FR2622287A1 - Procede et appareil de calcul de la fraction seche de vapeur d'eau - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne la mesure de la fraction sèche de la vapeur d'eau transmise. Elle se rapporte à un procédé grâce auquel la fraction sèche est calculée par utilisation d'un premier débitmètre massique 7 formant un signal représentatif du débit de transmission de fluide au dispositif de traitement, d'un second débitmètre massique 12 formant un signal représentatif du débit de condensat retiré par le séparateur 2, d'un capteur de température 8 destiné à transmettre un signal représentatif de la température du fluide transmis au dispositif de traitement, et d'un processeur 9 de données qui reçoit les précédents signaux. Application à la surveillance des installations consommant de la vapeur d'eau.
Description
La présente invention concerne la mesure de la frac-
tion sèche de vapeur d'eau transmise à des dispositifs de traitement consommant de la vapeur, et en particulier elle concerne un procédé de réalisation de telles mesures et des procédés utilisant la fraction sèche mesurée pour l'obten-
tion d'informations supplémentaires relatives à l'installa-
tion et à la source de vapeur d'eau.
Dans une installation classique consommant de la vapeur d'eau, de la vapeur saturée est transmise par une chaudière à un certain nombre de dispositifs de traitement individuels par l'intermédiaire d'un distributeur principal de vapeur d'eau. Chaque dispositif de traitement prélève de
la vapeur d'eau dans le distributeur principal par l'inter-
médiaire d'un séparateur qui retire la plus grande partie du condensat ou de la fraction humide de la vapeur d'eau et qui laisse celle-ci avec une fraction sèche qui est par exemple comprise entre 0,95 et 0,99. La plus grande partie de la chaleur est alors retirée de la vapeur d'eau dans
l'échangeur de chaleur du dispositif de traitement consi-
déré si bien qu'elle se condense, lorsqu'elle retourne vers la chaudière par l'intermédiaire de la canalisation de
retour de condensat.
En outre, on sait déjà placer un débitmètre et un capteur de température ou-de pression dans la canalisation de vapeur d'eau, entre le séparateur et l'échangeur de chaleur du dispositif de traitement. Les mesures données par ces- instruments sont transmises au calculateur de
débit-énergie qui peut alors estimer le débit de transmis-
sion d'énergie au dispositif de traitement.
Cependant, si ce débit d'utilisation d'énergie doit être mesuré avec précision, la qualité ou fraction sèche de la vapeur d'eau transmise au dispositif de traitement doit
être connue. L'utilisation de procédés classiques de déter-
mination de la fraction sèche d'un courant de vapeur d'eau saturée nécessite l'échantillonnage du courant et soit le calcul de la réduction de pression nécessaire pour que
l'échantillon devienne surchauffé (calorimétrie par étran-
glement), soit la mesure simultanée de la masse volumique et de la température du courant. L'échantillonnage du
fluide peut cependant ne pas être réprésentatif de l'en-
semble du courant et des imprécisions considérables peuvent exister. Ainsi, la présente invention concerne la mise à disposition d'un procédé continu et intégré permettant le calcul de la fraction sèche de l'ensemble du courant de vapeur d'eau transmis à un dispositif de traitement, afin que la valeur calculée de la fraction sèche puisse aussi
être transmise au calculateur de débit-énergie.
Dans un premier aspect, l'invention concerne un procédé de calcul de la fraction sèche d'un fluide transmis
par l'intermédiaire d'un séparateur de vapeur à un disposi-
tif de traitement, le procédé comprenant les étapes sui-
vantes:
la mémorisation de valeurs du rendement du sépara-
teur (tel que défini dans le présent mémoire) pour plusieurs débits massiques de vapeur reçue et de condensat et pour plusieurs températures ou pressions du fluide reçu, la mesure du débit massique et de la température ou de la pression du fluide transmis au dispositif de traitement, la mesure du débit massique de condensat retiré du fluide par le séparateur, la formation d'une relation entre d'une part les débits massiques mesurés et la température ou la pression
mesurée, et d'autre part une valeur mémorisée correspon-
dante du rendement du séparateur, et le calcul de la fraction sèche du fluide transmis au
dispositif de traitement d'après les débits massiques me-
surés et la valeur mémorisée correspondante du rendement du séparateur. Comme il existe une relation fixe et bien connue entre la température et la pression de la vapeur d'eau
saturée, l'un ou l'autre de ces paramètres peut être me-
suré. Cependant, la mesure de température est en général plus précise et moins coûteuse que la mesure de pression;
une telle opération est donc préférable.
Dans le présent mémoire, l'expression "rendement du séparateur" désigne le pourcentage de la composante totale en phase liquide du fluide introduit, qui est retirée par le séparateur. Le rendement est une fonction de la pression du fluide reçu (et en conséquence de sa température), et
des débits massiques de la vapeur d'eau et du condensat.
Dans un second aspect, l'invention concerne un pro-
cédé de calcul du débit avec lequel de l'énergie est trans-
mise à un dispositif de traitement consommateur de vapeur, le dispositif de traitement recevant de la vapeur d'eau par l'intermédiaire d'un séparateur qui retire une partie au moins du liquide qu'elle contient, le procédé comprenant les étapes suivantes: la mesure du débit massique et de la température ou
de la pression du fluide transmis au dispositif de trai-
tement, la mesure du débit massique du liquide retiré par le séparateur, le calcul de la fraction sèche du fluide transmis au
dispositif de traitement, par utilisation des débits mas-
siques mesurés et de la température ou de la pression
mesurée et d'une caractéristique prédéterminée de sépara-
tion du séparateur, et le calcul du débit de transmission d'énergie en
fonction de la fraction sèche calculée.
Dans un troisième aspect, l'invention concerne un
appareil de calcul de la fraction sèche d'un fluide trans-
mis à un dispositif de traitement par l'intermédiaire d'un séparateur de vapeur d'eau, l'appareil comprenant: un premier débitmètre massique destiné à transmettre un signal représentatif du débit avec lequel un fluide est transmis au dispositif de traitement, un second débitmètre massique destiné à transmettre un signal représentatif du débit avec lequel un condensat est retiré par le séparateur, un capteur de température ou de pression destiné à transmettre un signal représentatif de la température ou de la pression du fluide transmis au dispositif de traitement, et un processeur de données destiné à recevoir des signaux transmis par le premier et le second débitmètre massiques et par le capteur de température ou de pression et destiné à calculer la fraction sèche du fluide transmis au dispositif de traitement à l'aide d'une caractéristique
mémorisée de rendement du séparateur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-
tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,
faite en référence aux dessins annexés sur lesquels:
la figure 1 est un diagramme synoptique d'une ins-
tallation consommant de la vapeur d'eau et dans laquelle un procédé selon l'invention est mis en oeuvre; et la figure 2 est un schéma de principe illustrant la mise en oeuvre d'un procédé selon un second aspect de l'invention, pour le calcul du débit de transmission d'énergie à un dispositif de traitement qui consomme de la
vapeur d'eau.
La figure 1 représente un exemple d'installation consommant de la vapeur d'eau, dans laquelle de la vapeur d'eau saturée est transmise par une chaudière à un certain nombre de dispositifs de traitement individuels par un distributeur principal 1 de vapeur d'eau. La vapeur d'eau est transmise par un séparateur 2 à un échangeur de chaleur 3 du dispositif de traitement. La plus grande partie du condensat est retirée de la vapeur du saturée dans le séparateur 2, et la vapeur transmise à l'échangeur 3 de chaleur du dispositif de traitement a une fraction sèche qui est par exemple comprise entre 0,95 et 0,99. La plus grande partie de la chaleur est retirée de la vapeur d'eau dans l'échangeur de chaleur 3 si bien que la vapeur se condense. Le condensat est retiré par l'intermédiaire de pièges 4 à vapeur et revient par l'intermédiaire d'un clapet de retenue 5 dans la chaudière par une canalisation
6 de retour de condensat.
Un débitmètre massique 7 de vapeur d'eau et un capteur de température 8 sont placés dans la canalisation d'entrée de vapeur en aval du séparateur et sont destinés à détecter la température de la vapeur transmise à l'échan- geur de chaleur 3 et le débit de transmission de cette vapeur d'eau. Des signaux de mesure provenant du débitmètre massique 7 et du capteur 8 de température parviennent à un
processeur 9 de données. Un second capteur 10 de tempéra-
ture détecte la température du condensat retiré de l'échan-
geur de chaleur 3 et renvoyé à la chaudière par l'intermé-
diaire de la canalisation 6 de retour. Un signal de mesure
de température provenant du second capteur 10 de tempéra-
ture est aussi transmis au processeur 9.
Le condensat retiré de la vapeur d'eau transmise par le séparateur 2 est renvoyé dans la chaudière par un second
clapet de retenue 11 et la canalisation 6 de retour. Lors-
qu.'il a quitté le séparateur 2, le condensat passe dans un débitmètre massique 12 de condensat et dans un piège 13 de condensat. Le débitmètre massique de condensat et le piège peuvent être constitués par deux capteurs de niveau de liquide 12a, 12b et une électrovanne 13. Ils sont reliés au processeur 9 de données comme indiqué sur la figure 1 de manière que le temps nécessaire pour que le niveau du condensat passe du niveau du capteur inférieur à celui du
capteur supérieur soit utilisé comme mesure du débit mas-
sique de condensat. Lorsque le niveau du condensat atteint le capteur le plus élevé, l'électrovanne est ouverte et le condensat est évacué par le clapet 11 de retenue jusqu'à ce
que le niveau retombe au-dessous de celui du capteur in-
férieur.
Il faut noter que l'ensemble représenté sur la fi-
gure 1 est seulement un exemple d'un certain nombre de dispositifs de traitement qui peuvent être alimentés par une chaudière particulière en pratique, et un séparateur 14 transmettant de la vapeur d'eau à un second'dispositif de
traitement est aussi représenté.
La présente invention est maintenant décrite en référence à la figure 2 des dessins. Les calculs sont réalisés dans le processeur 9 de données qui peut être par exemple le calculateur de débit M200 qui reçoit des signaux de mesure provenant du débitmètre massique 7 de vapeur d'eau, du débitmètre massique 12 de condensat, du capteur 8 de température de la vapeur d'eau et du capteur 10 de
température du condensat.
Cependant, avant que les calculs nécessaires puis-
sent être exécutés, il faut que des détails des caractéris-
tiques de rendement du séparateur soient conservés dans le processeur 9 de données. Le rendement du séparateur dépend de la température de saturation de la vapeur d'eau qui y circule et des débits massiques de la vapeur d'eau et du condensat. Ainsi, avant que l'invention puisse être mise en pratique, le séparateur ou au moins le type particulier de séparateur qui doit être utilisé doit être essayé dans une gamme de températures de vapeur d'eau d'entrée et une gamme de débits massiques de condensat et de vapeur d'eau afin que le rendement du séparateur puisse être mesuré dans ces plages. La caractéristique de rendement est alors conservée dans le processeur 9 de données. Ce processeur 9 conserve aussi des tables d'enthalpie pour les deux phases à toutes
les températures nécessaires de saturation.
Le schéma représenté sur la figure 2 indique les calculs qui sont nécessaires lorsque le débitmètre massique
7 de vapeur d'eau qui est utilisé est un débitmètre compre-
nant un transformateur différentiel variable rotatif tel que décrit dans la demande de brevet n 86.20 931. Dans un tel débitmètre, une mesure du débit massique est tirée de l'angle e d'un obturateur. L'étalonnage du dispositif peut
être tel que tout angle e déterminé de l'obturateur corres-
pond à un débit massique mo0, qui est le débit massique de la vapeur sèche saturée à 100 % à 8 bars, donnant un tel angle de l'obturateur. Ainsi, la valeur m0 qui est mesurée doit être compensée en fonction des différences de pression et de la fraction sèche de la vapeur d'eau circulant dans
le débitmètre.
La température t de la vapeur d'eau, détectée par le capteur 8, correspond à une masse volumique R de la phase vapeur qui peut être lue dans des tables de consultation mémorisées dans le processeur. Si R0 désigne la masse volumique de la phase vapeur à 8 bars, la masse volumique ms de la vapeur sèche saturée à 100 % à la pression de
travail, indiquée par le débitmètre, est tirée de la rela-
tion:
mS= m-VR/RI.
Ensuite, à partir de la caractéristique mémorisée de
rendement du séparateur et à l'aide de la valeur mS cal-
culée précédemment et du débit massique mc du condensat retiré par le séparateur, il est possible de calculer la
fraction sèche Fd du courant de vapeur en amont du sépara-
teur et en aval de celui-ci, cette dernière valeur étant évidemment la fraction sèche de la vapeur d'eau transmise à
l'échangeur de chaleur 3 du dispositif de traitement.
Ensuite, lorsque la fraction sèche de la vapeur d'eau transmise à l'échangeur de chaleur, a été calculée, il est possible d'assurer la compensation due à la fraction sèche du courant afin qu'une valeur plus précise du débit massique de vapeur transmis au dispositif de traitement soit obtenue. En fait, le débit massique total mT est relié à ms calculée précédemment par l'équation: mT = S l/Fd Ainsi, grâce au calcul de la fraction sèche Fd comme indiqué précédemment, on peut obtenir une mesure du débit massique total du fluide transmis au circuit plus précise
qu'il ne serait possible autrement.
Dans une variante, le débitmètre massique 7 de va-
peur d'eau peut être remplacé par un capteur de pression
différentielle qui mesure la perte de charge dans le sépa-
rateur. Un nombre caractéristique est associé à tout rétré-
cissement dans une canalisation de circulation, le coeffi-
cient de réduction de pression ou nombre d'Euler EU. Ce nombre EU est défini par la relation: EU = 2Ap/RV2 (Ap étant la perte de charge, R la masse volumique du
fluide et V la vitesse du courant).
Dans le cas de certains types de séparateurs (par exemple du type à déflecteur), le nombre EU est une cons- tante, si bien que les mesures de Ap, réalisées à l'aide du capteur de pression différentielle, et de la température du fluide (ou de sa pression) et en conséquence de la valeur R tirée des tables de vapeur d'eau saturée, permettent le calcul de la vitesse V du courant de vapeur d'eau (phase gazeuse). Comme les effets d'un courant humide sur Ap sont négligeables, le débit massique de la phase gazeuse peut être calculé de cette manière. Comme décrit précédemment,
ce débit massique, avec le débit massique mesuré de conden-
sat et la caractéristique connue de rendement du séparateur de vapeur, peuvent être utilisés pour la dérivation de la
fraction sèche de la vapeur d'eau transmise.
Lorsque le débit massique total a été calculé avec précision et lorsque la fraction sèche de la vapeur d'eau transmise au dispositif de traitement est connue, le débit de transmission d'énergie au dispositif de traitement Pin peut être calculé d'après la relation: Pin = mT (hfg. Fd + hfa) dans laquelle: hfg est la chaleur spécifique de vaporisation à la température de saturation, et hfa est l'enthalpie spécifique de la phase liquide à
la température de saturation.
En outre, on peut calculer le débit de gaspillage
d'énergie Pwa dû à l'extraction du condensat par le sépara-
teur. Ainsi: Pwa = mc (hfa - hfb) dans laquelle: hfb est l'enthalpie spécifique du condensat à la
température d'alimentation de la chaudière.
En outre, comme le débit massique retiré du disposi-
tif de traitement doit être égal au débit massique transmis au dispositif de traitement dans un système fermé, il est
aussi possible de calculer le débit Pret de renvoi d'éner-
gie par le processeur d'après la relation: Pret = mT' hfc dans laquelle: hfc est l'enthalpie spécifique du condensat à la
température d'extraction du dispositif de traitement.
Ainsi, le débit Pwb de gaspillage de l'énergie par renvoi du condensat à la chaudière est donné par relation:
Pwb = mT (hfc - hfb)-
Ainsi, on peut calculer la consommation d'énergie et le rendement du dispositif de traitement avec un degré de précision bien supérieur à ce qui a été possible jusqu'à
présent.
En outre, si la fraction sèche de la vapeur d'eau transmise par la chaudière est mesurée, il est possible de déterminer si le condensat présent dans le circuit est dû à
une production de la chaudière ou à une mauvaise réalisa-
tion du calorifugeage, des tuyauteries et de l'installa-
tion. Ainsi, l'invention concerne des procédés grâce aux-
quels les défauts de rendement, par exemple une séparation insuffisante et un piégeage dans l'installation dans son
ensemble, sont révélés. Lorsque les sources de ces réduc-
tions de rendement ont été localisées, le rendement de
l'installation peut être accru le cas échéant.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés et appareils qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples
non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (3)
1. Procédé de calcul de la fraction sèche d'un fluide transmis par l'intermédiaire d'un séparateur (2) de vapeur à un dispositif de traitement, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes:
la mémorisation de valeurs du rendement du sépara-
teur (2) pour plusieurs débits massiques de la vapeur d'eau reçue et du condensat et pour plusieurs températures ou pressions du fluide reçu, la mesure du débit massique et de la température ou
de la pression du fluide transmis au dispositif de trai-
tement, la mesure du débit massique de condensat retiré du fluide par le séparateur (2), l'établissement d'une relation entre d'une part les débits massiques mesurés et la température ou la pression mesurée et d'autre part une valeur mémorisée correspondante du rendement du séparateur (2), et le calcul de la fraction sèche du fluide transmis au
dispositif de traitement d'après les débits massiques me-
surés et la valeur mémorisée correspondante du rendement du
séparateur (2).
2. Procédé de calcul du débit de transmission d'énergie à un dispositif de traitement consommant de la vapeur, le dispositif de traitement recevant de la vapeur d'eau par l'intermédiaire d'un séparateur (2) qui retire une partie au moins du liquide qu'elle contient, le procédé
étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes sui-
vantes: la mesure du débit massique et de la température ou
de la pression du fluide transmis au dispositif de trai-
tement, la mesure du débit massique de liquide retiré par le séparateur (2), le calcul de la fraction sèche du fluide transmis au dispositif de traitement, à l'aide des débits mesurés et de
la température ou de la pression mesurée, et d'une caracté-
ristique prédéterminée de séparation du séparateur (2), et le calcul du débit de transmission d'énergie d'après
la fraction sèche calculée.
3. Appareil de calcul de la fraction sèche d'un fluide transmis, par l'intermédiaire d'un séparateur (2) de vapeur, à un dispositif de traitement, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend:
un premier débitmètre massique (7) destiné à trans-
mettre un signal représentatif du débit avec lequel le fluide est transmis au dispositif de traitement,
un second débitmètre massique (12) destiné à trans-
mettre un signal représentatif du débit avec lequel le condensat est retiré par le séparateur (2), un capteur (8) de température ou de pression destiné à transmettre un signal représentatif de la température ou
de la pression du fluide transmis au dispositif de traite-
ment, et -
un processeur (9) de données destiné à,recevoir les signaux transmis par le premier et le second débitmètre massique et par le capteur de température ou de pression et destiné à calculer la fraction sèche du fluide transmis au dispositif de traitement à l'aide d'une caractéristique
mémorisée de rendement du séparateur.
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