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DISPOSITIONS DE REGLAGE AUTOMATIQUE DE LA. VITESSE DES POMPES ALIMENTAIRES DES
GENERATEURS DE VAPEUR. COMPRESEURS ET AUTRES MACHINES SIMILAIRES
On sait que pour réduire la consommation d'énergie des pompes alimentaires des générateurs de vapeur et l'usure de ces machines et des régulateurs d'alimen.. tation, il faut faire varier la vitesse des pompes, en fonction du débit qui leur est demandé, de manière à toujours maintenir cette vitesse à la valeur la plus faible possible.
On sait également que ce résultat peut être obtenu en faisant varier la différence entre la pression au refoulement de la pompe et la pression dans le collecteur de vapeur des générateurs, différence que l'on désignera dans la suite sous le nom de pression différentielle totale, de manière qu'elle évolue de façon approximativement proportionnelle au carré du débit*
La présente invention, système Maurice WILFAFT a pour objet des disposi- tions qui permettent d'assurer automatiquement un tel réglage.
Ces dispositions sont du reste d'application générale; elles peuvent être utilisées non seulement pour le réglage des pompes centrifuges alimentaires des générateurs de vapeur, mais aussi pour le réglage économique de toutes pompes centrifuges, de tous com- presseurs centrifuges et de toutes machines du même genre qu'il y a intérêt à faire fonctionner, à chaque instant,à la vitesse la plus faible compatible avec le débit demandé à cet instant..
Afin de simplifier l'exposé, on décrira les dispositions objet de l'in- vention en se référant à des exemples, donnés à titre non limitatif. concernant
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les pompes alimentaires des générateurs de vapeur, Des dispositions qui seront ainsi décrites, on déduira, par analogie, les dispositions à adopter dans les autres utilisations de l'invention, d'après les données fournies par la technique particulière de ces utilisations.
Les dispositions que l'on va décrire à titre d'exemples, en se référant aux figures schématiques ci-jointes (qui se limitent aux organes indispensables à. la complehensin de l'invention,) permettent, les unes, un réglage rigoureux, les autres, un réglage plus ou moins approphé, Elles se rapportent successivement au cas où chaque générateur de vapeur comporte une pompe alimentaire qui lui est propre et au cas de plusieurs générateurs simultanément alimentés par une même pompe alimentaire ou un même groupe de pompes alimentaires* Des exemples coneer- nent des réalisations simplifiées, qui utilisent certains appareils existants dans les installations de générateurs de vapeur, la fig.1 se rapporte à un premier exemple. concernant le cas d'un généra teur de vapeur muni d'une pompe alimentaire qui lui est propre.
La disposition représentée permet de réaliser automatiquement une pression différentielle pro- portionnelle au carré du débit d'eau ou de vapeur; plus généralement, cette dis- position permet de régler une pression différentielle de telle sorte qu'en fonc tion du débit elle soit de la forme
Dans cette formule, I est le débit, soit dteau, soit de vapeur, ces deux débits étant généralement égaux en poids; toutefois, dans le souci d'assurer une plus grande rapiditi de réglage et une meilleure stabilité de la marche, il est préférable qu'on mesure le débit de vapeur plutôt que le débit d'eau.. A et k désignent des constantes* L'automate de la Fig.l est conçu dans ce sens;
il associe deux automates manométriques
L'automate manométrique 15 mesure le débit de vapeur saturée à la sortie du ballon 5 de la chaudière* et attaque le premier point 16 d'un levier flottant 17 %'automate manométrique 18 mesure la pression entre l'amont et l'aval du régulateur d'alimentation 3 (de type quelconque), c'est-à-dire la pression dif- férentielle au régulateur il commande le second point 19 du levier flattant 17
Le troisième point 20 de celui-ci commande la tige 21 Celle-ci actionne les organes de réglage de la vitesse de la pompe; quand elle monte, elle augmente cette vitesse; elle la réduit quand elle descend,,
Les organes de réglage de la vitesse de la pompe peuvent être quelconques et dépendent, bien entendu, de la nature du moteur qui actionne celle.-ci;
régu lateur d'admission s'il s'agit d'une turbine à vapeur, rhéostat de réglage s'il s'agit d'un moteur électrique, etc..
On peut changer la valeur du terme A en allongaant ou en raccourcissant le tendeur 22 on règle la valeur du coefficient k en déplaçant le point.20 sur le levier 17, de façon à changer le rapport des bras du levier. Enfin, l'insen- sibilité de la régulation est fonction d'un jeu réglable dans la tringlerie.
En. ce qui concerne la rapidité d'action de ce régulateur, elle doit être choisie dans les conditions suivantes qui, appliquées à n'importe laquelle des dispositions objet de l'Invention, constituent une des caractéristiques de celle- ci. comme condition principale, il faut toujours alimenter suffisamment; s'est une condition de sécurité; comme, par l'emploi du système proposé, le régu lateur d'admission est presque constamment en position voisine de la pleine ou- verture, toute demande d'augmentation du débit doit être aussitôt satisfaite par un accroissement de la vitesse;
pour chaque automate décrit, toute demande d'aug- mentation de la vitesse devra donc être exécutée aussi rapidement que possible,
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Comme condition secondaire, on doit rechercher pour la pompe la plus faible vitesse compatible avec le débit désiré; c'est une condition d'économie; sa rêalisation n'offre pas d'urgence particulière; en conséquence, lorsque l'automate demandera une réduction de la vitesse, l'exécution de cet ordre devra ne s'effectuer que progressivement, avec une lenteur réglable; ce retard au réglage réduit l'usure du régleur de vitesse et du régulateur d'alimentation; en contre-partie, l'économie d'énergie est moins grande, et il peut se produire de légères variations du niveau d'eau.
Si l'on quitte le cas simple d'une seule pompe alimentant un seul générateur, pour passer au cas, le plus courant, où une même pompe (ou un même groupe de pompes) alimente en parallèle plusieurs générateurs (dont chacun est muni d'un régulateur d'alimentation), le problème est plus complexe.
La condition principale du réglage, condition de sécurité, peut alots s'énoncer sous la forme suivante, qui constitue une des caractéristiques de l'in- vention :le régleur de vitesse doit assurer, aux régulateurs d'alimentation, la pression différentielle la plus élevée parmi celles demandées par les différents générateurs.
Différentes dispositions, qui vont être décrites, permettent de réaliser ce mode de réglage; en premier lieu, les dispositions décrites n'utilisent aucun matériel existant par ailleurs.
Comme première disposition, on peut prévoir pour chaque générateur un automate manométrique double tel que décrit à propos de la Fig.l; la commande générale du réglage de la vitesse est assurée par les moyens représentés en Fig.2, qui suppose l'existence de deux générateurs (le même principe demeurant valable pour un nombre quelconque de générateurs), 5 et 5 debitant sur le eollecteur de vapeur commun 7, par l'intermédiaire des surchauffeurs 6 et 6 la pompe alimen- taire 2 reçoit l'eau de la bâche 1 et débite sur les générateurs 5 et 5 respectivement par les régulateurs d'alimentation 3 et 3'. Les automates manométriques sont seulement figurés par leur levier flottant, 17 et 17 et la tige, 21, 21 qu'il actionne.
Il faut, comme on l'a vu plus haut, que le régleur de vitesse de la pompe 2 donne satisfaction au générateur qui exige la pression différentielle au régulateur la plus haute, donc la vitesse la plus élevée,
Pour cela, le régleur de vitesse est commandé par le fourreau coulissant 23 qu'un ressort 24'tend à ramener dans la position de vitesse minimum; ce fourreau est emmené dans le sens pour l'accélération de la vitesse par celle des tiges 21 et 21 qui demande la plus grande vitesse.
On voit qu'une chaudière qui ne débite pas n'influence le réglage de la vitesse que jusqutà concurrence de la valeur de son terme constant A.
Le mécanisme peut être réalisé de manière à effectuer. au lieu de mouvements rectilignes, des mouvements circulaires; des exemples en seront donnés dans les Fig, 10 et 11.
Cette première disposition applique très exactement le principe adopté pour le réglage; elle offre l'inconvénient d'exiger, pour chaque génénateur un automate manométrique double; il faut, de plus, un système de liaison qui rassemble les indications des différents automates; ces liaisons peuvent être assurées par des tringles; des chaines des câbles sous tubes, ou encore par des transmissions électriques, hydrauliques ou autres.
Les Fig. 3, 4 et 5 représentent des dispositions simplifiées, mais moins précises, qui n'exigent, pour un nombre quelconque de générateurs qutun seul automate général et des liaisons par tube.
Les conditions d'application de la deuxième disposition, suivant fig.3 (les générateurs,5 et 5 ont été figurés munis de réchauffeurs d'eau d'alimentation, 4 et 4 sont les suivantes les résistivités des circuits d'eau et de vapeur doivent être pratiquement les mêmes pour les différentes générateurs, et doivent varier peu avec le temps ; admet que la pression différentielle au ré- gulateur est proportionnelle au carré du débit de vapeur,,
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L'unique automate de commande comprend d'abord un automate manométrique 15 qui compare la pression du collecteur général de vapeur et la pression de vapeur dans une nourrice à clapets 25;
les clapets sont orientés de manière que la pres sion à l'intérieur de cette nourrice demeure toujours égale à la pression de chau dière la plus élevée, c'est-à-dire à la pression de la chaudière qui débite le plus (si les résistivités des différents circuits sont pratiquement égales), Cet automate manométrique 15 mesure donc la plus grande pression différentielle de va peur;
la plus grande pression différentielle générale doit être plus élevée, puis- qu'elle comprend de plus la pression différentielle d'eau (entre les générateurs de vapeur et le refoulement de la pompe} ; comme les deux pressions différentielles sont proportionnelles au carré du débit (le même en poids pour l'eau et pour la vapeur), il suffit de régler convenablement la sensibilité de ltautomate manométri- que 15 pour que ses déplacements indiquent, non plus la pression différentielle de vapeur la plus élevée, mais bien la plus grande pression différentielle générale, qu'il faut assurer* un second automate manométrique 18 mesure la pression différentielle gêné- rale réalisée entre le collecteur général de vapeur 7 et le refoulement de la pompe alimentaire 2 par le fait du balancier 17,
la tige 21 commande le réglage de vi tesse de façon à assurer la pression différentielle générale désirée,
Il est à remarquer, que pour certains régulateurs d'alimentation, la pres- sion différentielle qui leur est appliquée doit être constante au lieu d'être proportionnelle au carré du débit; on a réalisé des installations dans lesquelles un automate manométrique mesure la différence entre la pression au collecteur de vapeur et la pression au refoulement de la pompe;
cet automate règle la vitesse de la pompe de façon que cette différence de pression demeure à peu près constante, au statisme près,. un tel procédé ne constitue qu'une solution très approximative, car les pressions dans les différents générateurs sont fonction des débits respectifs, et ce montage n'en tient pas compte. Conformément à l'invention, on évite cet incon- vénient en adoptant la disposition de la fig.4 qui remplace celle de la Fig.3 lorsque la pression différentielle doit demeurer à peu près constante,.
L'automate manométrique 18, chargé de commander le régleur de vitesse de la pompe, compare la pression au refoulement de la pompe et la pression la plus élevée à l'intérieur de l'un quelconque des générateurs; cette pression la plus élevée est prise dans une nourrice à clapets 25, reliée à chaque générateur par un tube particulier; le fonctionnement de cette nourrice a été décrit pour la Fig.3.
Pour les dispositions des Fig. 3 et 4, on a supposé que les résistivités des différentes conduites d'eau étaient pratiquement les mêmes, et peu variables avec le temps; si, exceptionnellement, il n'en est pas ainsi, on peut en tenir compte en utilisant la disposition de la Fig.5, variante de la fig.4 on pourrait appliquer ce principe, de même, à la disposition de la Fig.3.
Pour cette disposition de la Fig.5, la pression différentielle mesurée est la différence entre la pression de chaudière la plus élevée et la pression dtali- mentation la plus faible, celle-ci mesurée avant les régulateurs d'alimentation.
La pression de chaudière la plus élevée est mesurée par la nourrice à clapets 25.
La pression d'alimentation la moins élevée est mesurée par la nourrice à clapets 26, d'un type différent. Chaque alimentation est reliée, cette nourrice par deux orifices; le premier est pratiquement obturé par un pointeau, 27-27', de façon à ne laisser qu'une faible fuite permanente; le second orifice est un clapet à plus grande section, qui ne laisse passer l'eau que de la nourrice vers l'alimen- tation.
Il est facile de voir que la pression à l'intérieur de la nourrice 26 or- respond à tout moment à la pression d'alimentation la plus faible.
Pour le reste, et à titre d'exemple, la disposition de la Fig.5 assure un réglage tel que la pression différentielle mesurée demeure constante.
Les fig.3.4 et 5 ont montré comment on peut simplifier l'installation de
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plusieurs chaudières en ne prévoyant qu'un seul automate général, en négligeant un peu la précision du réglage; les dispositions des fig.10 et 11, qui font sui- vre, simplifient l'installation en utilisant certains organes qui existent sur les régulateurs d'alimentation.
Avant de décrire ces dispositions, on rappellera d'abord sommairement les types principaux des régulateurs d'alimentation, par leur principe seulement.
En fig.6 un flotteur 28 commande directement l'obturateur réglable 3 ; on sait que ce système n'est plus utilisé que pour les chaudières à grand volume d'eau; on l'appelle parfois régulateur à un élément".
La Fig.7 montre un régulateur du type "deux éléments"; l'automate mana. métrique 29 mesure une perte de charge proportionnelle au carré du débit de vapeur et commande l'obturateur 3; il faut que celui-ci soit taillé de façon à régler, sous pression constante, un débit d'eau proportionnel à l'altitude du clapet, le mécanisme formant traducteur pour extraire la ratine carrée de la perte de charge.
Dans ces conditions, le débit est constamment à peu près égal au débit de vapeur; le flotteur 28 par l'intermédiaire du levier 30 apporte de légères cor- rections de débita de façon que le niveau se maintienne à peu près constant.
On notera, pour le moment, que la position en hauteur de l'obturateur 3 mesure le débit d'eau et, approximativement, le débit de vapeur.
Si la pression différentielle au régulateur est trop variable, les cor- rections par le niveau agissent trop fréquement on est alors conduit à compléter le régulateur "deux éléments" par une vanne régulatrice de pression, comme repré- senté en fig.8 On ajoute un automate manométrique 32, qui mesure la différence de pression entre l'amont et' l'aval du régulateur de débit d'eau 3 ; cet automate commande un obturateur variable 31, formant vanne régulatrice de pression.
On notera; pour le moment, que la position en hauteur de la vanne régula- trice de pression mesure la pression différentielle au régulateur.
Enfin, le régulateur "trois éléments" est représenté par la fig 9 comme précédemment, un automate manométrique 29 mesure une perte de charge proportion- nelle au carré du débit de vapeur; mais, de plus, un automate manométrique 33 mesure une perte de charge proportionnelle au carré du débit d'eau.- par le jeu du levier 34, on tend à commander le régulateur de façon que ces débits demeurent égaux en poids.
Les indications du levier 34 sont combinées, grâce au levier 35, aux in- disactins du flotteur 28; en dernière analyse, le mouvement combiné commande l'ob turateur réglable 3, de façon à assurer d'abord l'équilibre des débits d'eau et de vapeur, puis à maintenir le niveau à peu près constant,
On notera, pour le moment, que le régulateur "trois éléments" comprend un élément de mesure du débit d'eau ou, ce qu'on peut aussi bien utiliser pour le réglage de la vitesse, un élément de mesure du débit de vapeur.
Quel que soit le type de régulateur utilisé, il y a toujours avantage à régler la vitesse de la pompe; on trouve une économie d'énergie électrique, l'ui sure de la pompe est réduite, et le fonctionnement du régulateur est amélioré,
Pour le régulateur "à deux éléments de la Fig.8, le réglage de la pres- sion différentielle générale ne supprime pas forcément les vannes individuelles de réglage de la pression différentielle; celles-ci demeurent nécessaires quand les résistivités des circuits sont très grandes et les débits respectifs très inégaux,
L'amélioration due au réglage de la vitesse de la pompe est déjà impor- tante lorsque la pression différentielle au régulateur est constante: elle augmente encore lorsque la pression différentielle est proportionnelle au caré du débit.
On décrira maintenant des exemples de dispositions conformes à l'inventin et qui permettent l'utilisation d'appareils existants, pour le réglage de la vi- tesse de la pompe.
La disposition suivant fig.10 suppose trois générateurs (non figurés);
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le régulateur d'alimentation de chacun, 'quel que soit son type, est accompagné !l'une vanne régulatrice de la pression différentielle au régulateur.
On veut régler à valeur pratiquement constante la pression différentielle la plus forte à l'un quelconque des régulateurs, sans ajouter d'automate manomêtri- que.
Chaque régulatrice de pression, 31 31 31 commande à distance, respec- tivement, un rayon manivelle 37, 37 37"; un arbre général 38 suit le sort de la manivelle qui indique la plus grande ouverture, malgré l'effet dtun ressort antago- niste 24 la tige 21, entraînée par l'arbre général, commande le régleur de vitesse de la pompe.
Comme la régulatrice de pression mesure, par sa position, la pression dif- férentielle au régulateur, on voit que ce mécanisme rêsoud le problème,
En se reportant encore à la Fig.10, on supposera maintenant que chacun des trois générateurs utilise un régulâtes d'alimentation à deux ou trois éléments, sans régulatrice de pression; la loi de réglage ne tient plus compte de la pression différentielle qu'indirectement. Il suffit de commander le tringlage figura par les vannes régulatrices de débit, et non plus par lea vannes régulatrices de pression.
Grâce aux liaisons, mécaniques ou électriques, représentées, le réglage de la vi- tesse de la pompe est commandé par la vanne dont l'ouverture est la plus grande.
La vitesse croît, assez rapidement, quand la vanne s'ouvre, et diminue lentement quand la vanne se ferme; comme pour tout régulateur de ce genre, il faut choisir un statisme convenable et une insensibilité suffisante.
Le réglage de la vitesse s'opère de façon telle que le régulateur le plus ouvert soit constamment en position voisine de la plus grande ouverture, ce qui correspond bien au fonctionnement le plus économique
La disposition suivant Fig.ll, correspond au cas de trois générateurs dont chacun utilise un régulateur de débit 3, 3 ou 3", et une régulatrice de pres- sion 31 31 ou 31 on veut maintenir une pression différentielle suivant la loi générale exposée au début de la présente description.
On trouve ici la solution complète, réalisée aussi bien qu'elle le serait si on prévoyait, pour chaque générateur, un automate manométrique double suivant Fig.l, mais avec cette différence qu'ici aucun automate supplémentaire n'est néces- saire.
Les mouvements combinés de la régulatrice de pression et de la régulatrice de débit commandent un levier flottant, 36, 36 ou 36 le point milieu de ce levier flottant commande à distance un dispositif qui, comme le précédent, entraîne le régleur de vitesse de la pompe par celui des balanciers de comparaison qui demande la plus grande vitesse.
Il faut noter que la position de la régulatrice de pression fournit la mesure de la pression différentielle au régulateur. La position de la régulatrice de débit (à condition qu'elle soit accompagnée d'une régulatrice de pression) four- nit la mesure du débit d'eau vers la chaudière; il est facile de provoquer un dé- placement proportionnel au carré de ce débit.
On voit que cette disposition permet de régler la pression différentielle de façon qutelle soit proportionnelle au carré du débit augmenté d'une constante.
On peut encore utiliser, pour mettre en oeuvre l'invention, d'autres ap- pareils existants dans les installations de générateurs de vapeur; par exemple, on peut utiliser le dêbitmètre de vapeur ou le débitmètre d'eau du régulateur d'ali- mentation, et confronter ses indications à celles d'un manomètre qui mesure la pression différentielle.