WO1993023702A1 - Chaudiere de recuperation de chaleur a circulation induite - Google Patents

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WO1993023702A1
WO1993023702A1 PCT/BE1993/000022 BE9300022W WO9323702A1 WO 1993023702 A1 WO1993023702 A1 WO 1993023702A1 BE 9300022 W BE9300022 W BE 9300022W WO 9323702 A1 WO9323702 A1 WO 9323702A1
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boiler
water
ejector
circulation
steam generation
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PCT/BE1993/000022
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Alfred Dethier
Original Assignee
Cockerill Mechanical Industries S.A.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/1807—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines
    • F22B1/1815—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines using the exhaust gases of gas-turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B29/00—Steam boilers of forced-flow type
    • F22B29/04—Steam boilers of forced-flow type of combined-circulation type, i.e. in which convection circulation due to the difference in specific gravity between cold and hot water is promoted by additional measures, e.g. by injecting pressure-water temporarily

Definitions

  • the invention relates to a heat recovery boiler in which the circulation of water is ensured without recourse to the thermo-siphon effect.
  • Heat recovery boilers necessarily include means for ensuring the circulation of fluids. They find industrial application in so-called combined cycle power plants, as well as in so-called cogeneration plants, for the simultaneous production of electricity and steam.
  • the boilers are supplied with water by means of a feed pump. They include one or more steam generation circuits, each comprising an evaporator device and a water / steam separation tank. These are connected to each other by pipes where water begins to circulate, followed by a water / steam mixture.
  • Several steam generation circuits can be installed in a boiler in order to supply steam with different pressures and thus improve the overall efficiency of the installation.
  • the latter consists of finned tube circuits mounted vertically or horizontally depending on the case, and installed in a flow of hot gases originating, for example, from a gas turbine.
  • each device the evaporator is supplied with water from the corresponding water / vapor separation flask via a so-called inlet manifold, onto which the inlets of the tubes constituting this evaporator device are welded and a so-called outlet manifold which collects the water / steam mixture obtained.
  • This outlet manifold is connected to the same separation tank, thus creating a closed circuit.
  • the number of tube circuits connecting the so-called inlet and outlet manifolds depends on the size and operating conditions of the boiler.
  • the pressure drop of the water between the inlet and outlet manifolds of the evaporator device depends in particular on the configuration of the pipes.
  • the tubes of the evaporator device can be arranged either vertically or horizontally.
  • Boilers with natural circulation are for example described in patents US-A-2,031,423 and US-A-2,702,026.
  • the device described comprises two independent circuits in which the water to be heated circulates in horizontal tubes from bottom to top while the gases from combustion circulate from top to bottom, said separator tank being mounted above the boiler.
  • thermo-siphon As indicated, a circulation is carried out by thermo-siphon under the combined effect of a "natural” and artificially accelerated circulation.
  • Patent application EP-A-0357590 describes a boiler with horizontal tubes operating on the basis of natural water circulation, without the application of a circulation pump, thanks to the thermo-siphon effect.
  • the water circulates in a loop between the flask and the evaporator device in the various pipes. It descends from the balloon in an unheated branch and rises there in a heated branch where it is in the form of a water / vapor mixture, the evaporator device being inserted in the "rising" branch. In normal operation, the driving force of circulation reaches a maximum value determined by the difference in height between the tank and the outlet manifold of the evaporator device.
  • the value of the pressure drop in normal operation is not predetermined to comply with the thermal stability and flow requirements in the boiler, which require, according to. desired pressures maximum circulation rate.
  • This circulation rate depends on the value of the force drive and that of the pressure drop in a given circuit.
  • the circulation rate of a boiler is the average number of revolutions that a drop of water must make in the evaporative circuit before completely vaporizing and thus leaving the circuit. This rate remains limited in boilers with natural circulation given the low driving forces involved.
  • the flow rate may be too low in certain tube circuits, this can result in a loss of overall performance and high risks. corrosion of these tubes by precipitation on the internal wall of all the salts contained in the water, following the total evaporation of the small amount of water included in this circuit.
  • a start-up phase of the water circulation is necessary and can be carried out in different ways, for example by the action of an ejector possibly coupled to an additional pump, and mounted in a bypass line and which would be used only for starting, by injecting gas into the risers or by connecting the inlet and outlet manifolds of the evaporator device.
  • Boilers of the type described are relatively bulky and their performance depends largely on their configuration.
  • Circulation pumps consume energy and sometimes require significant maintenance costs. Aims of the invention
  • An essential object of the invention is to combine the advantages of boilers with natural circulation and forced circulation, while not having the disadvantages.
  • the object of the invention is to provide compact heat recovery boilers, that is to say with a height of water in the rising branch above the outlet manifold which may be of no importance.
  • a further object of the invention is to provide such boilers in which circulation is ensured by an economical device, more reliable since it is less complex and requires little maintenance costs.
  • a final object of the invention is to make it possible to limit the number of evaporator circuits and to select tubes of small diameter, less sensitive to thermal stresses, and to obtain a simpler construction of the collectors, which have fewer tube connections. and can also be smaller and lower water volume in the evaporator, resulting in improved dynamic behavior and reduced time constants.
  • the subject of the invention is a heat recovery boiler comprising one or more steam generation circuits, optionally at different pressures, each comprising
  • At least one steam generation circuit includes an ejector capable of ensuring an induced circulation of water in the boiler during normal operation, the corresponding water / steam separation tank then being able to be arranged at a any height relative to the outlet manifold of the evaporator device of this circuit.
  • the induced circulation of water can be maintained in a regular manner.
  • each steam generation circuit includes an ejector capable of ensuring the induced circulation of water in the boiler during normal operation.
  • the boiler can then be devoid of a circulation pump.
  • the ejector is preferably placed on a supply line.
  • Each steam generation circuit comprising an ejector can be provided with means for ensuring a minimum flow rate of this ejector during the start-up phase of the boiler. It may be an auxiliary starter pump provided on a line mounted in diversion between a point of the downpipe and a point of the supply line located upstream of the ejector. Alternatively, the balloon of the steam generation circuit concerned can be provided, in its water zone, with a device capable of allowing its emptying during the start-up phase.
  • each ejector is provided at its conical nozzle with a movable needle. This needle allows adjustment of the characteristics of the ejector.
  • the difference in height between the tank of a steam generation circuit and the outlet manifold of the corresponding evaporator device is zero.
  • the tank of a circuit can be disposed at a height less than that of the outlet manifold of the corresponding evaporator device.
  • the invention also relates to a method for the use of a boiler as described above in which the following steps are carried out: - water is introduced into the evaporator device and the flask of at least one steam generation circuit, by means of a feed pump, up to a so-called start level; - a means is actuated to ensure a minimum flow allowing the operation of the ejector during the start-up phase;
  • the supply pump is actuated again so as to allow the ejector to ensure the circulation induced during normal operation of the boiler.
  • a movable needle is introduced into a part of the ejector, and it is actuated in order to regulate the flow of water as required.
  • FIG. 1 is a schematic view of a first embodiment of a boiler with induced circulation according to the invention
  • Figure 2 is a schematic view of a second embodiment of an induced circulation boiler according to the invention
  • Figure 3 is a sectional view of an ejector provided with a needle which can be used in a boiler according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic view of a boiler 1 according to the invention arranged between a gas turbine and a steam turbine not shown, as for example in a power plant.
  • the boiler 1 is supplied by means of a reservoir 3 and a supply pump 5.
  • the supply line 7 is provided with a control valve 9 which can be actuated according to the water requirements of the boiler 1.
  • a evaporator device 11 consisting of finned tubes arranged horizontally in a hot gas exhaust channel 12 is conventionally provided.
  • FIG. 1 three circuits of finned tubes are shown in parallel, but in practice, thanks to the invention, it is possible to limit our to 200 to 300 circuits, which is a small number compared to boilers with state-of-the-art natural circulation, which usually comprises around 800 circuits.
  • This evaporator device 11 comprises strictly ⁇ ment an inlet manifold 13 and an outlet manifold 15. The r both are connected to a separation tank water / steam inlet 17.
  • the manifold 13 is connected to the water zone of said balloon 17 via a so-called down pipe 19, while the outlet manifold 15 is connected to the vapor zone of the balloon 17 by a so-called up pipe 21.
  • a pipe 23 for the departure of the steam from the balloon 17 is provided at the top in the vapor zone.
  • An ejector 25 is placed at the intersection of the supply line 7 and the downpipe 19.
  • water is introduced into the evaporator device 11 and into the tank 17 by means of the pump d 'power 5, up to a so-called start level.
  • the regulating valve 9 is closed.
  • the supply water is then used as the working fluid, it passes through the ejector 25 with a certain pressure drop increasing its speed, which induces a suction of water in the downpipe 19 and therefore the circulation movement some water. For this reason, we speak of induced circulation in the boiler.
  • the feed water / water mixture from the flask is discharged to the inlet manifold 13 with a determined overpressure.
  • the ejector continues to operate continuously during the normal market of the boiler, that is to say from the moment when the flow of the working fluid entering it reaches a certain value.
  • the supply water flow will be zero. However, an ejector can only operate if it has a minimum flow rate.
  • the closing of the regulation valve 9 is in principle necessary to ensure a correct start: before the boiler works, there is no water consumption. It is therefore necessary to avoid overfilling the balloon 17, to prevent water from flowing to the steam outlet pipe 23, which would be inadmissible.
  • a branch line 27 can be provided on the downpipe 19, terminating on the supply line 7 upstream of the ejector 25.
  • a pump is then provided. starting aid 29 and an auxiliary valve 31; the latter is opened when the valve 9 is closed.
  • the pump 29 temporarily ensures the circulation of the working fluid from the water coming from the balloon 17.
  • This pump 29 may be of low capacity.
  • the drop in water level in the balloon 17 will induce a call for water which will force the regulating valve 9 to open and the supply pump 5 to ensure a motor flow, which will allow normal operation of the 'ejector 25.
  • the valve 9 therefore remains open even at start-up, and it is possible to admit feed water into the boiler without risk of drowning the latter.
  • the boiler 1 can be heated, either by starting the gas turbine, or by operating the smoke registers (not shown), depending on the installation.
  • the first bubbles of vapor will quickly form in the lower part of the evaporator device 11, pushing the water towards the balloon 17 via the rising pipe 21.
  • the water level in the balloon will therefore increase. It will then gradually decrease, depending on the steam produced and sent to the user.
  • feed water must be introduced into the boiler 1, in quantities equal to the steam produced: the control valve 9 is fully open and the ejector 25 then works in steady state normal.
  • the starting circuit can then be cut.
  • FIG. 3 is a detailed view of an improved ejector according to the invention. It conventionally comprises a body 35, a suction flange 37, a mixing zone 39, a diffuser 41 and a conical nozzle 43. The latter is advantageously provided with a movable needle 45. During the start-up phase, the needle 45 is introduced inside the conical nozzle 43, which makes it possible to limit the flow of working fluid while maintaining the induced flow capacities of the ejector 25.
  • the needle 45 In normal operation of the boiler 1, the needle 45 is withdrawn from the nozzle 43 and the ejector 25 operates according to its initial characteristics.
  • either an ejector can be used.
  • standard i.e. an improved ejector such as that shown in FIG. 3.
  • a current combined cycle power plant comprises one or two gas turbines of 100 and 500 M, each equipped with a heat recovery boiler with two pressure levels, producing high pressure steam (about 80 to 100 kg / cm 2 ) and low pressure steam (about 8 to 10 kg / cm 2 ), feeding a steam turbine with two pressure levels with a power of 100 to 150 MW.
  • Each boiler has two steam generation circuits, each provided with three heat exchangers, namely an evaporator, an economizer and a superheater, and a water / steam separation tank.
  • the two steam generation circuits are independent and each of them can operate in induced circulation according to the invention. It will not, however, depart from the scope of the invention if, while a given steam generation circuit of a boiler comprises an ejector which ensures the induced circulation of the working fluid, another circuit of the same boiler operates according to another type of circulation, for example forced circulation by means of a circulation pump.
  • the pressure drop in the evaporator device will be chosen as a function of the flow and heat exchange stabilities, ie 3 to 5 kg / cm 2 .
  • the finned tubes will then be of small diameter (approximately 32 to 38 mm).
  • the volume of water in the evaporator device can also be relatively small (around 10 to 15 m3). This capacity will be sufficient to accept the transfer of water from the evaporator device during start-ups.
  • the sheets constituting the balloon may be reduced in thickness (approximately 30 to 50 mm), allowing high gradients of temperature and / or pressure. In this way, the start-up time of the boiler can be very short, and able to adapt to the very short start-up times of gas turbines. The dynamic behavior of the boiler is significantly improved, with reduced time constants. The traffic rate can also be chosen with a high safety margin.

Abstract

L'invention concerne une chaudière (1) dans laquelle au moins un circuit de génération de vapeur comporte un éjecteur (25) apte à assurer la circulation induite de l'eau dans la chaudière en fonctionnement normal. Le ballon de séparation eau/vapeur (17) correspondant est disposé à une hauteur quelconque par rapport au collecteur de sortie (15) du dispositif évaporateur (11) de ce circuit.

Description

Chaudière de récupération de chaleur à circulation induite
Objet de l'invention
L'invention concerne une chaudière de récupération de chaleur dans laquelle la circulation de l'eau est assurée sans recours à l'effet de thermo-siphon.
Elle concerne également un procédé pour l'utilisation optimale d'une telle chaudière, par exemple dans une centrale électrique. Arrière-plan technologique
Les chaudières de récupération de chaleur comportent nécessairement des moyens pour assurer la circulation de fluides. Elles trouvent une application industrielle dans les centrales électriques dites à cycle combiné, ainsi que dans les installations dites à cogénération, de production simultanée d'électricité et de vapeur.
' Elles peuvent être utilisées dans d'autres applications conventionnelles.
De telles chaudières servent à récupérer la grande quantité de chaleur contenue dans le flux des gaz d'échappement d'une turbine à gaz et à transformer de l'eau en vapeur. Celle-ci est alors elle-même utilisée dans une turbine à vapeur qui entraîne un alternateur. Etat de la technique
Les chaudières sont alimentées en eau au moyen d'une pompe d'alimentation. Elles comportent un ou plusieurs circuits de génération de vapeur, comprenant chacun un dispositif évaporateur et un ballon de séparation eau/vapeur. Ceux-ci sont reliés entre eux par des conduites où circule au début de l'eau puis un, mélange eau/vapeur. Plusieurs circuits de génération de vapeur peuvent être installés dans une chaudière afin de fournir de la vapeur avec pressions différentes et améliorer ainsi le rendement global de 1'installation.
Les échanges de chaleur entre les gaz provenant de la turbine à gaz et, au début l'eau, puis ensuite le mélange eau/vapeur circulant dans la chaudière ont lieu au niveau du dispositif évaporateur. Ce dernier est constitué de circuits de tubes à ailettes montés selon les cas verticalement ou horizontalement, et installés dans un flux de gaz chauds provenant par exemple d'une turbine a gaz. Classiquement, en cours de marche, chaque dispositif évaporateur est alimenté en eau à partir du ballon de séparation eau/vapeur correspondant via un collecteur dit d'entrée, sur lequel sont soudés les entrées des tubes constituant ce dispositif évaporateur et un collecteur dit de sortie qui récolte le mélange eau/vapeur obtenu. Ce collecteur de sortie est raccordé au même ballon de séparation, créant ainsi un circuit fermé.
Le nombre de circuits de tubes reliant entre eux les collecteurs dits d'entrée et de sortie dépend de la taille et des conditions de fonctionnement de la chaudière.
La perte de charge de 1'eau entre les collecteurs d'entrée et de sortie du dispositif évaporateur est notamment fonction de la configuration des conduites. Suivant différentes variantes, les tubes du dispositif évaporateur peuvent être disposés soit verticalement, soit horizontalement.
On distingue essentiellement deux types de chaudières en fonction du type de circulation de 1'eau dans les circuits. On parle de circulation "naturelle" ou par effet thermo-siphon, lorsque l'eau circule dans la chaudière grâce à la différence de masse volumique de l'eau lorsqu'elle passe de la phase liquide à la phase gazeuse. Des chaudières à circulation naturelle sont par exemple décrites dans les brevets US-A-2,031,423 et US-A-2,702,026.
Par le brevet US-A-2,257,358 on connaît un dispositif générateur de vapeur à circulation par thermo¬ siphon dans lequel un dispositif qualifié d'éjecteur constitué par deux conduits co-axiaux et non autrement décrit est monté à la sortie d'un ballon séparateur eau/vapeur pour accélérer l'effet de thermo-siphon.
Le dispositif décrit comprend deux circuits indépendants dans lequel 1'eau à chauffer circule dans des tubes horizontaux de bas en haut tandis que les gaz de combustion circulent de haut en bas, ledit ballon séparateur étant monté au dessus de la chaudière.
Ainsi qu'il est indiqué on réalise une circulation par thermo-siphon sous l'effet combiné d'une circulation "naturelle" et artificiellement accélérée.
Il convient de noter que le dispositif qualifié d'éjecteur est relativement sommaire et non régulable. Il est de plus monté dans la ligne de retour (descendante) d'un des circuits provenant du ballon séparateur. La demande de brevet EP-A-0357590 décrit une chaudière à tubes horizontaux fonctionnant sur base d'une circulation d'eau naturelle, sans application d'une pompe de circulation, grâce a l'effet thermo-siphon.
L'eau circule en boucle entre le ballon et le dispositif évaporateur dans les différentes conduites. Elle descend du ballon dans une branche non chauffée et y remonte dans une branche chauffée où elle se trouve sous forme d'un mélange eau/vapeur, le dispositif évaporateur étant inséré dans la branche "montante". En fonctionnement normal, la force motrice de circulation atteint au maximum une valeur déterminée par la différence de hauteur entre le ballon et le collecteur de sortie du dispositif évaporateur.
Ainsi, pour obtenir une force motrice suffisante par exemple de 1 Kg/cm2, entre les collecteurs, il est nécessaire de disposer au-dessus du collecteur de sortie d'une colonne d'eau d'environ 10m de haut, ce qui impose un encombrement important.
En outre, la valeur de la perte de charge en fonctionnement normal n'est pas prédéterminée pour se conformer aux exigences de stabilité thermique et d'écoulement dans la chaudière, qui demandent, suivant les. pressions désirées un taux de circulation maximum. Ce taux de circulation dépend de la valeur de la force motrice et de celle de la perte de charge dans un circuit donné.
Comme la force motrice obtenue par circulation naturelle est faible, il y a lieu de disposer d'un ;grand nombre de circuits de tubes en parallèle dans le dispositif évaporateur pour diminuer la perte de charge. La structure des collecteurs en est donc compliquée d'autant. Le diamètre des tubes doit également être plus important afin également de réduire la perte de charge. Le taux de circulation d'une chaudière est le nombre moyen de tours qu'une goutte d'eau doit effectuer dans le circuit d'évaporâtion avant de se vaporiser complètement et de quitter ainsi le circuit. Ce taux reste limité dans les chaudières à circulation naturelle vu les faibles forces motrices mises en jeu. En outre, comme le débit peut être trop faible dans certains circuits de tubes, il peut en résulter une perte de performance d'ensemble et des risques élevés de corrosion de ces tubes par précipitation sur la paroi interne de tous les sels contenus dans l'eau, suite à 1'évaporation totale de la faible quantité d'eau comprise dans ce circuit.
Une phase de démarrage de la circulation d'eau est nécessaire et peut être réalisée de différentes façons, par exemple par l'action d'un éjecteur éventuellement couplé à une pompe supplémentaire, et monté dans une ligne en dérivation et qui serait utilisé uniquement pour le démarrage, par injection de gaz dans les tuyaux de montée ou par la connexion des collecteurs d'entrée et de sortie du dispositif évaporateur.
Les chaudières du type décrit sont relativement encombrantes et leurs performances dépendent en grande partie de leur configuration.
On parle de circulation forcée ou encore assistée lorsque la circulation de l'eau dans la chaudière est créée par une ou plusieurs pompes dites de circulation disposées entre le ballon et les collecteurs. Habituellement, les tubes du dispositif évaporateur sont alors disposés de manière horizontale.
Les pompes de circulation consomment de l'énergie et exigent des frais de maintenance parfois importants. Buts de l'invention
Un but essentiel de l'invention est de cumuler les avantages des chaudières à circulation naturelle et à circulation forcée, tout en n'en présentant pas les inconvénients. L'invention a pour but de fournir des chaudières de récupération de chaleur compactes, c'est-à-dire avec une hauteur d'eau dans la branche montante au-dessus du collecteur de sortie qui peut être sans importance.
Elle a encore pour but de fournir des chaudières ne nécessitant pas l'usage d'une pompe de circulation pour faire circuler l'eau dans les circuits de tubes constituant le dispositif évaporateur.
Elle a encore pour but de fournir de telles chaudières dans lesquelles la perte de charge de l'eau entre le collecteur d'entrée et le collecteur de sortie du dispositif évaporateur puisse être choisie à une valeur prédéterminée en fonction des critères de stabilité souhaitables pour la chaudière. En particulier, elle a pour but que dans de telles chaudières, la perte de charge ne soit pas déterminée uniquement par la hauteur de colonne d'eau dans la branche montante de la chaudière.
Un but supplémentaire de l'invention est de fournir de telles chaudières dans lesquelles la circulation est assurée par un dispositif économique, plus fiable car moins complexe et demandant peu de frais de maintenance.
Un dernier but de l'invention est de permettre de limiter le nombre de circuits évaporateurs et de sélectionner des tubes de faible diamètre, moins sensibles aux contraintes thermiques, et d'obtenir une construction plus simple des collecteurs, qui comportent moins de raccords de tubes et peuvent également être plus petits et un volume d'eau plus faible dans 1*évaporateur, d'où un comportement dynamique amélioré et des constantes de temps réduites.
Eléments essentiels de 1'invention « L'invention a pour objet une chaudière de récupération de chaleur comportant un ou plusieurs circuits de génération de vapeur, éventuellement à différentes pressions, comportant chacun
- un ballon de séparation eau/vapeur, - un dispositif évaporateur à tubes à ailettes disposé horizontalement dans un flux de gaz chauds,
- des tuyaux de descente et de montée assurant la communication entre le ballon et le dispositif évaporateur, via un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie.
Dans la chaudière de l'invention, au moins un circuit de génération de vapeur comporte un ejecteur apte à assurer une circulation induite de l'eau dans la chaudière en fonctionnement normal, le ballon de séparation eau/vapeur correspondant pouvant alors être disposé à une hauteur quelconque par rapport au collecteur de sortie du dispositif évaporateur de ce cicuit.
Grâce à l'ejecteur, la circulation induite de l'eau peut être maintenue d'une manière régulière.
De préférence, chaque circuit de génération de vapeur comporte un ejecteur apte à assurer la circulation induite de l'eau dans la chaudière en fonctionnement normal. Dans un tel cas, la chaudière peut alors être dépourvue de pompe de circulation.
L'ejecteur est de préférence placé sur une ligne d'alimentation.
Chaque circuit de génération de vapeur comportant un ejecteur peut être muni d'un moyen pour assurer un débit minimum de cet ejecteur pendant la phase de démarrage de la chaudière. Il peut s'agir d'une pompe auxiliaire de démarrage prévue sur une ligne montée en dérivation entre un point du tuyau de descente et un point de la ligne d'alimentation situé en amont de 1*ejecteur. Alternativement, le ballon du circuit de génération de vapeur concerné peut être muni, dans sa zone d'eau, d'un dispositif apte à permettre sa vidange pendant la phase de démarrage.
Il va de soi que les deux solutions peuvent coexister dans un même circuit de génération de vapeur.
Avantageusement, chaque ejecteur est muni à son ajutage conique, d'un pointeau mobile. Ce pointeau permet le réglage des caractéristiques de l'ejecteur.
Selon une forme d'exécution préférée, la différence de hauteur entre le ballon d'un circuit de génération de vapeur et le collecteur de sortie du dispositif évaporateur correspondant est nulle.
Avantageusement, suivant l'invention, le ballon d'un circuit peut être disposé à une hauteur inférieure à celle du collecteur de sortie du dispositif évaporateur correspondant.
L'invention a également pour objet un procédé pour l'utilisation d'une chaudière telle que décrite ci- dessus dans lequel on effectue les étapes suivantes : - on introduit de l'eau dans le dispositif évaporateur et le ballon d'au moins un circuit de génération de vapeur, au moyen d'une pompe d'alimentation, et ce jusqu'à un niveau dit de démarrage; - on actionne un moyen pour assurer un débit minimum permettant le fonctionnement de 1*ejecteur pendant la phase de démarrage;
- on chauffe la chaudière;
- on actionne à nouveau la pompe d'alimentation de manière à permettre à 1*ejecteur d'assurer la circulation induite pendant le fonctionnement normal de la chaudière. De préférence, pendant la phase de démarrage, on introduit un pointeau mobile dans une partie de l'ejecteur, et on actionne afin de réguler le débit de l'eau en fonction des nécessités. Brève description des ficaires
L'invention sera mieux comprise en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue schématique d'une première forme d'exécution d'une chaudière à circulation induite selon invention; la figure 2 est une vue schématique d'une deuxième forme d'exécution d'une chaudière à circulation induite selon l'invention, et la figure 3 est une vue en coupe d'un ejecteur muni d'un pointeau qui peut être utilisé dans une chaudière selon l'invention. Description détaillée des figures
La figure 1 représente une vue schématique d'une chaudière 1 selon l'invention disposée entre une turbine à gaz et une turbine à vapeur non représentées, comme par exemple dans une centrale électrique.
La suite de la description se référera à une chaudière utilisée dans une telle application, mais il doit être entendu qu'on ne sortira pas du cadre de l'invention en l'appliquant à des chaudières traditionnelles.
La chaudière 1 est alimentée grâce à un réservoir 3 et une pompe d'alimentation 5. La ligne d'alimentation 7 est munie d'une vanne de régulation 9 que l'on peut actionner suivant les besoins en eau de la chaudière 1. Un dispositif évaporateur 11 constitué de tubes à ailettes disposés horizontalement dans un canal d'échappement de gaz chauds 12 est classiquement prévu. Sur la figure 1, on a représenté trois circuits de tubes à ailettes en parallèle mais en pratique, grâce à l'invention, on peut se limiter à 200 à 300 circuits, ce qui est un petit nombre par rapport aux chaudières à circulation naturelle de l'état de la technique, qui comportent habituellement environ 800 circuits.
Ce dispositif évaporateur 11 comporte classique¬ ment un collecteur d'entrée 13 et un collecteur de sortie 15. Lrun et l'autre sont connectés à un ballon de séparation eau/vapeur 17. Le collecteur d'entrée 13 est connecté à la zone d'eau dudit ballon 17 via un tuyau dit de descente 19, tandis que le collecteur de sortie 15 est connecté à la zone de vapeur du ballon 17 par un tuyau dit de montée 21. Une conduite 23 pour le départ de la vapeur du ballon 17 est prévue à la partie supérieure dans la zone de vapeur.
Un ejecteur 25 est placé au croisement de la ligne d'alimentation 7 et du tuyau de descente 19. Avant le démarrage de la chaudière, de l'eau est introduite dans le dispositif évaporateur 11 et dans le ballon 17 au moyen de la pompe d'alimentation 5, jusqu'à un niveau dit de démarrage. Lorsque le niveau d'eau dans le ballon 17 atteint quelques dizaines de centimètres, la vanne de régulation 9 est fermée. L'eau d'alimentation est alors utilisée comme fluide moteur, elle traverse l'ejecteur 25 avec une certaine chute de pression en augmentant sa vitesse, ce qui induit une aspiration d'eau dans le tuyau de descente 19 et donc le mouvement de circulation de l'eau. Pour cette raison, on parle de circulation induite dans la chaudière.
Le mélange eau d'alimenta ion/eau en provenance du ballon est refoulé vers le collecteur d'entrée 13 avec une surpression déterminée. L'ejecteur continue de fonctionner en permanence pendant la marché normale de la chaudière, c'est-à-dire à partir du moment où le débit du fluide moteur qui y pénètre atteint une certaine valeur.
Pendant la période de démarrage, le débit d'eau d'alimentation sera nul. Or, un ejecteur ne peut fonctionner que s'il dispose d'un débit minimum.
La fermeture de la vanne de régulation 9 est en principe nécessaire pour assurer un démarrage correct : avant que la chaudière ne fonctionne, il n'y a pas de consommation d'eau. Il y a donc lieu d'éviter de remplir excessivement le ballon 17, pour empêcher que de l'eau s'écoule vers la conduite d'évacuation de vapeur 23, ce qui serait inadmissible.
Il faut toutefois assurer une circulation d'eau au démarrage dans le circuit dispositif évaporateur/balIon, et ce afin de chauffer l'ensemble des éléments de façon uniforme. Suivant les conditions de site, on peut obtenir cette circulation de différentes manières.
Une première possibilité est illustrée à la figure 1. On peut prévoir une ligne en dérivation 27 sur le tuyau de descente 19, aboutissant sur la ligne d'alimentation 7 en amont de l'ejecteur 25. Sur cette ligne 27 sont alors prévues une pompe auxiliaire de démarrage 29 et une vanne auxiliaire 31; on ouvre cette dernière lorsque la vanne 9 est fermée. La pompe 29 assure temporairement la circulation du fluide moteur à partir de l'eau provenant du ballon 17. Cette pompe 29 peut être de faible capacité.
En variante, comme représenté à la figure 2, on peut prévoir une canalisation 33 pour la vidange du ballon 17 avec un recyclage éventuel de l'eau vers le réservoir 3 ou vers un condenseur non représenté, ou une évacuation pure et simple de l'eau.
La chute de niveau d'eau dans le ballon 17 induira un appel d'eau qui forcera la vanne de régulation 9 à s'ouvrir et la pompe d'alimentation 5 à assurer un débit moteur, qui permettra la mise en fonctionnement normale de l'ejecteur 25. Dans ce cas, la vanne 9 reste donc ouverte même au démarrage, et il est possible d'admettre de l'eau d'alimentation dans la chaudière sans risque de noyer celle-ci. Quand la circulation de démarrage est établie, la chaudière 1 peut être chauffée, soit en démarrant la turbine à gaz, soit en manoeuvrant les registres de fumée (non représentés), suivant l'installation. Les premières bulles de vapeur se formeront rapidement dans la partie basse du dispositif évaporateur 11, repoussant l'eau vers le ballon 17 via le tuyau de montée 21. Le niveau d'eau dans le ballon va donc augmenter. Il diminuera ensuite progressivement, en fonction de la vapeur produite et envoyée vers l'utilisateur. Quand le niveau sera revenu à une valeur normale, de l'eau d'alimentation devra être introduite dans la chaudière 1, en quantités égales à la vapeur produite : la vanne de régulation 9 est entièrement ouverte et l'ejecteur 25 travaille alors en régime normal. Le circuit de démarrage peut alors être coupé.
A noter qu'à chaque variation de température ou de débit des gaz chauds entrant dans la chaudière correspond une variation de débit de vapeur et donc une variation identique du débit d'eau d'alimentation, contrôlé par la vanne de régulation 9.
La figure 3 est une vue détaillée d'un ejecteur 25 perfectionné suivant l'invention. Il comporte classiquement un corps 35, une bride d'aspiration 37, une zone de mélange 39, un diffuseur 41 et un ajutage conique 43. Celui-ci est avantageusement pourvu d'un pointeau mobile 45. Pendant la phase de démarrage, le pointeau 45 est introduit à l'intérieur de l'ajutage conique 43, ce qui permet de limiter le débit de fluide moteur tout en maintenant les capacités de débit induit de l'ejecteur 25.
En fonctionnement normal de la chaudière 1, le pointeau 45 est retiré de l'ajutage 43 et l'ejecteur 25 fonctionne suivant ses caractéristiques initiales.
Dans les chaudières de l'invention, on peut utiliser soit un ejecteur. standard, soit un ejecteur perfectionné tel que celui représenté à la figure 3.
Un exemple concret de réalisation d'une chaudière suivant l'invention est décrit ci-dessous (mais non représenté aux figures) .
Typiquement, une centrale électrique à cycle combiné actuelle comporte une ou deux turbines à gaz de 100 et 500 M , chacune équipée d'une chaudière de récupération de chaleur à deux niveaux de pression, produisant de la vapeur à haute pression (environ 80 à 100 kg/cm2) et de la vapeur à basse pression (environ 8 à 10 kg/cm2) , alimentant une turbine à vapeur à deux niveaux de pression d'une puissance de 100 à 150 MW.
Chaque chaudière comporte deux circuits de génération de vapeur, munis chacun de trois échangeurs de chaleur, à savoir un évaporateur, un économiseur et un surchauffeur, et d'un ballon de séparation eau/vapeur.
Les deux circuits de génération de vapeur sont indépendants et chacun d'eux peut fonctionner en circulation induite selon l'invention. On ne sortira cependant pas du cadre de l'invention si, alors qu'un circuit de génération de vapeur donné d'une chaudière comporte un ejecteur qui assure la circulation induite du fluide moteur, un autre circuit de la même chaudière fonctionne suivant un autre type de circulation, par exemple en circulation forcée au moyen d'une pompe de circulation.
Dans l'exemple donné, pour chaque circuit de génération de vapeur fonctionnant en circulation induite, la perte de charge dans le dispositif évaporateur sera choisie en fonction des stabilités d'écoulement et d'échanges thermiques, soit 3 à 5 kg/cm2. Les tubes à ailettes seront alors de faible diamètre (environ 32 à 38 mm). Le volume d'eau dans le dispositif évaporateur pourra également être relativement faible (environ 10 à 15 m3) . Cette capacité sera suffisante pour accepter le transfert d'eau du dispositif évaporateur lors des démarrages.
Les tôles constituant le ballon pourront être d'épaisseur réduites (environ 30 à 50 mm), autorisant des gradients élevés de température et/ou de pression. De cette manière, le temps de démarrage de la chaudière peut être très court, et capable de s'adapter aux temps de démarrage très courts des turbines à gaz. Le comportement dynamique de la chaudière est nettement amélioré, avec des constantes de temps réduites. Le taux de circulation pourra en outre être choisi avec une marge de sécurité élevée.

Claims

Revendications
1. Chaudière (1) de récupération de chaleur comportant un ou plusieurs circuits de génération de vapeur, éventuellement à différentes pressions, comportant chacun
- un ballon de séparation eau/vapeur (17) ,
- un dispositif évaporateur à tubes à ailettes disposé horizontalement dans un flux de gaz chauds, - des tuyaux de descente (19) et de montée (21) assurant la communication entre le ballon (17) et le dispositif évaporateur (11), via un collecteur d'entrée (13) et un collecteur de sortie (15), caractérisée en ce qu'au moins un circuit de génération de vapeur comporte un ejecteur (25) apte à assurer une circulation induite de l'eau dans la chaudière (1) en fonctionnement normal, et en ce que le ballon de séparation eau/vapeur (17) correspondant est disposé à une hauteur quelconque par rapport au collecteur de sortie (15) du dispositif évaporateur (11) de ce circuit.
2. Chaudière suivant la revendication 1, caractérisée en ce que chaque circuit de génération de vapeur comporte un ejecteur (25) apte à assurer la circulation induite de l'eau dans la chaudière (1) en fonctionnement normal.
3. Chaudière suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle est dépourvue de pompe de circulation.
4. Chaudière suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que 1»ejecteur (25) est placé sur une ligne d'alimentation (7) .
5. Chaudière suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que chaque circuit de génération de vapeur comportant un ejecteur (25) comporte en outre un moyen pour assurer un débit minimum permettant le fonctionnement de cet ejecteur (25) pendant la phase de démarrage de la chaudière (1) .
6. Chaudière suivant la revendication 5, caractérisée en ce qu'une pompe auxiliaire de démarrage (31) est prévue sur une ligne (27) montée en dérivation entre un point du tuyau de descente (19) et un point de la ligne d'alimentation (7) située en amont de 1*ejecteur (25) .
7. Chaudière suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le ballon (17) dudit circuit de génération de vapeur est muni dans sa zone d'eau d'un dispositif (33) apte à permettre la vidange de ce ballon (17) pendant la phase de démarrage.
8. Chaudière suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque ejecteur (25) est muni, à son ajutage conique (43) d'un pointeau (45) mobile.
9. Chaudière suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la différence de hauteur entre le ballon (17) d'un circuit de génération de vapeur et le collecteur de sortie (15) du dispositif évaporateur (11) correspondant est nulle.
10. Chaudière suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le ballon (17) d'un circuit de génération de vapeur est disposé à une hauteur* inférieure à celle du collecteur de sortie (15) .
11. Procédé pour l'utilisation d'une chaudière (1) suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue les étapes suivantes :
- on introduit de l'eau dans le dispositif évaporateur (11) et le ballon (17) d'au moins un circuit de génération de vapeur, au moyen d'une pompe d'alimentation (5), et ce jusqu'à un niveau dit de démarrage;
- on actionne un moyen pour assurer un débit minimum permettant le fonctionnement de 1*ejecteur (25) pendant la phase de démarrage;
- on chauffe la chaudière (1) ;
- on actionne à nouveau la pompe d'alimentation (5) de manière à permettre à l'ejecteur (25) d'assurer la circulation induite pendant le fonctionnement normal de la chaudière (1) .
12. Procédé suivant la revendication , 11, caractérisé en ce que pendant la phase de démarrage, on introduit un pointeau mobile (45) dans une partie de
1'ejecteur (25) consistant en un ajutage conique (43) et en ce qu'on l'actionne afin de réguler le débit de l'eau en fonction des nécessités.
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