le conduit d'alimentation de secours du ballon de séparation ;
- iii) l'eau s'écoule du ballon de séparation vers l'entrée de l'évaporateur par le conduit de descente d'eau ;
- iv) l'eau est partiellement évaporée dans les tubes de l'évaporateur et le mélange eau/vapeur renvoyé vers le ballon de séparation par le conduit de montée d'eau, les deux phases eau/vapeur étant séparées dans le ballon de séparation, la phase vapeur étant évacuée en vue de son utilisation par le conduit de sortie de vapeur.
Un troisième aspect de la présente invention se rapporte à un procédé pour générer un cycle de vapeur à haute pression au moyen d'un générateur de vapeur industriel comme décrit ci-dessus, en fonctionnement particulier ou dégradé, c'est-à-dire lorsque le niveau d'eau dans le ballon de séparation se situe au-dessous d'un seuil critique prédéterminé, comprenant au moins les étapes du procédé de base, mais où l'étape ii) est remplacée par l'étape suivante :
- ii) la vanne actionnable s'ouvre au moins partiellement, le conduit de débordement fait alors office d'évent et le réservoir de stockage alimente le ballon de séparation par le conduit d'alimentation de secours du ballon de séparation, le volume du réservoir de stockage participant à assurer le ROT requis par vases communicants.
Un quatrième aspect de la présente invention se rapporte à un procédé pour générer un cycle de vapeur à haute pression au moyen d'un générateur de vapeur industriel comme décrit ci-dessus, comprenant, en phase de démarrage, au moins les étapes du procédé de base, mais où l'étape ii) est remplacée par l'étape suivante :
- ii) la vanne actionnable s'ouvre et reste en position ouverte de manière à accueillir le volume d'eau correspondant à l'effet de gonflement à la fois dans le ballon de séparation et dans le réservoir de stockage.
Brève description des figures
- La figure 1 représente schématiquement une chaudière à ballon de séparation selon l'état de la technique.
- La figure 2 représente schématiquement une chaudière multi-ballons selon la présente invention.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention
La solution proposée dans le cadre de la présente invention fait partie des solutions à ballons multiples.
Le principe est de répartir sur deux réservoirs au moins, ou plus de deux réservoirs dans une version généralisée de l'idée de base, le volume de stockage nécessaire pour assurer d'une part un temps d'écoulement (ROT) imposé et d'autre part pour accueillir le volume de gonflement (swell effect) lors du démarrage ou des transitoires de charge.
Dans la nouvelle configuration contenant l'amélioration proposée selon l'invention représentée sur la FIG. 2, deux volumes doivent être distingués : le réservoir de stockage 8 et le ballon de chaudière proprement dit 1, effectuant la séparation eau/vapeur. Le réservoir ou ballon de stockage 8 est alimenté en eau par le conduit d'eau alimentaire 4 qui contient une première vanne « A », dite vanne de contrôle 5. Ce réservoir de stockage 8 est, lors du fonctionnement normal, complètement rempli et alimente le ballon de chaudière 1 par le conduit de débordement 9. En fonctionnement normal, une seconde vanne « B », dite vanne actionnable 10, équipant le conduit d'alimentation de secours du ballon 11 (backup drum feeding line - BFL), est fermée.
Le ballon de chaudière est connecté à sa boucle « tubes de descente - évaporateur - tubes de montée » : l'eau s'écoule du ballon 1 vers l'évaporateur 2 par les descentes d'eau 6, l'eau passe alors dans les tubes de l'évaporateur 2 et y est partiellement évaporée, ce mélange eau/vapeur étant renvoyé ensuite vers le ballon 1 par les tubes de montée 7. Les deux phases eau/vapeur sont séparées dans le ballon 1 par un(e) ou plusieurs équipements (méthodes) adéquat(e)s, connus en soi de l'homme de métier.
Le niveau du plan d'eau dans le ballon 1 est contrôlé par la vanne de contrôle « A » 5. La vapeur saturée au-dessus du plan d'eau du ballon 1 s'échappe du ballon par le piètement 3 prévu à cet effet et est dirigée vers le réseau de vapeur via les surchauffeurs (le cas échéant), pour ensuite alimenter le process ou la turbine à vapeur utilisant la vapeur produite.
En fonctionnement particulier, lorsque le niveau du ballon de séparation 1 descend en dessous d'un seuil critique choisi, ou lorsque les pompes alimentaires déclenchent, la vanne actionnable « B » 10 s'ouvre partiellement ou complètement : le conduit de débordement 9 fait alors office d'évent et la BFL 11 alimente le ballon 1. Par le principe des vases communicants, le volume du réservoir de stockage contribue alors à assurer le ROT requis. Le conduit de débordement 9 doit cependant déboucher à une position suffisamment basse dans le ballon séparateur 1 pour éviter toute montée excessive d'eau dans la partie supérieure du ballon avec débordement dans le surchauffeur ou dans les tubes du circuit de vapeur.
De plus, au démarrage, selon le nouveau mode d'exécution, on peut maintenir la vanne actionnable « B » 10 en position ouverte de telle manière que lorsque l'effet de gonflement survient, le surplus d'eau correspondant est accueilli dans les deux réservoirs au lieu d'un précédemment, le ballon de chaudière 1 et le réservoir de stockage 8, qui contribuent ensemble par le principe des vases communicants à absorber le volume total d'eau fourni.
Du principe de l'invention peuvent découler les alternatives et généralisations suivantes :
- le principe de l'amélioration proposée est indépendant du type de chaudière considéré : HRSG verticale ou horizontale ou mixte ;
- dans l'idée de base, aux côtés du ballon de chaudière, un seul réservoir de stockage est considéré. Rien n'empêche cependant de généraliser l'idée en augmentant au besoin le nombre de réservoirs de stockage pour diminuer davantage les diamètres de ceux-ci et donc encore davantage les épaisseurs des ballons/réservoirs (qui pourraient à la limite être un ensemble de tuyauteries) ;
- il est possible de considérer que la BFL soit connectée directement dans le tuyau de descente au lieu d'être connectée sur le ballon ;
- le principe de l'amélioration proposée est indépendant des méthodes et équipements utilisés pour effectuer la séparation des phases eau/vapeur ainsi que le séchage de la vapeur ;
- le principe de l'amélioration proposée est indépendant de la géométrie exacte de l'alimentation en eau du système et de son évent, l'essentiel étant d'assurer que le ballon et le(s) réservoir(s) de stockage puissent fonctionner en vases communicants lorsque cela est requis ;
- le principe de l'amélioration proposée est indépendant de la position de la FWCV « A » 5, c'est-à-dire en amont ou en aval des économiseurs de la chaudière ;
- le principe de l'amélioration proposée est indépendant du type d'organe de régulation des vannes « A » et « B ».
La solution proposée dans le cadre de la présente invention se différencie de celles déjà divulguées et le cas échéant protégées dans l'état de la technique par les points suivants notamment. Selon la présente invention :
- A. les tubes de descente sont connectés au ballon effectuant la séparation eau/vapeur ;
- B. les deux ballons ne requièrent pas d'être à des élévations différentes pour que le principe de base de l'amélioration fonctionne (mais ils pourraient l'être) ce qui simplifie le dessin de la charpente environnante ;
- C. l'alimentation du ballon effectuant la séparation eau/vapeur se fait par débordement du ballon de stockage. De ce fait le ballon de stockage est totalement rempli d'eau en fonctionnement normal, ce qui maximise son volume utile.
Liste des symboles de référence
- 1. ballon de séparation
- 2. évaporateur
- 3. sortie de vapeur
- 4. entrée d'eau d'alimentation (à partir de l'économiseur)
- 5. vanne de contrôle de l'eau d'alimentation « A »
- 6. tubes de descente d'eau
- 7. tubes de montée d'eau
- 8. réservoir de stockage
- 9. conduit de débordement
- 10. vanne actionnable « B »
- 11.conduit d'alimentation de secours du ballon de séparation