Installation de production d'énergie
Les brevets suisse No 366056 et français No 1437467 décrivent des installations de production d'énergie destinées à utiliser la chaleur d'un fluide de température relativement basse, comprenant un générateur de vapeur chauffé par le fluide et alimentant un groupe de turbines, installations dans lesquelles, les turbines de ce groupe étant montées en série, un resurchauffeur de vapeur situé à proximité immédiate du groupe était disposé dans le circuit de vapeur entre deux turbines et chauffé au moins en partie par du liquide dérivé à la sortie d'un économiseur d'entrée du générateur de vapeur. On avait montré l'intérêt d'effectuer au voisinage de la turbine la resurchauffe faite à basse pression en apportant à cet effet la chaleur nécessaire par un débit d'eau prélevé à la sortie d'un économiseur.
La présente invention a pour objet une variante d'un tel agencement, variante intéressant particulièrement le cas où la vapeur est produite dans l'échangeur principal à travers une chaudière à circulation forcée du type à passage direct, ne comportant donc pas de réservoir eauvapeur.
L'installation de production d'énergie faisant l'objet de la présente invention, utilisant la chaleur d'un fluide de température relativement basse, comprend un générateur de vapeur chauffé par le fluide et alimentant un groupe d'au moins deux turbines haute et basse pression montées en série et un resurchauffeur de vapeur disposé à proximité immédiate de ce groupe et chauffé par du liquide dérivé à la sortie d'un économiseur du générateur, et est caractérisée par le fait que le générateur de vapeur est en deux parties disposées respectivement en amont et en aval sur le parcours d'écoulement du fluide chauffant, et en ce que le resurchauffeur comporte au moins un élément d'échange de chaleur communiquant par son admission avec la partie aval et par son évacuation avec la partie amont du générateur.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes de réalisation de l'installation objet de l'invention.
La fig. 1 est un schéma simplifié d'une première forme de réalisation.
La fig. 2 est une représentation semblable d'une seconde forme de réalisation.
La fig. 3 est un schéma d'une variante de la fig. 2.
Suivant la forme de réalisation représentée sur la fig.
1, un générateur de vapeur 1 utilise la chaleur du gaz de refroidissement d'un réacteur nucléaire, le gaz chaud provenant du réacteur (non représenté) étant admis par une tubulure 2 et le gaz refroidi sortant par une tubulure 3. Le générateur de vapeur est divisé en deux parties A et B se succédant dans cet ordre sur le parcours d'écoulement des gaz, la partie aval B étant adaptée à réchauffer l'eau d'alimentation jusqu'à une température un peu inférieure à celle de saturation tandis que la partie aval A est destinée à assurer la vaporisation et la surchauffe.
Des canalisations d'entrée 11 et de sortie 12 concernent la partie aval B; et des canalisations d'entrée 13 et de sortie 14 concernent la partie amont A. La canalisation de vapeur 14 alimente, par l'intermédiaire d'une vanne de réglage 15, une turbine haute pression 16. La vapeur détendue de celle-ci est envoyée, par l'intermédiaire d'un resurchauffeur 17, dans une turbine basse pression 18 comportant des soutirages 19, 20. La vapeur détendue dans la turbine 18 passe dans un condenseur 21. L'eau condensée dans ce dernier est reprise par une pompe d'extraction 22 et dirigée à travers des réchauffeurs 23, 24, respectivement alimentés par les soutirages 20 et 19, dans une bâche-tampon 25 d'où une pompe 26 dirige l'eau dans la canalisation d'entrée 11 de la partie aval B de la chaudière.
La canalisation de sortie 12 de la partie aval B dessert un ballon de transition 30 dans lequel débouche, d'autre part, une canalisation de vapeur surchauffée 31 prise en dérivation sur la conduite de vapeur 14 avec une vanne de réglage 32. Le ballon 30 constitue un dégazeur-réchauffeur d'eau d'alimentation du genre à plateaux par exemple; pour une description plus détaillée d'un tel ballon, on peut se référer par exemple aux pages 32-33 de l'ouvrage Steam Turbine Performance and Economics de R. L. Bartlett - McGraw Hill Ed.
Londres 1948. Le ballon est pourvu, d'autre part, d'un échangeur 33 dont l'entrée est raccordée à une dérivation 34 de la canalisation d'entrée 1 1 comportant un robinet de réglage 35, tandis que sa sortie 36 débouche dans l'espace de vapeur du ballon 30. L'espace de liquide du ballon est raccordé par un conduit 37 à une pompe de circulation 38 dont le refoulement est relié par une canalisation 39 à l'admission d'un élément d'échange de chaleur 40 du resurchauffeur 17. La sortie 41 de ce resurchauffeur 17 est raccordée à l'entrée 13 de la partie amont A de l'échangeur principal. Une dérivation 42, prévue en parallèle sur l'élément d'échange de chaleur 40 du resurchauffeur, est équipée d'un robinet de réglage 43.
L'eau admise en 11 dans la partie aval B de la chaudière s'y trouve réchauffée jusqu'à une température un peu inférieure à celle de saturation de l'eau. L'eau est dirigée ensuite vers le ballon 30 où elle est mélangée avec une petite fraction du débit de vapeur sortant du faisceau A. Dans le ballon, l'eau et la vapeur se trouvent en équilibre. Le réglage en 32 de l'admission de vapeur au ballon assure dans celui-ci la pression et la température désirées. Une certaine quantité d'air dissous est évacuée (non détaillé sur le dessin) vers le condenseur 21.
L'eau reprise dans le ballon par la pompe de circulation 38 est envoyée par celle-ci vers le resurchauffeur 17 au voisinage des turbines. Après passage dans le resurchauffeur, l'eau retourne dans la chaudière pour être à nouveau réchauffée, puis vaporisée et surchauffée dans la partie amont A. En agissant sur le débit d'eau admis dans la dérivation 42 du resurchauffeur, on peut régler la température de resurchauffe et la température de retour d'eau à l'échangeur principal.
Le ballon 30 ainsi disposé assure le dégazage de l'eau avant son passage dans le circuit de vaporisation.
Par ailleurs, il sert de ballon de démarrage.
En effet, pendant toute la période de resurchauffe et de montée en température de la chaudière, l'eau ou la vapeur produite est dirigée en totalité vers ce ballon (ouverture complète de 32 et fermeture de 15) tant que les caractéristiques de pression et de température ne permettent pas son admission à la turbine.
Les avantages du dispositif décrit ressortent de ses différentes fonctions:
- la température de l'eau de resurchauffe peut être
maintenue constante, quelle que soit la charge de
l'installation;
- le dégazage de l'eau est assuré à toutes charges
dans de bonnes conditions, la pression de déga
zage pouvant être maintenue constante ou conser
ver une valeur suffisante suivant le mode de régu
lation de l'installation;
- le circuit annexe nécessaire au démarrage de l'ins
tallation se trouve simplifié.
La présence du ballon donne, en outre, davantage de souplesse de fonctionnement à l'installation.
Le circuit 33, 34 prévu en dérivation sur la partie aval B de l'échangeur permet en effet de dériver une fraction de l'eau d'alimentation dans le ballon. On peut faire varier ainsi le rapport de la chaleur prise par les parties amont et aval de l'échangeur et agir en conséquence sur la surchauffe de la vapeur.
Dans la fonne de réalisation et dans la variante des fig. 2 et 3, le ballon de transition est utilisé comme générateur de vapeur basse pression. La chaleur nécessaire à la vaporisation de la vapeur basse pression est fournie, dans ces conditions, par l'eau en provenance du resurchauffeur. On réalise ainsi un cycle de vapeur à deux étages de pression et une resurchauffe. On sait que le rendement de tels cycles est élevé.
Cette disposition est particulièrement intéressante pour les centrales nucléaires intégrées. Dans ces installations, la traversée de l'enceinte sous pression par les tuyauteries de vapeur pose des problèmes difficiles, en particulier lorsqu'il s'agit de tuyauteries de gros diamètres nécessitées pour la vapeur à basse pression. Cette sujétion exclut pratiquement la possibilité de réaliser directement dans les échangeurs principaux les deux étages de pression. La présente installation résout cette difficulté.
Dans la forme de réalisation de la fig. 2, la partie B qui est en aval sur la circulation du fluide chauffant est alimentée par la pompe d'alimentation 26 qui refoule dans la tuyauterie 1 1 I'eau aspirée dans un dégazeur 45.
Ce dégazeur 45 est lui-même alimenté d'une part par le poste d'eau 44 qui reçoit l'eau condensée introduite par la pompe d'extraction 22, des soutirages 19 et 20 sur la turbine basse pression 18.
A la sortie des éléments B, l'eau réchauffée est en totalité envoyée par 12 dans l'élément 40 du resurchauffeur 17 avant de parvenir par 47 au ballon de détente 48.
Par détente dans le ballon 48, l'eau provenant du resurchauffeur 17 se vaporise partiellement. La pression dans le ballon 48 est réglée à un niveau voisin de la pression de vapeur sortant de la turbine haute pression 16.
Une liaison 49 permet le mélange de ces deux flux de vapeur. Ce mélange passe ensuite dans un second élément 50 du resurchauffeur 17 avant d'être introduit dans la turbine basse pression 18.
La partie amont A de l'échangeur est alimentée à partir du ballon 48 par la pompe 51. Elle fournit la vapeur qui alimente la turbine haute pression 16.
Comme on le voit, le débit total de l'eau traversant l'échangeur B passe dans le resurchauffeur 17 avant de parvenir au ballon 48 pour passer dans le circuit de vaporisation de l'échangeur A.
Dans la variante de la fig. 3, l'ensemble de l'installation est le même que dans la fig. 2: échangeur en deux parties A et B, resurchauffeur 17 à éléments 40 et 50.
Mais l'eau provenant de l'élément 40 du resurchauffeur au lieu d'être envoyée par 47 dans un ballon de détente 53 passe dans un échangeur tubulaire 54.
Cet échangeur 54 est disposé dans le ballon 53, lequel est alimenté en eau d'autre part à partir du dégazeur 45 par la pompe basse pression 55 et le conduit 56. Cette eau est réchauffée, puis vaporisée dans le ballon 53.
La vapeur produite est mélangée à la vapeur détendue sortant de la turbine haute pression 16 et le mélange est resurchauffé en 50 dans le resurchauffeur 17, avant son entrée dans la turbine basse pression 18. L'alimen tation en eau du ballon 53 est réglée par 57 de façon à maintenir un niveau constant dans le ballon 53.
Dans d'autres variantes, on pourrait envisager, par exemple, une resurchauffe complémentaire par de la vapeur vive ou plusieurs resurchauffes selon les dispositions du brevet français déjà mentionné. On pourrait également prévoir, dans tous les autres cas, un by-pass de resurchauffe côté eau ou encore une disposition en parallèle, côté eau, du surchauffeur et du ballon de transition.
Energy production facility
Swiss Patents No 366056 and French Patents No 1437467 describe energy production installations intended to use the heat of a fluid of relatively low temperature, comprising a steam generator heated by the fluid and supplying a group of turbines, installations in which , the turbines of this group being connected in series, a steam resuperheater located in the immediate vicinity of the group was placed in the steam circuit between two turbines and heated at least in part by liquid derived from the outlet of an economizer of steam generator inlet. The interest had been shown to carry out the reheating at low pressure in the vicinity of the turbine, supplying the necessary heat for this purpose by a flow of water taken from the outlet of an economizer.
The subject of the present invention is a variant of such an arrangement, a variant of particular interest in the case where the steam is produced in the main exchanger through a forced circulation boiler of the direct passage type, therefore not comprising a water-steam tank.
The energy production installation forming the subject of the present invention, using the heat of a fluid of relatively low temperature, comprises a steam generator heated by the fluid and supplying a group of at least two high turbines and low pressure connected in series and a steam reheater arranged in the immediate vicinity of this group and heated by liquid derived from the outlet of an economizer of the generator, and is characterized by the fact that the steam generator is in two parts arranged respectively upstream and downstream on the flow path of the heating fluid, and in that the reheater comprises at least one heat exchange element communicating by its inlet with the downstream part and by its outlet with the upstream part of the generator.
The appended drawing represents, by way of example, two embodiments of the installation which is the subject of the invention.
Fig. 1 is a simplified diagram of a first embodiment.
Fig. 2 is a similar representation of a second embodiment.
Fig. 3 is a diagram of a variant of FIG. 2.
According to the embodiment shown in FIG.
1, a steam generator 1 uses the heat from the cooling gas of a nuclear reactor, the hot gas coming from the reactor (not shown) being admitted through a pipe 2 and the cooled gas leaving through a pipe 3. The steam generator is divided into two parts A and B succeeding each other in this order on the gas flow path, the downstream part B being adapted to heat the feed water to a temperature a little lower than that of saturation while the downstream part A is intended to ensure vaporization and overheating.
Inlet 11 and 12 outlet pipes relate to the downstream part B; and the inlet 13 and outlet 14 pipes relate to the upstream part A. The steam pipe 14 feeds, via a control valve 15, a high pressure turbine 16. The expanded steam therefrom is sent, via a reheater 17, into a low pressure turbine 18 comprising withdrawals 19, 20. The steam expanded in the turbine 18 passes into a condenser 21. The water condensed in the latter is taken up by a pump extraction 22 and directed through heaters 23, 24, respectively supplied by withdrawals 20 and 19, in a buffer tank 25 from which a pump 26 directs the water into the inlet pipe 11 of the downstream part B of the boiler.
The outlet pipe 12 of the downstream part B serves a transition tank 30 into which emerges, on the other hand, a superheated steam line 31 taken as a bypass on the steam line 14 with a control valve 32. The tank 30 constitutes a feedwater degasser-heater of the tray type, for example; for a more detailed description of such a balloon, reference may be made, for example, to pages 32-33 of the book Steam Turbine Performance and Economics by R. L. Bartlett - McGraw Hill Ed.
London 1948. The balloon is provided, on the other hand, with an exchanger 33 whose inlet is connected to a bypass 34 of the inlet pipe 1 1 comprising an adjustment valve 35, while its outlet 36 opens into the vapor space of the balloon 30. The liquid space of the balloon is connected by a pipe 37 to a circulation pump 38 whose discharge is connected by a pipe 39 to the inlet of a heat exchange element 40 of the reheater 17. The outlet 41 of this reheater 17 is connected to the inlet 13 of the upstream part A of the main exchanger. A bypass 42, provided in parallel on the heat exchange element 40 of the reheater, is equipped with an adjustment valve 43.
The water admitted at 11 into the downstream part B of the boiler is reheated there to a temperature a little lower than that of saturation of the water. The water is then directed to the flask 30 where it is mixed with a small fraction of the steam flow exiting the bundle A. In the flask, the water and the steam are in equilibrium. The adjustment at 32 of the steam admission to the balloon ensures therein the desired pressure and temperature. A certain quantity of dissolved air is evacuated (not detailed in the drawing) towards the condenser 21.
The water taken up in the tank by the circulation pump 38 is sent by the latter to the reheater 17 in the vicinity of the turbines. After passing through the reheater, the water returns to the boiler to be reheated again, then vaporized and superheated in the upstream part A. By acting on the water flow admitted into the bypass 42 of the reheater, the temperature can be adjusted. re-superheating and the return water temperature to the main exchanger.
The balloon 30 thus disposed ensures the degassing of the water before it passes through the vaporization circuit.
In addition, it serves as a starter balloon.
Indeed, throughout the period of re-superheating and the rise in temperature of the boiler, the water or steam produced is directed entirely to this tank (full opening of 32 and closing of 15) as long as the pressure and temperature characteristics temperature do not allow its admission to the turbine.
The advantages of the device described emerge from its various functions:
- the temperature of the re-superheating water can be
kept constant, whatever the load of
installation;
- degassing of the water is ensured at all charges
under good conditions, the dega
zage can be kept constant or conser
to a sufficient value depending on the control mode
lation of the installation;
- the auxiliary circuit necessary to start the ins
installation is simplified.
The presence of the balloon also gives more operating flexibility to the installation.
The circuit 33, 34 provided as a bypass on the downstream part B of the exchanger makes it possible to divert a fraction of the feed water in the balloon. It is thus possible to vary the ratio of the heat taken up by the upstream and downstream parts of the exchanger and act accordingly on the superheating of the steam.
In the embodiment and in the variant of FIGS. 2 and 3, the transition tank is used as a low pressure steam generator. The heat necessary for the vaporization of the low pressure steam is supplied, under these conditions, by the water coming from the reheater. A two-stage pressure steam cycle and re-superheating are thus carried out. It is known that the efficiency of such cycles is high.
This arrangement is particularly advantageous for integrated nuclear power plants. In these installations, the passage of the pressure vessel by the steam pipes poses difficult problems, in particular when it comes to pipes of large diameters required for low pressure steam. This subjection practically excludes the possibility of producing the two pressure stages directly in the main exchangers. The present installation solves this difficulty.
In the embodiment of FIG. 2, the part B which is downstream on the circulation of the heating fluid is supplied by the feed pump 26 which delivers the water sucked into a degasser 45 in the pipe 1 1.
This degasser 45 is itself supplied on the one hand by the water station 44 which receives the condensed water introduced by the extraction pump 22, from the withdrawals 19 and 20 on the low pressure turbine 18.
At the outlet of the elements B, the reheated water is entirely sent through 12 into the element 40 of the reheater 17 before reaching the expansion tank 48 through 47.
By expansion in the balloon 48, the water coming from the reheater 17 partially vaporizes. The pressure in the balloon 48 is adjusted to a level close to the steam pressure leaving the high pressure turbine 16.
A link 49 allows the mixing of these two streams of vapor. This mixture then passes into a second element 50 of the reheater 17 before being introduced into the low pressure turbine 18.
The upstream part A of the exchanger is fed from the balloon 48 by the pump 51. It supplies the steam which feeds the high pressure turbine 16.
As can be seen, the total flow rate of water passing through exchanger B passes through reheater 17 before reaching the tank 48 to pass into the vaporization circuit of exchanger A.
In the variant of FIG. 3, the whole installation is the same as in fig. 2: exchanger in two parts A and B, reheater 17 with elements 40 and 50.
But the water coming from the element 40 of the reheater instead of being sent by 47 into an expansion tank 53 passes through a tubular exchanger 54.
This exchanger 54 is placed in the tank 53, which is supplied with water on the other hand from the degasser 45 by the low pressure pump 55 and the pipe 56. This water is heated, then vaporized in the tank 53.
The steam produced is mixed with the expanded steam leaving the high pressure turbine 16 and the mixture is re-superheated at 50 in the reheater 17, before entering the low pressure turbine 18. The water supply to the tank 53 is regulated by 57 so as to maintain a constant level in the ball 53.
In other variants, it would be possible to envisage, for example, an additional reheating by live steam or several reheating according to the provisions of the French patent already mentioned. In all other cases, provision could also be made for a re-superheating bypass on the water side or even a parallel arrangement, on the water side, of the superheater and the transition tank.