CA2264898C - Procede de conduite d'une chaudiere a circulation forcee et chaudiere pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Abstract

La chaudière comporte au moins un premier échangeur de chaleur (10) dont l'entrée est reliée à une conduite d'alimentation en eau (18) et dont la sortie est reliée, à travers une première vanne de réglage (30) à une turbine à vapeur, soit directement, soit à travers un second échangeur de chaleur (12). Pendant la phase de démarrage la vanne de réglage (30) est fermée et aussi longtemps que le fluide à la sortie du premier échangeur (10) est un mélange d'eau et de vapeur, on transforme,par condensation, toute la vapeur en eau et on n'ouvre la vanne de réglage (30) que lorsque le fluide à la sortie du premier évaporateur est de la valeur pure.

Description

101520253035WO 98/10222CA 02264898 1999-02-26PROCEDE DE CONDUITE D'UNE CHAUDIERE A CIRCULATIONFORCEEVET CHAUDIERE POUR SA MISE EN OEUVRELa présente invention concerne un procédé de conduite d'unechaudiére é circulation forcée, notamment pour une turbine 51 vapeur,ladite chaudiére comprenant au moins un premier échangeur dechaleur dont |'entrée est reliée 2‘: une conduite d'alimentation en eauet dont la sortie est reliée, é travers une vanne de réglage, soit al‘entrée d‘un second échangeur de chaleur, dont la sortie est reliée ela turbine :21 vapeur, soit directement e la turbine é vapeur. L'inventionconcerne également une chaudiere pour la mise en oeuvre de ceprocédé.L‘invention, sans y étre limitée, vise plus particuliérement Ieschaudieres alimentant des turbines é vapeur utilisées dans lescentrales thermiques de production d'électricité. Ces centralescomportent, en effet, une chaudiere produisant de la vapeur souspression qui actionne une turbine é vapeur entrainant un générateurd'électricité.La chaudiére peut étre chauffée par un bruleur qui brfile uncombustible fossile ou un combustible issu de l'industrie. La chaudiérepeut également étre une chaudiere de récupération utilisée dans unecentrale thermique dite é cycle combiné. Dans ce type de centrale, uncombustible, par exemple gaz naturel ou fuel, est brfllé dans uneturbine :21 gaz entrainant un générateur d'électricité. Les gazd‘échappement de cette turbine é gaz, importants en volume et richesen énergie calorifique, sont récupérés dans une chaudiére dite derécupération pour produire de la vapeur sous pression qui entraine,par l'intermédiaire d'une turbine :33 vapeur, un générateur d'électricité.La vapeur sous pression produite dans la chaudiere, au lieud‘actionner une turbine, peut éventuellement étre utilisée pourd'autres besoins.Ces chaudiéres comportent toujours des échangeurs de chaleurfonctionnant en évaporateur (de l'eau) ou en surchauffeur (de lavapeur) disposés horizontalement ou verticalement dans un flux degaz chauds. Suivant leur type de chauffe, leur arrangement, leurprincipe de fonctionnement, etc..., on peut distinguer plusieurs typesde chaudieres.PCT/BE97l00098CA 02264898 1999-02-26W0 98/ 10222 PCT/BE97/00098101520253035Dans une chaudiére dite a circulation naturelle, l‘eau esttransformée progressivement en vapeur dans un évaporateur ou l'eauet le mélange eau/vapeur circulent par difference de densité l‘un parrapport alequel la vapeur produite dans |'évaporateur est chauffée a la|'autre. L'évaporateur est suivi d'un surchauffeur danstemperature désirée. Etant donné que le principe de fonctionnementest basé sur la différence de densité de l'eau et de la vapeur a unetempérature et une pression données, ces chaudiéres ne peuvent pasfonctionner quand cette difference devient trop faible, c‘est—a—direquand Ia pression augmente. Ce principe de fonctionnement ne peutfonctionner qu'a des pressions inférieures a 150 a 160 bars.Les chaudieres a circulation assistée comportent égalementplusieurs échangeurs, mais ici l'eau et la vapeur circulent dansl'évaporateur sous l'effet d'une force extérieure, par exemple d'unepompe. Les chaudieres a circulation assistée peuvent fonctionner ades pressions plus élevées que celles a circulation naturelle mais,lorsque la pression se rapproche trop de la pression critique qui sesitue a 221,2 bars, il n‘est plus possible de séparer efficacement l'eauet la vapeur pour permettre un fonctionnement normal de l'insta||ationsi bien que le principe de la circulation assistée est limité a despressions inférieures a environ 180 bars.ll faut en effet rappeler que, aussi bien Ies chaudiéres acirculation naturelle que celles a circulation assistée, comportent,entre |'évaporateur et Ie surchauffeur, un séparateur ou ballonnécessaire a séparer la vapeur de l'eau, car Ie surchauffeur et,surtout, la turbine ne fonctionnent qu'avec de la vapeur. Dans ceséparateur, l'eau est séparée par gravité de la vapeur et renvoyéedans |'évaporateur ou elle effectue donc plusieurs passages.Si ces deux types de chaudiéres sont limités du point de vuepression, il est, en revanche, bien connu que le rendement d'uneturbine a vapeur est d'autant meilleur que la pression de la vapeur estplus élevée. C‘est la raison pour laquelle la majorité des centralesthermiques classiques utilise une chaudiére dite a circulation forcee ouplus souvent désignée par le terme anglais “once through" qui, enfait, décrit mieux ce type de chaudiere étant donné que l‘eau y estchauffée, transformée en vapeur et enfin surchauffée lors d'un seul101520253035WO 98/10222CA 02264898 1999-02-26passage dans la chaudiére. ll n'y a plus ici de distinction précise entreles différents types d'échangeurs. La chaudiére peut ne comporterqu'un seul échangeur, l'eau rentrant d'un coté, la vapeur surchaufféesortant de |'autre, sans présenter de bouclage intérieur.La tendance actuelle des centrales a cycle combiné est unemontée en puissance des turbines a gaz, une augmentation destempératures des fumées d'échappement et le passage en mode decirculation forcée de la chaudiere de récupération de chaleur. ll est\alors possible de produire de la vapeur a tres haute pression, ycompris en pression super critique.\Si, en marche stabilisée, ces chaudieres a circulation forcéepouvaient se passer du séparateur, elles ne peuvent s'en passer lorsde la phase de démarrage, car cette phase exige toujours uneséparation de l'eau et de la vapeur vu que les organes de réglages telsque Ies détendeurs ne peuvent fonctionner avec un fluide diphasiqueconstitué d'un mélange de vapeur et d‘eau.Pendant cette phase de démarrage, l'eau parcourt la premierepartie de l'échangeur jusqu'au séparateur ou l'eau et la vapeur sontséparées par gravité. L'eau est drainée du séparateur vers uncondenseur ou autre réservoir, tandis que la vapeur parcourt ladeuxieme partie de l'échangeur pour subir une surchauffe. Pendantcette phase de démarrage, le séparateur est dit en fonctionnementhumide.Au fur et a mesure de la montée des températures et pressions,Ie séparateur recoit de moins en moins d'eau et a la fin de la phase dedémarrage, il ne recoit plus que de la vapeur et devient un élémentinerte. ll est dit alors en fonctionnement sec et le restera pendant Iamarche stabilisée.Le séparateur est un réservoir soumis a haute pression et a hautetempérature.ll s'agit donc d'un élément cofiteux qui, de plus,introduit des contraintes de fonctionnement dues aux fortesépaisseurs de paroi mises en jeu. En marche stabilisée, non seulementc‘est un élément superflu, mais il provoque, en outre, des pertes decharge du coté eau/vapeur, altérant Ie rendement de l'instal|ation.Le but de la présente invention est de prévoir un nouveauprocédé de conduite d'une chaudiere a circulation forcée ainsi qu'unePCT/BE97/000981015202530CA 02264898 1999-02-26la vapeur surchauffée sortant de l'autre, sans présenter debouclage intérieur.La tendance actuelle des centrales a cyclecombiné est une montée en puissance des turbines a gaz, uneaugmentation des temperatures des fumées d'échappement etle passage en mode de circulation forcée de la chaudiére derécupération de chaleur. Il est alors possible de produirede la vapeur a trés haute pression, y compris en pressionsuper critique.Le document DE 4303613 Al décrit une chaudiére acirculation forcée comprenant un séparateur vapeur—eauliquide qui, lors du démarrage et lors de la marchestabilisée de la chaudiére sépare la vapeur du fluidediphasique sortant de l'évaporateur pour drainer celle-civia un surchauffeur vers la turbine.La particularité de cette forme d'exécutionconsiste a utiliser un séparateur vapeur-liquide, méme enfonctionnement normal de la chaudiére, si bien que lachaudiére peut également fonctionner a bas régime, c'est—a—dire selon un régime a circulation assistée.Le document JP-02016119 décrit une chaudiére acirculation forcée "once through" qui comprendl'utilisation dlun ballon de séparation pour séparer laphase vapeur et la phase eau—liquide du mélange diphasiquesortant de l'évaporateur de la chaudiére lors du démarragede l'installation. Suivant la pression atteinte par lavapeur, celle-ci est soit recondensée, soit drainée versla turbine.Le document US-3,292,372 décrit une chaudiére acirculation forcée dans laquelle la phase vapeur estséparée de la phase liquide (l'eau) au moyen d'une unité1015202530CA 02264898 1999-02-26de séparation qui est disposée a l'entrée du boiler de lachaudiére. La phase liquide est recirculée directement ou\indirectement a l'entrée de la chaudiere, pendant que laphase vapeur est drainée vers un surchauffeur.Enfin, le document US-3,135,096 décrit unechaudiére a circulation forcée "once through" qui comprenddeux séparateurs vapeur—liquide ofi l'eau et la vapeur sontséparées par gravité. Un premier séparateur (nonillustré) est disposé apres l'évaporateur pour recirculerl'eau non vaporisée via un mélangeur a l'entrée del'évaporateur et pour drainer l'autre fraction du fluidevers le surchauffeur de la chaudiére.Le deuxiéme séparateur vapeur—eau/liquide estmonté en by-pass par rapport aux turbines del'installation, et en principe, n'est utilisé que lors dudémarrage de l'installation. Ce séparateur sépare laphase liquide (l'eau) et la phase vapeur du fluidediphasique sortant du surchauffeur.La phase liquide (l'eau) est drainée vers uncondenseur et la phase vapeur est drainée au moyen detrois régulateurs et controleurs de pression soit vers undésaérateur, soit via un échangeur de chaleur vers cedésaérateur ou- encore vers un condenseur avant deretourner a l'entrée de l'économiseur de la chaudiére.Si, en marche stabilisée, ces chaudiéres acirculation forcée pouvaient se passer du séparateur,elles ne peuvent s'en passer lors de la phase dedémarrage, car cette phase exige toujours une séparationde l'eau et de la vapeur vu que les organes de réglagestels que les détendeurs ne peuvent fonctionner avec un101520253035WO 98/10222CA 02264898 1999-02-26turbine a vapeur non représentée. La pression dans le circuit dusurchauffeur 12 est contrélée par une vanne de détente 34 sous lacommande d'un manométre 36 pendant la phase de démarrage, et parla turbine :22 vapeur en marohe stabilisée.L'une des particularités qui caractérise le circuit de la chaudiéreselon Ia présente invention est une conduite 38 en by-pass entre laconduite d'entrée 18 et la conduite de sortie 24 de l'évaporateur etqui permet le mélange d'une quantité contrélée d'eau "froide" avec Iemélange diphasique produit par l'évaporateur pendant la phase dedémarrage de la chaudiere. Le débit d'eau dans la conduite 38 estréglé par une vanne de réglage 40 sous la commande d'unthermometre 42 mesurant la température en aval de la conduite 38.On va maintenant décrire le fonctionnement de la chaudiéreschématisée sur la figure. Avant le démarrage de la turbine a gaz,l'évaporateur est pressurisé 2 une pression compatible avec latempérature des gaz de la turbine. Cette pression qui est controlée parla vanne de détente 26 peut étre inférieure a la pression nominale (parexemple 100 bars). Un débit minimal (par exemple 30%) est assurépar la pompe 16 et réglé par la vanne 20 avec retour vers lecondenseur a travers la vanne de détente 26. La vanne de réglage 30est a ce moment fermée et le surchauffeur 12 est isolé du circuit del'évaporateur 10.La turbine at gaz est alors démarrée et stabilisée a une chargetelle que la température des gaz d'échappement soit supérieured'environ 100°C a la température de saturation dans l'évaporateur10, soit a environ 400°C pour la pression choisie.La température de |'eau a la sortie de l'évaporateur 10 au pointA augmente rapidement jusqu'a la température de saturation et sestabilise ensuite au palier de l'évaporation. Lorsque cette températureest presque atteinte au point B, le thermométre 42 commande|'ouverture progressive de la vanne 40 pour permettre l'écoulement,vers Ia conduite 24, d'un débit réglé d'eau "froide" de maniére que latempérature soit inférieure a la température de saturation (parexemple 300°C). Ainsi, la vapeur qui commence a se former dansl'évaporateur 10 a partir de la température de saturation setransforme, par cet apport d'eau "froide", en eau, si bien que la vannePCT/BE97I00098101.520253035WO 98/10222CA 02264898 1999-02-26de détente 26 reste toujours en eau a son entree (avec un melangeeau/vapeur, elle ne pourrait pas fonctionner) et garde sa capacite deréglage.Au fur et a mesure de l'évaporation, la proportion de vapeuraugmente au detriment de la proportion d'eau a la sortie de|'évaporateur 10. Par conséquent, la vanne 40, sous la commande duthermometre 42, s'ouvre davantage pour permettre l'apport de laquantite d'eau necessaire z‘a la condensation de toute la vapeur et afinque la temperature en B soit maintenue en-dessous de la temperaturede saturation. Ce scenario dure jusqu'a ce qu'il n'y ait plus d'eau a lasortie de l'évaporateur.A partir de ce moment, la temperatureaugmente a nouveau par suite d'une surchauffe de la vapeur.L’absence d'eau a la sortie de l'evaporateur est donc aisémentreperable par une augmentation de la temperature en A. Cettedetection est utilisée pour ouvrir progressivement la vanne 30 pourdévier la vapeur 30 vers le surchauffeur 12 et pour fermerprogressivement la vanne 40 et la vanne de détente 26.La vapeur est maintenant surchauffée 2. la temperature souhaitéedans l'echangeur 12 dont la pression est controlée par la vanne dedétente 34. Lorsque la vanne de reglage 30 est completementouverte, ou éventuellement court-circuitée par un by-pass, |'entiéretédu débit traverse les deux echangeurs, ce qui termine la phase dedémarrage et débute la marche stabilisée.A partir de ce moment, la charge de la turbine 53 gaz peut étreaugmentée. Le debit d'eau sera regle par les temperatures de lavapeur aux sorties de l'evaporateur 10 et du surchauffeur 12 et lavanne de détente 34 augmente la pression jusqu'e‘a la valeur nominale.En marche stabilisée, la temperature de la vapeur e la sortie del‘évaporateur garde une legere surchauffe de l'ordre de 50°C.La temperature finale de la vapeur a la sortie de la chaudiere seratelle que demandee 2‘: l'allure nominale ou peut etre contrélée par unéventuel désurchauffeur supplementaire pour les charges partielles oude pointe.Le fonctionnement decrit ci—dessus est valable pour une pressionnominale d'uti|isation super-critique ou non. ll peut également étreutilise pour des pressions relativement faibles.PCT/BE97/00098CA 02264898 1999-02-26W0 98/ 10222 PCT /BE97/0009881 la température de chauffe est particuliérement faible, Iesystéme de transformation de la vapeur en eau lors du démarragepeut étre transposé en sortie de chaudiére qui, dés lors, necomporterait plus qu'un seul échangeur.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Procédé de conduite d'une chaudière à
circulation forcée, notamment pour une turbine à vapeur, la chaudière comprenant au moins un premier échangeur de chaleur (10) dont l'entrée est reliée à une conduite d'alimentation en eau, dite conduite d'entrée (18) et dont la sortie est reliée, à
travers une vanne de réglage (30), soit à l'entrée d'un second échangeur de chaleur (12), dont la sortie est reliée à la turbine à vapeur, soit directement à la turbine à vapeur, caractérisé en ce que :
- pendant une phase de démarrage, la vanne de réglage (30) est fermée ;
- aussi longtemps que le fluide à la sortie du premier échangeur (10) est un fluide diphasique constitué d'un mélange d'eau et de vapeur, on provoque la condensation de ce fluide diphasique en eau liquide, par mélange dudit fluide avec de l'eau d'alimentation et sans séparation préalable des phases gazeuse et liquide dudit fluide, la quantité d'eau d'alimentation nécessaire à la condensation dudit fluide étant régulée par rapport à la température du fluide en aval d'un point de jonction d'une conduite de sortie (24) et d'une conduite en by-pass (38) entre la conduite d'entrée (18) et la conduite de sortie (24) du premier échangeur (10), de manière à ce que, pendant la phase de démarrage, cette température reste inférieure à la température de saturation ;
- lorsque le fluide à la sortie du premier échangeur (10) est de la vapeur pure, on ouvre progressivement la vanne de réglage (30).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'eau de condensation est recyclée vers l'entrée du premier échangeur de chaleur, via un condenseur et une pompe (16).

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le second échangeur de chaleur (12) est isolé du circuit du premier échangeur de chaleur (10) lors de la phase de démarrage jusqu'à ce que le fluide à la sortie du premier évaporateur soit de la vapeur pure.

4. Chaudière à circulation forcée, notamment, pour turbine à vapeur, comprenant au moins un premier échangeur de chaleur (10) dont l'entrée est reliée à une conduite d'alimentation en eau, dite conduite d'entrée (18) et dont la sortie est reliée, à travers une première vanne de réglage (30), à une turbine à vapeur, soit directement, soit à travers un second échangeur de chaleur (12), caractérisée en ce que :
- la sortie du premier échangeur (10) est reliée à la conduite d'alimentation en eau (18) au moyen d'une conduite (38) en by-pass entre la conduite d'entrée (18) et une conduite de sortie (24) du premier échangeur (10), comprenant une seconde vanne de réglage (40) pour mélanger une quantité contrôlée d'eau "froide" avec le fluide diphasique produit par le premier échangeur (10) pendant une phase de démarrage et ;
- un thermomètre (42) commande l'ouverture progressive de la seconde vanne de réglage (40) pour permettre l'écoulement vers la conduite de sortie (24) d'un débit réglé d'eau « froide », de manière à ce que, pendant la phase de démarrage, la température en aval d'un point de jonction de la conduite de sortie (24) et de la conduite (38) en by-pass reste inférieure à la température de saturation.

5. Chaudière à recirculation forcée selon la revendication 4, caractérisée en ce que la sortie du premier échangeur (10) est reliée à une vanne de détente (26) située en aval du point de jonction de la conduite de sortie (24) et de la conduite en by-pass (38) pour contrôler la pression à
l'intérieur du premier échangeur de chaleur (10).

6. Chaudière à circulation forcée selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'un condenseur est disposé
en aval de ladite vanne de détente (26) et en ce qu'une pompe (16) fait recirculer l'eau condensée vers l'entrée du premier échangeur de chaleur (10).