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DESCRIPTION
Procédé et dispositif de condensation d'appoint dans une centrale d'énergie
La présente invention se rapporte aux condenseurs utilisés dans les centrales d'énergie, en particulier dans les centrales électriques du type convertissant l'énergie thermique en énergie mécanique par détente d'un fluide à l'état gazeux.
Le cycle parcouru par le fluide dans ce type de centrale est classique. Le fluide est chauffé dans une chaudière et éventuellement un ou plusieurs surchauffeurs pour passer de l'état liquide à l'état gazeux sous haute pression, puis se détend dans une turbine d'où il ressort à l'état gazeux sous basse pression. Ce gaz à basse pression est ensuite condensé dans une installation de condensation avant d'être remis sous pression par une ou plusieurs pompes et renvoyé à la chaudière.
Classiquement, le fluide utilisé est de l'eau et le cycle présente donc successivement eau haute pression, vapeur haute pression, vapeur basse pression, eau basse pression, eau haute pression, etc...
Dans la description qui suit le fluide du cycle est l'eau, mais le procédé et le dispositif qui sont revendiqués peuvent s'appliquer à des cycles utilisant d'autres fluides que l'eau.
L'installation de condensation est constituée de condenseurs, pouvant être généralement soit des condenseurs du type aérocondenseur où l'échange de chaleur se fait avec l'air atmosphérique, soit des condenseurs du type à surface refroidis par de l'eau.
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L'eau de refroidissement des condenseurs à surface est soit de l'eau de rivière ou de l'eau de mer, non recyclée, soit de l'eau refroidie en circuit fermé dans un réfrigérant atmosphérique, qui est soit à contact direct eau-air (réfrigérant humide) soit constitué d'échangeurs thermiques sans contact direct eau-air (réfrigérant sec)
Les réfrigérants humides permettent un refroidissement plus performant, mais sont des consommateurs d'eau, en raison de l'évaporation, et ne peuvent donc pas être utilisés dans les régions où il n'y a pas suffisamment d'eau disponible.
Les aérocondenseurs sont des échangeurs de chaleur fluide-air où l'échange de chaleur a lieu à travers des parois étanches. Ces appareils sont plus coûteux et moins performants que les ensembles condenseur à surface + réfrigérant atmosphérique humide, mais sont indispensables dans les régions sèches. Toutefois les régions sèches sont, en général, des régions chaudes et les aérocondenseurs arrivent vite à ne plus pouvoir évacuer la chaleur de condensation à un niveau acceptable de température.
Du côté turbine, la pression de condensation augmente avec la température de condensation, mais il y a une limite maximale de pression que l'on ne peut dépasser. Il faut donc agir sur le condenseur si l'on veut éviter de réduire la charge thermique des turbines, voire de les arrêter pendant les pointes de température de l'ambiance atmosphérique. Ainsi, par exemple, dans une unité de production d'énergie de 100 MW thermique avec cycle thermodynamique utilisant l'eau comme fluide, un aérocondenseur d'une capacité nominale prédéterminée permet une condensation
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à 54 C sous 150 mbar lorsque la température ambiante est de 20oC. Si la température ambiante devient 30oC, la température de conden- sation deviendra 640C et la pression 240 mbar pour une même puissance thermique, avec rendement électrique moindre.
Une telle pression pourrait ne pas être acceptable pour les turbines et conduire à réduire leur charge thermique, c'est-à-dire la production d'électricité, voire à arrêter les turbines.
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Plusieurs solutions ont déjà été proposées pour remédier à ce problème. On peut surdimensionner les aérocondenseurs, mais cette solution est trop coûteuse, ou l'on peut adjoindre un condenseur à surface refroidi par eau. Dans ce dernier cas, on peut limiter l'utilisation de cet appareil aux moments où la température ambiante dépasse un seuil prédéterminé. Une telle solution est proposée dans les brevets US 3. 635. 042, US 3.685. 579 et US 4.301. 861. Ces solutions sont toutefois onéreuses étant donné qu'elles nécessitent un condenseur supplémentaire.
Le brevet US 2.545. 926 propose de refroidir l'air avant son entrée dans l'aérocondenseur en le mettant en contact avec de l'eau et les brevets US 3.851. 702 et 4.381. 817 proposent de refroidir les aérocondenseurs par aspersion d'eau. Ces solutions entraînent toutefois des problèmes de corrosion et d'encrassement des parois d'échange de chaleur des aérocondenseurs.
L'invention propose une solution simple, peu coûteuse et qui évite les problèmes rencontrés par les techniques suivant l'état de la-technique.
Selon l'invention, on utilise un aérocondenseur de type et de capacité classique et, lorsque la température atmosphérique devient trop élevée pour condenser efficacement le fluide, on refroidit, à l'aide d'eau, appelée dorénavant eau secondaire, la canalisation reliant l'élément de détente (en substance la ou les turbines) à l'aérocondenseur.
A cet effet, il suffit d'équiper cette canalisation, qui existe toujours et qui a souvent une longueur de plusieurs mètres, voire de quelques dizaines de mètres, d'un dispositif simple pour l'aménager en échangeur de chaleur fluide-eau sans contact direct.
Suivant une forme de mise en application préférentielle, on adjoin- dra à cette canalisation aménagée en échangeur de chaleur un circuit secondaire pour recycler l'eau secondaire via un réfrigérant atmosphérique humide.
L'aérocondenseur utilisé sera dimensionné pour reje- ter à l'atmosphère toute la chaleur de condensation aux conditions nominales.
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Ce circuit secondaire selon l'invention est mis en service essentiellement par fortes températures atmosphériques lorsque la pression de condensation approche de la limite maximale admissible, et éventuellement lorsque de l'eau est disponible pour ce circuit humide, qui, lorsqu'il est en service, améliore le rendement global de l'installation de production d'électricité.
L'avantage de cette solution aux problèmes des pointes d'ambiance à pleine charge est de ne pas modifier ni dans sa conception ni dans son emploi les aérocondenseurs qui sont des appareils coûteux, très sensibles à la corrosion et à l'encrassement.
Ces appareils restent conçus et dimensionnés de façon optimale pour les conditions nominales. Il n'y a ni aspersion d'eau sur les batteries de tubes de l'aérocondenseur, ni balayage de ces batteries par de l'air refroidi par humidification et dès lors chargé d'embruns, très néfastes. Il n'y a pas non plus de condenseur auxiliaire à surface, mais une utilisation rationnelle et judicieuse de la ou des canalisations de vapeur reliant la ou les turbines à l'aérocondenseur.
Cette canalisation va servir de condenseur d'appoint.
Son gros diamètre, dû au fait que le fluide y est sous forme gazeuse et non liquide, offre une grande surface d'échange par unité de longueur. Le fluide y circule généralement de façon turbulente, avec des coefficients d'échange thermiques élevés.
En ce qui concerne l'évacuation de la chaleur de l'eau secondaire de cette canalisation, elle aura de préférence lieu dans des réfrigérants atmosphériques de type connu fonctionnant de façon normale. Ils seront conçus (type de réfrigérant, matériaux, etc...) et dimensionnés pour correspondre à l'optimum. Ils pourront être pourvus d'auxiliaires usuels tels que pompe de circulation, circuit d'eau d'appoint, dispositif de purge, système de conditionnement de l'eau.
L'aménagement de la canalisation reliant la turbine à l'aérocondenseur en échangeur de chaleur peut se faire suivant plusieurs variantes, qui seront toujours basées sur l'écoulement d'eau froide le long de sa paroi extérieure. Cet écoulement peut
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se faire soit suivant la longueur de la canalisation, à contre-courant ou parallèlement à la circulation du fluide, soit transversalement à la canalisation.
Lorsque l'écoulement de l'eau a lieu suivant la longueur de la canalisation, celle-ci peut être doublée d'un manteau concentrique, constituant une canalisation à double paroi, une paroi intérieure et une paroi extérieure, entre lesquelles circule l'eau secondaire.
De préférence, la canalisation sera légèrement inclinée de façon à assurer l'évacuation aisée des condensats.
L'eau secondaire s'échauffe au cours de son parcours le long de la canalisation, généralement de plusieurs dizaines de mètres de long, et n'assure pas une condensation uniforme le long de cette canalisation. De préférence, on aura l'eau la plus chaude du côté où se dirigent, et s'accumulent, les condensats.
Lorsque l'écoulement a lieu transversalement à la canalisation, c'est normalement une eau à même température qui arrive tout le long du sommet de la canalisation sur toute sa longueur. Cette eau ruisselle sur les parois de la canalisation et est recueillie dans un chenal ouvert, sous la canalisation. Cette solution requiert un beaucoup plus gros débit d'eau que la précédente, mais les pertes de charge hydraulique sont plus faibles. La réalisation d'un chenal, par exemple en béton, est plus aisée que celle d'une canalisation spéciale à double paroi. Elle permet d'avoir la canalisation usuelle qu'on aurait en l'absence du dispositif auxiliaire de condensation. L'inspection et l'entretien de l'état de surface de la canalisation sont aisés.
Toutefois, une telle solution à grand débit d'eau et donc faible écart de température, requiert un réfrigérant humide plus cher que la solution à double paroi pour laquelle l'eau a un débit relativement faible et un écart de température relativement grand.
Après les périodes de températures ambiantes éle- vées, dans les dispositifs à chenaux, le chenal est vidangé ; la paroi de la canalisation se sèche rapidement sous l'effet de la tem-
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pérature de la vapeur ; l'inspection et l'entretien de la paroi extérieure de la canalisation et du chenal peuvent aisément avoir lieu.
Lorsqu'on reprend l'exemple cité ci-dessus d'une centrale de 100 MW thermiques, on obtiendrait avec un aérocondenseur d'une capacité nominale prédéterminée une température de condensation (Tcond) de 54 C et une pression de condensation (Pcond) de 150 mbar, lorsque la température ambiante est de 20 C.
Avec une température ambiante de 300C (et une humidité relative de 50%) la Tcond est de 640C et la Pcond est de 240 mbar.
Avec application du procédé selon l'invention, on obtient avec une T ambiante de 300C une Tcond de 590C et une Pcond de 180 mbar. La puissance évacuée par les aérocondenseurs est de 83 MW et la puissance évacuée par la canalisation, selon l'invention, est de 17 MW.
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Pour obtenir un même rendement, c'est-à-dire 180 mbar et 100 MW à 30 C de température ambiante, il faudrait surdimensionner la capacité des aérocondenseurs de 20%, ce qui coûterait deux à trois fois plus cher que le système selon l'invention.
L'invention sera illustrée ci-après à l'aide d'exemples de mises en application en se référant aux figures jointes, qui représentent : la figure 1 : un schéma d'un cycle de fluide d'une centrale élec- trique complété d'un circuit de condensation d'ap- point ; la figure 2 : une coupe transversale avec vue en perspective d'une canalisation aménagée selon l'invention.
En se référant à la figure 1, celle-ci représente partiellement et schématiquement le cycle classique d'une centrale électrique convertissant l'énergie thermique en énergie mécanique.
Le fluide utilisé est de l'eau. Le cycle se compose d'une pompe 1 et d'une chaudière 2 avec surchauffeurs 3 pour transformer l'eau en vapeur sous haute pression, d'une turbine 4 pour détendre la vapeur et d'un aérocondenseur 5 pour condenser la vapeur basse
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pression. La turbine 4 est reliée au condenseur 5 via une canalisation 10. La canalisation 10 est aménagée en échangeur de chaleur 7. A cet effet, elle est pourvue d'un manteau concentrique 11, constituant une double paroi. La vapeur venant de la turbine 4 circule dans le tube intérieur et l'eau secondaire entre les deux parois.
L'espace annulaire entre les deux parois est connecté à un circuit auxiliaire, composé de tours de réfrigération 13, de deux vannes d'isolement 14 et d'une pompe 12 permettant de mettre le circuit auxiliaire en service lorsque la température atmosphérique le demande.
Il est à remarquer que les différents équipements sont montrés d'une façon schématique, sans tenir compte de leurs dimensions réelles.
La figure 2 montre un autre mode d'exécution d'aménagement de la canalisation à vapeur 10. Dans cet exemple, la canalisation 10 est située dans un chenal en béton 17 et est aspergée avec de l'eau secondaire issue d'un tube 20 pourvu d'ajutages calibrés 23 et de disperseurs 24, qui sont des assiettes profilées dans lesquelles éclate le jet d'eau provenant des ajutages. La vapeur se condense partiellement le long des parois internes de la canalisation 10 et le condensat 15 se rassemble au bas de la canalisation 10. Le plan d'eau du chenal 17 est représenté par la référence 16. Le nombre d'ajutages-disperseurs 23-24 par unités de longueur du tube 20 et l'ouverture du jet d'aspersion sont tels que de l'eau ruisselle le plus uniformément possible sur toute la surface extérieure de la canalisation 10.
En variante, au lieu des ajutages-disperseurs 23-24, on pourrait concevoir des gicleurs ou tuyères dirigés vers le bas, ce qui nécessiterait une pression d'eau plus élevée dans le tube 20.
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DESCRIPTION
Method and device for back-up condensation in a power plant
The present invention relates to condensers used in power plants, in particular in power plants of the type converting thermal energy into mechanical energy by expansion of a fluid in the gaseous state.
The cycle traversed by the fluid in this type of power plant is conventional. The fluid is heated in a boiler and possibly one or more superheaters to pass from the liquid state to the gaseous state under high pressure, then expands in a turbine from which it emerges in the gaseous state under low pressure. This low pressure gas is then condensed in a condensing installation before being pressurized by one or more pumps and returned to the boiler.
Conventionally, the fluid used is water and the cycle therefore successively presents high pressure water, high pressure steam, low pressure steam, low pressure water, high pressure water, etc.
In the description which follows, the cycle fluid is water, but the method and the device which are claimed can be applied to cycles using fluids other than water.
The condensing installation consists of condensers, which can generally be either condensers of the air condenser type where the heat exchange takes place with atmospheric air, or condensers of the surface type cooled by water.
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The cooling water of the surface condensers is either river water or sea water, not recycled, or water cooled in a closed circuit in an atmospheric refrigerant, which is either in direct contact water- air (wet coolant) is made up of heat exchangers without direct water-air contact (dry coolant)
Wet refrigerants allow more efficient cooling, but are consumers of water, due to evaporation, and therefore cannot be used in regions where there is not enough water available.
Air condensers are fluid-air heat exchangers where the heat exchange takes place through watertight walls. These devices are more expensive and less efficient than the surface condenser + humid atmospheric refrigerant assemblies, but are essential in dry regions. However, the dry regions are, in general, hot regions and the air condensers quickly manage to no longer be able to dissipate the heat of condensation at an acceptable level of temperature.
On the turbine side, the condensing pressure increases with the condensing temperature, but there is a maximum pressure limit that cannot be exceeded. It is therefore necessary to act on the condenser if one wants to avoid reducing the thermal load of the turbines, or even stopping them during the peak temperatures of the atmospheric atmosphere. Thus, for example, in a 100 MW thermal energy production unit with thermodynamic cycle using water as fluid, an air condenser with a predetermined nominal capacity allows condensation
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at 54 C at 150 mbar when the ambient temperature is 20oC. If the ambient temperature becomes 30oC, the condensing temperature will become 640C and the pressure 240 mbar for the same thermal power, with lower electrical efficiency.
Such a pressure may not be acceptable for the turbines and lead to reducing their thermal load, that is to say the production of electricity, or even stopping the turbines.
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Several solutions have already been proposed to remedy this problem. You can oversize the air condensers, but this solution is too expensive, or you can add a water-cooled surface condenser. In the latter case, the use of this device can be limited to times when the ambient temperature exceeds a predetermined threshold. Such a solution is proposed in US Patents 3,635,042, US 3,685. 579 and US 4,301. 861. These solutions are however expensive since they require an additional condenser.
US Patent 2,545. 926 proposes to cool the air before it enters the air condenser by bringing it into contact with water and US patents 3,851. 702 and 4.381. 817 propose to cool the air condensers by spraying water. However, these solutions lead to problems of corrosion and fouling of the heat exchange walls of the air condensers.
The invention proposes a simple, inexpensive solution which avoids the problems encountered by techniques according to the state of the art.
According to the invention, an air condenser of conventional type and capacity is used and, when the atmospheric temperature becomes too high to effectively condense the fluid, the pipe connecting the water is cooled using water, henceforth called secondary water. 'expansion element (in essence the turbine (s)) to the air condenser.
For this purpose, it is sufficient to equip this pipe, which still exists and which often has a length of several meters, or even a few tens of meters, with a simple device for fitting it into a contactless fluid-water heat exchanger. direct.
According to a preferred form of application, a secondary circuit for recycling the secondary water via a humid atmospheric refrigerant will be added to this pipe fitted as a heat exchanger.
The air condenser used will be sized to discharge all the condensation heat at nominal conditions to the atmosphere.
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This secondary circuit according to the invention is put into service essentially at high atmospheric temperatures when the condensation pressure approaches the maximum admissible limit, and possibly when water is available for this wet circuit, which, when it is in service , improves the overall efficiency of the electricity production installation.
The advantage of this solution to the problems of room spikes at full load is that it does not modify either in its design or in its use the air condensers which are expensive devices, very sensitive to corrosion and fouling.
These devices remain optimally designed and sized for the nominal conditions. There is no spraying of water on the batteries of the air condenser tubes, nor sweeping of these batteries with air cooled by humidification and therefore loaded with spray, very harmful. There is also no auxiliary condenser on the surface, but a rational and judicious use of the steam pipe (s) connecting the turbine (s) to the air condenser.
This pipe will serve as an additional condenser.
Its large diameter, due to the fact that the fluid is there in gaseous and non-liquid form, offers a large exchange surface per unit of length. The fluid generally circulates therein in a turbulent manner, with high heat exchange coefficients.
Regarding the evacuation of heat from the secondary water of this pipe, it will preferably take place in atmospheric refrigerants of known type operating normally. They will be designed (type of refrigerant, materials, etc.) and sized to correspond to the optimum. They may be provided with usual auxiliaries such as circulation pump, make-up water circuit, purge device, water conditioning system.
The layout of the pipe connecting the turbine to the air condenser as a heat exchanger can be done according to several variants, which will always be based on the flow of cold water along its outer wall. This flow can
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be done either along the length of the pipe, against the current or parallel to the circulation of the fluid, or transversely to the pipe.
When the water flows along the length of the pipe, it can be lined with a concentric mantle, constituting a double-walled pipe, an inner wall and an outer wall, between which the water circulates. secondary.
Preferably, the pipe will be slightly inclined so as to ensure easy evacuation of the condensates.
The secondary water heats up during its course along the pipeline, generally several tens of meters long, and does not provide uniform condensation along this pipeline. Preferably, we will have the hottest water on the side where the condensates go, and accumulate.
When the flow takes place transversely to the pipe, it is normally water at the same temperature which arrives all along the top of the pipe over its entire length. This water flows over the walls of the pipe and is collected in an open channel, under the pipe. This solution requires a much higher water flow rate than the previous one, but the hydraulic head losses are lower. The realization of a channel, for example in concrete, is easier than that of a special double-walled pipeline. It allows to have the usual pipe that would be in the absence of the auxiliary condensing device. Inspection and maintenance of the surface condition of the pipeline is easy.
However, such a solution with a large flow of water and therefore a small temperature difference, requires a more expensive wet coolant than the double-walled solution for which the water has a relatively low flow and a relatively large temperature difference.
After the periods of high ambient temperatures, in channel devices, the channel is emptied; the wall of the pipe dries quickly under the effect of the tem-
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steam temperature; inspection and maintenance of the outer wall of the pipeline and the channel can easily take place.
When we take the example cited above of a 100 MW thermal power plant, we would obtain with an air condenser with a predetermined nominal capacity a condensation temperature (Tcond) of 54 C and a condensation pressure (Pcond) of 150 mbar, when the ambient temperature is 20 C.
With an ambient temperature of 300C (and a relative humidity of 50%) the Tcond is 640C and the Pcond is 240 mbar.
With application of the method according to the invention, with an ambient T of 300C, a Tcond of 590C and a Pcond of 180 mbar are obtained. The power evacuated by the air condensers is 83 MW and the power evacuated by the pipeline, according to the invention, is 17 MW.
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To obtain the same output, that is to say 180 mbar and 100 MW at 30 C ambient temperature, it would be necessary to oversize the capacity of the air condensers by 20%, which would cost two to three times more expensive than the system according to l 'invention.
The invention will be illustrated below with the aid of examples of applications with reference to the appended figures, which represent: FIG. 1: a diagram of a fluid cycle of a power plant completed by 'a backup condensing circuit; Figure 2: a cross section with perspective view of a pipe arranged according to the invention.
Referring to Figure 1, this partially and schematically represents the conventional cycle of a power station converting thermal energy into mechanical energy.
The fluid used is water. The cycle consists of a pump 1 and a boiler 2 with superheaters 3 to transform the water into steam under high pressure, a turbine 4 to expand the steam and an air condenser 5 to condense the low steam
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pressure. The turbine 4 is connected to the condenser 5 via a pipe 10. The pipe 10 is arranged as a heat exchanger 7. For this purpose, it is provided with a concentric jacket 11, constituting a double wall. The steam from the turbine 4 circulates in the inner tube and the secondary water between the two walls.
The annular space between the two walls is connected to an auxiliary circuit, composed of cooling towers 13, two isolation valves 14 and a pump 12 making it possible to put the auxiliary circuit into service when the atmospheric temperature requires it.
It should be noted that the different equipment is shown schematically, without taking into account their actual dimensions.
Figure 2 shows another embodiment of the layout of the steam pipe 10. In this example, the pipe 10 is located in a concrete channel 17 and is sprayed with secondary water from a tube 20 provided with calibrated nozzles 23 and dispersers 24, which are profiled plates in which the water jet from the nozzles bursts. The vapor partially condenses along the internal walls of the pipe 10 and the condensate 15 collects at the bottom of the pipe 10. The water body of the channel 17 is represented by the reference 16. The number of nozzles-dispersers 23 -24 per unit length of the tube 20 and the opening of the spray jet are such that water flows as uniformly as possible over the entire outer surface of the pipe 10.
As a variant, instead of the nozzles-dispersers 23-24, it is possible to design jets or nozzles directed downwards, which would require a higher water pressure in the tube 20.