WO2001040661A1 - Injecteur a vapeur haute pression comportant un drain axial - Google Patents

Injecteur a vapeur haute pression comportant un drain axial Download PDF

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WO2001040661A1
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steam
neck
water
outlet
injector
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Patrick Dumaz
Bertrand Duc
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/46—Arrangements of nozzles
    • F04F5/461—Adjustable nozzles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/87571—Multiple inlet with single outlet
    • Y10T137/87652—With means to promote mixing or combining of plural fluids

Definitions

  • the invention relates to the field of high pressure injectors, intended for injecting water into a machine or an installation comprising a pressure tank.
  • the latter consists of the steam production balloon of a steam boiler. This is the case, in particular, of steam generators used in nuclear reactors, in particular pressurized water.
  • the use of such an injector could be made for all types of tanks producing steam by using part of this steam as a source of motive energy and a low-pressure tank as a source of water.
  • the principle of a steam injector is to expand steam under pressure in a narrowing followed by a divergent 2, for example a Laval nozzle, to reach a speed at the outlet thereof. supersonic and pressures which may be lower than atmospheric pressure.
  • a water inlet is arranged by an annular intake chamber 3.
  • the low pressures make it possible to suck up the water coming from the intake chamber 3, then the steam gives up its energy to the water by condensing.
  • the mixing chamber 4 is generally conical in shape and converges towards a neck 5. At this point, the water reaches its maximum speed.
  • the object of the invention is therefore to remedy these drawbacks by proposing a steam injector which can be used in pressurized water reactors and which can inject water up to pressures of around 80 bars.
  • the main object of the invention is a high pressure steam injector, comprising:
  • an axial drain consisting of a sampling duct is placed in the middle of the neck in order to reduce the section of the neck and take a part of the vapor which has not been condensed and evacuate it towards the outside. It has indeed been shown that the flow remains essentially annular up to the neck.
  • the drain In order to be able to use the drain temporarily or to vary the minimum passage section, it can be mounted movable longitudinally, so that it can be moved relative to the neck.
  • the first part of the axial drain is in a conical shape in which the sampling holes are made, in order to allow progressive drainage of the vapor.
  • the injector according to the invention incorporates the main elements of the steam injector, according to the prior art, and described with reference to FIG. 1, with the exception of the lateral sampling drain 6
  • a steam inlet 1 opening into a Laval nozzle 2
  • an annular inlet chamber 3 opening into the mixing chamber 4, placed at the outlet of the nozzle 2 and ending in the neck 5.
  • a diffuser 7 opening into an outlet 8.
  • an axial drain 10 is inserted, consisting of a sampling conduit and extending through the diffuser 7 to terminate outside 9 , apart from the steam injector which is the subject of this application.
  • the axial drain 10 also makes it possible to reduce the flow passage section at the neck 5, between the mixing chamber 4 and the diffuser 7, and therefore thus increase the maximum pressure of the flow towards the outlet 8, compared to the case where such an axial drain would not be used with the same diffuser. It is assumed that the increase in pressure is practically inversely proportional to the cross-section at the level of the neck 5.
  • the axial drain 10 is also used for starting the steam injector. Indeed, in this case, the steam inlet 1 is closed and the water supply is open, that is to say that it circulates in the annular intake chamber 3 and arrives in the mixture 4. All or part of this water is discharged through the axial drain 10 to the outside, according to the design of the discharge downstream of the outlet 8.
  • the steam inlet 1 is open, strong condensation occurs in the mixing chamber 4.
  • the pressure in this mixing chamber 4 then drops until it reaches its nominal value.
  • the flow of the flow then becomes supersonic at the outlet of the nozzle 2.
  • the central flow initially in the state liquid, becomes vapor and is captured by the axial drain 10.
  • the flow of water passes annularly against the walls of the neck 5 and extends into the diffuser 7.
  • this can be of variable section.
  • the axial drain 10 could have a diameter increasing appreciably as it develops in the diffuser 7, starting from the neck 5.
  • this drain axial 10 can enter the mixing chamber 4 to ensure the withdrawal of steam, more gradually.
  • the first part of the drain could then be of conical shape 11 with a sufficient number of sampling holes.
  • the axial drain 10 can be movable longitudinally along the axis of the steam injector according to the invention and can therefore be introduced and removed.
  • it can be removed downstream from the neck 5, that is to say in the diffuser 7, when the steam injector is started. It can be replaced in the neck 5, once the speed of the steam injector has been established, and resume its function of withdrawing steam and reducing the flow passage section in the neck 5.
  • a first use of the steam injection is provided for supplying water to a steam generator 16 of a pressurized water reactor.
  • the steam injector 13 is used to inject water into this steam generator 16, using the energy of the steam generated by the latter.
  • a low pressure water reservoir 17 supplies the inlet chamber of the injector 13, via a supply valve 22 which is therefore closed when the steam injector 13 is stopped. The latter is therefore at ambient pressure.
  • the axial drain 10 is open and the steam injector 13 can be purged with water or steam.
  • An outlet and purge valve 23 is placed downstream of the injector 13 and also closed.
  • the water supply 22 and purge outlet 23 valves are then open and the flow of cold water is then carried out, by gravity, inside the steam injector 13 and exits through the axial drain 10 and the outlet and purge valve 23, the injector being lower than the water tank 17.
  • the steam inlet valve 21, placed upstream of the steam injector 13, is opened up to a flow rate of several kg / s depending on the pressure of the steam.
  • the condensation in the mixing chamber 4 on the previously obtained cold water flow allows the starting of the steam injector 13.
  • the outlet and purge valve 23 is then closed, the first part of the outlet pipe 18 rises in pressure until the sudden rise of pressure in the diffuser 7.
  • the valve 15 opens and the system has then reached its nominal operation.
  • the water drawn from the reservoir 17 is injected into the steam generator 16, at a rate of 5 to 20 kg / s, depending on the water requirement of the latter, this being obtained by adjusting the supply valve by water 22.
  • the system is stopped by closing the steam supply valve 21, followed by closing the water supply valve 22.
  • the water supply valve 22 can be placed on the outlet line of the axial drain 10, that is to say towards the outside, referenced 9. It is so easy to provide a system water filling. Start-up is then carried out under the same conditions as the basic configuration.

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Abstract

L'injecteur à vapeur a une caractéristique de pression élevée et un démarrage amélioré. Il utilise un drain axial (10) placé au milieu du col (5), en aval de la chambre de mélange (4) et inséré dans le diffuseur (7), dans le but de rétrécir la section du col (5) et de prélever une grande partie de la vapeur qui n'a pas été condensée. Le drain axial (10) peut être monté mobile axialement. Application à l'alimentation en eau des générateurs de vapeur de réacteurs nucléaires à eau pressurisée.

Description

INJECTEUR A VAPEUR HAUTE PRESSION COMPORTANT UN DRAIN AXIAL
DESCRIPTION
Domaine de 1 ' invention
L'invention se rapporte au domaine des injecteurs à haute pression, destinés à injecter de l'eau dans une machine ou une installation comportant un réservoir sous pression. Généralement, ce dernier est constitué du ballon de production de vapeur d'une chaudière à vapeur. C'est le cas, en particulier, des générateurs de vapeur utilisés dans les réacteurs nucléaires, notamment à eau sous pression. Toutefois, l'utilisation d'un tel injecteur pourrait être faite pour tous les types de réservoirs produisant de la vapeur en utilisant une partie de cette vapeur comme source d'énergie motrice et un réservoir à basse pression comme source d'eau.
Art antérieur et problème posé
Depuis plus d'un siècle, il est connu d'utiliser des injecteurs à vapeur (voir le brevet GIFFARD de 1850), notamment dans les machines à vapeur, telles que les locomotives et les bateaux. De nos jours, ces dispositifs sont surtout utilisés dans des installations industrielles où l'on doit transvaser des solutions ou effluents liquides qui risqueraient de détériorer rapidement des systèmes de pompage classiques. Dans les réacteurs nucléaires à eau, l'utilisation d' injecteurs , en tant qu'alimentation de secours a été étudiée. Ces alimentations sont destinées à l'évacuation de la chaleur résiduelle. Dans les réacteurs à eau sous pression, l'alimentation de secours des générateurs de vapeur est réalisée à l'aide de moto-pompes électriques ou de turbo-pompes. Ces dispositifs sont de conception délicate en raison des pièces tournantes et certains sont dépendants de sources électriques. C'est pour cette raison qu'on a cherché à utiliser des dispositifs passifs, tels que des injecteurs à vapeur qui, pourraient élever la pression de l'eau du réservoir de secours à basse pression à une pression supérieure à celle de la vapeur. Jusqu'à présent, les différents prototypes d' injecteurs proposés n'ont pas été jugés suffisamment performants et fiables pour être utilisés dans les réacteurs nucléaires.
En référence à la figure 1, le principe d'un injecteur à vapeur est de détendre de la vapeur sous pression dans un rétrécissement suivi d'un divergent 2, par exemple une tuyère de Laval, pour atteindre en sortie de celui-ci une vitesse supersonique et des pressions pouvant être inférieures à la pression atmosphérique. Dans une chambre de mélange 4, est aménagée une arrivée d'eau par une chambre d'admission 3 annulaire. Dans la chambre de mélange 4, les basses pressions permettent d'aspirer l'eau issue de la chambre d'admission 3, puis la vapeur cède son énergie à l'eau en se condensant. La chambre de mélange 4 est généralement de forme conique et converge vers un col 5. A cet endroit, l'eau atteint sa vitesse maximale. Après le col 5, se trouve un diffuseur 7 de sortie permettant de transformer l'énergie cinétique du mélange diphasique en pression et étant accompagnée d'une condensation de la vapeur non condensée en sortie de la chambre de mélange 4. Cette remontée de pression est brutale et est parfois assimilée à une onde de choc stationnaire. Pour assurer son démarrage, l' injecteur à vapeur nécessite un drain 6 placé au niveau de la chambre de mélange 4. Ce démarrage peut être assez délicat car il faut trouver la bonne position de drain. De plus, une fois l' injecteur amorcé, la fermeture du drain 6 peut entraîner un désamorçage de l' injecteur à vapeur (une fermeture progressive est, en général, recommandée). La pression maximale de sortie est d'autant plus grande que la section de passage du col 5, situé entre la chambre de mélange 4, et le diffuseur 7, est petite. Cependant, la réduction d'une telle section rend le démarrage de l'appareil encore plus difficile.
En outre, l'utilisation de deux drains 6 (figure 2) permet à certains injecteurs d'atteindre des pressions de 70 bars à 90 bars. Dans ce cas, seul le drain amont est fermé lors du fonctionnement normal de 1' injecteur à vapeur, le drain aval restant plus ou moins ouvert pour évacuer une assez importante quantité d'eau, environ 50 %, pour un fonctionnement à haute pression. La complexité de fonctionnement et la perte en eau d'un tel injecteur à vapeur font que celui-ci n'a pas été retenu pour les installations des réacteurs nucléaires .
Le but de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients, en proposant un injecteur à vapeur pouvant être utilisé dans les réacteurs à eau pressurisée et pouvant injecter de l'eau jusqu'à des pressions avoisinant 80 bars.
Résumé de l'invention
A cet effet, l'objet principal de l'invention est un injecteur à vapeur à haute pression, comprenant :
- une entrée de vapeur débouchant dans : - une tuyère vapeur débouchant elle-même dans :
- une chambre de mélange ;
- une chambre d'admission annulaire débouchant dans la chambre de mélange ; - un col placé à la sortie de la chambre de mélange
- un diffuseur placé à la sortie du col ; et
- une sortie placée en aval du diffuseur. Selon l'invention, on place un drain axial constitué d'un conduit de prélèvement au milieu du col pour réduire la section du col et prélever une partie de la vapeur qui n'a pas été condensée et l'évacuer vers l'extérieur. Il a, en effet, été montré que l'écoulement restait essentiellement annulaire jusqu'au col. Dans le but de pouvoir utiliser le drain de façon temporaire ou de faire varier la section de passage minimum, celui-ci peut être monté mobile longitudinalement, de manière à pouvoir être déplacé par rapport au col.
Pour améliorer l'efficacité de ce drain, celui-ci peut être de section variable.
Une autre réalisation prévoit que la première partie du drain axial se présente sous une forme conique dans laquelle sont pratiqués les trous de prélèvements, dans le but de permettre un drainage progressif de la vapeur.
Liste des figures
L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, qui est accompagnée de quelques figures représentant respectivement : - figures 1 et 2, déjà décrites, des injecteurs selon l'art antérieur ;
- figure 3, une première réalisation de l'injecteur, selon l'invention ;
- figure 4, une deuxième réalisation de l'injecteur, selon l'invention ;
- figure 5 , un premier exemple d'implantation de l'injecteur, selon l'invention, sur un générateur de vapeur ; et
- figure 6 , un deuxième exemple d'implantation de l'injection, selon l'invention, sur un générateur de vapeur. Description détaillée des réalisations de 1 'invention
En référence à la figure 3, l'injecteur selon l'invention reprend les éléments principaux de l'injecteur à vapeur, selon l'art antérieur, et décrit en référence à la figure 1, à l'exception du drain de prélèvement latéral 6. On retrouve donc une entrée de vapeur 1 débouchant dans une tuyère de Laval 2 , une chambre d'admission 3 annulaire débouchant dans la chambre de mélange 4, placée à la sortie de la tuyère 2 et se terminant par le col 5. A la sortie de ce dernier est placé un diffuseur 7 débouchant dans une sortie 8. Au niveau du col 5, est inséré un drain axial 10 constitué par un conduit de prélèvement et s 'étendant à travers le diffuseur 7 pour se terminer à l'extérieur 9, en dehors de l'injecteur à vapeur objet de la présente demande. Il a, en effet, été montré que l'écoulement diphasique restait essentiellement annulaire jusqu'au col, le film d'eau étant plaqué à la paroi de cette chambre de mélange 4. Ce fait expérimental contredit ce qui était préalablement admis, à savoir, la pulvérisation plus ou moins rapide du film d'eau aspiré. Un tel drain axial 10, capte la partie centrale du flux traversant le col 5, et donc une grande quantité de la vapeur non condensée dans la chambre de mélange 4. Cependant, celle-ci a cédé une grande partie de son énergie au liquide à injecter, grâce à la diminution de sa vitesse entre l'entrée et la sortie de la chambre de mélange 4. De plus, comme ce débit de vapeur central est faible, il n'est pas utile à la remontée de la pression de l'eau dans le diffuseur 7. Seules les parties annulaires du flux traversant le col 5, c'est-à-dire de l'eau liquide, sont éjectées à haute vitesse dans le diffuseur 7, puis vers la sortie 8.
De plus, on comprend aisément que le drain axial 10 permet également de réduire la section de passage du flux au niveau du col 5, entre la chambre de mélange 4 et le diffuseur 7, et donc d'augmenter ainsi la pression maximale du flux vers la sortie 8, par rapport au cas où un tel drain axial ne serait pas utilisé avec un même diffuseur. On admet que l'accroissement de la pression est pratiquement inversement proportionnel à la section de passage au niveau du col 5.
Il faut noter que le drain axial 10 sert également au démarrage de l'injecteur à vapeur. En effet, dans ce cas, l'entrée de vapeur 1 est fermée et l'alimentation en eau est ouverte, c'est-à-dire que celle-ci circule dans la chambre d'admission 3 annulaire et arrive dans la chambre de mélange 4. Toute ou partie de cette eau est rejetée par le drain axial 10 vers l'extérieur, suivant la conception de la décharge en aval de la sortie 8. Lorsque l'entrée de vapeur 1 est ouverte, une forte condensation se produit dans la chambre de mélange 4. La pression dans cette chambre de mélange 4 baisse alors jusqu'à atteindre sa valeur nominale. L'écoulement du flux devient alors supersonique à la sortie de la tuyère 2. Au niveau du col 5, l'écoulement central, initialement à l'état liquide, devient vapeur et est capté par le drain axial 10. L'écoulement de l'eau se passe annulairement contre les parois du col 5 et se prolonge dans le diffuseur 7. Pour assurer une bonne vitesse de la vapeur à l'entrée du drain axial 10, celui-ci peut être de section variable. Ainsi, on peut imaginer que le drain axial 10 puisse avoir un diamètre augmentant sensiblement au fur et à mesure qu'il se développe dans le diffuseur 7, à partir du col 5. En référence à la figure 4, on envisage également que ce drain axial 10 puisse pénétrer dans la chambre de mélange 4 pour assurer le prélèvement de la vapeur, de manière plus progressive. La première partie du drain pourrait être alors de forme conique 11 avec un nombre suffisant de trous de prélèvement.
Comme le suggère la figure 4 par des traits interrompus, pour pouvoir combiner de telles caractéristiques techniques, on prévoit également que le drain axial 10 puisse être mobile longitudinalement le long de l'axe de l'injecteur de vapeur selon l'invention et puisse donc être introduit et retiré. Ainsi, il peut être retiré vers l'aval du col 5, c'est-à-dire dans le diffuseur 7, lors du démarrage de l'injecteur de vapeur. Il peut être replacé dans le col 5, une fois que le régime de l'injecteur de vapeur a été établi, et reprendre sa fonction de prélèvement de la vapeur et de réduction de la section de passage du flux dans le col 5.
On précise que toutes ces variantes de réalisations du drain axial 10 permettent de régler de manière plus précise le fonctionnement de l'injecteur à vapeur, de démarrer plus facilement ce dernier et d'obtenir une pression maximale de sortie. Cependant, un drain 10 fixe est la solution de référence car elle minimise le nombre d'opérations à effectuer. En référence à la figure 5 , une première utilisation de l'injection à vapeur, selon l'invention, est prévue pour alimenter en eau un générateur de vapeur 16 d'un réacteur à eau sous pression. L'injecteur à vapeur 13 est utilisé pour injecter de l'eau dans ce générateur de vapeur 16, en utilisant l'énergie de la vapeur générée par ce dernier. Un réservoir d'eau à basse pression 17 alimente la chambre d'admission de l'injecteur 13, par l'intermédiaire d'une vanne d'alimentation 22 qui est donc fermée lorsque l'injecteur à vapeur 13 est à l'arrêt. Ce dernier est donc à la pression ambiante. Le drain axial 10 est ouvert et l'injecteur à vapeur 13 peut être purgé par de l'eau ou de la vapeur. Une vanne de sortie et de purge 23 est placée en aval de l'injecteur 13 et également fermée.
Lorsque le générateur de vapeur 16 est en fonctionnement, sa pression est comprise entre 10 et 80 bars. Une canalisation de sortie 18 amenant l'eau sous pression sortant de l'injecteur à vapeur 13 au générateur de vapeur 16 est obturée par un clapet 15 qui est fermé.
Les vannes d'alimentation en eau 22 et de sortie de purge 23 sont alors ouvertes et l'écoulement d'eau froide s'effectue alors, par gravité, à l'intérieur de l'injecteur à vapeur 13 et sort par le drain axial 10 et la vanne de sortie et de purge 23, l'injecteur se trouvant plus bas que le réservoir d'eau 17.
Ensuite, la vanne d'admission de vapeur 21, placée en amont de l'injecteur de vapeur 13, est ouverte jusqu'à un débit de plusieurs kg/s suivant la pression de la vapeur. La condensation dans la chambre de mélange 4 sur l'écoulement d'eau froide préalablement obtenu permet le démarrage de l'injecteur à vapeur 13. Une fois établi, un écoulement annulaire au niveau de la chambre de mélange 4 et du col 5, le drain axial 10 ne rejette plus que de la vapeur au niveau de l'extérieur 9. On ferme alors la vanne de sortie et de purge 23, la première partie de la canalisation de sortie 18 monte en pression jusqu'à positionner la remontée brusque de pression dans le diffuseur 7. Quand la pression dans la première partie de cette canalisation de sortie 18 est suffisante, le clapet 15 s'ouvre et le système a alors atteint son fonctionnement nominal. Pendant ce dernier, l'eau aspirée du réservoir 17 est injectée dans le générateur de vapeur 16, à raison de 5 à 20 kg/s, suivant le besoin en eau de ce dernier, ceci étant obtenu en réglant la vanne d'alimentation en eau 22. L'arrêt du système se fait par la fermeture de la vanne d'alimentation en vapeur 21, suivie de fermeture de la vanne d'alimentation en eau 22.
Plusieurs variantes d'installations de l'injecteur selon l'invention sont possibles. Par exemple, la vanne d'alimentation en eau 22 peut être placée sur la ligne de sortie du drain axial 10, c'est-à-dire vers l'extérieur, référencé 9. Il est alors facile de prévoir un remplissage en eau du système. Le démarrage se fait alors dans les mêmes conditions que la configuration de base.
Comme le montre la figure 6, il peut être envisagé de supprimer la vanne de sortie 23 pour la phase de démarrage du système. On n'a alors plus que deux vannes à manipuler au lieu de trois. Suivant le dimensionnement de la canalisation 18, entre l'injecteur à vapeur 13 et le clapet 15, il peut alors être nécessaire d'ajouter un bidon d'amorçage 24 directement branché sur cette canalisation 18. Placé initialement à la pression ambiante, ce bidon d'amorçage 24 assure une temporisation, lors de l'augmentation de la pression de sortie avant l'ouverture du clapet 15.

Claims

REVENDICATIONS
1. Injecteur à vapeur à haute pression comprenant une entrée de vapeur ( 1 ) débouchant dans :
- une tuyère vapeur ( 2 ) débouchant dans :
- une chambre de mélange ( 4 ) ;
- une chambre d'admission (3) annulaire ; - un col (5) placé à la sortie de la chambre de mélange (4) ;
- un diffuseur (7) placé à la sortie du col (5) ; et une sortie (8) placée en aval du diffuseur (7) , caractérisé en ce qu'il comprend un drain axial (10) constitué d'un conduit de prélèvement pour réduire la section du col (5) et prélever une partie de la vapeur et l'évacuer vers l'extérieur (9).
2. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drain axial (10) est mobile longitudinalement pour être placé ou retiré dans le col (5) et/ou dans la chambre de mélange (4).
3. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drain axial (10) est de section variable.
4. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drain axial (10) permettant un drainage progressif de la vapeur se termine par une forme conique (11) dans laquelle sont pratiqués des trous de prélèvement.
PCT/FR2000/003330 1999-11-30 2000-11-29 Injecteur a vapeur haute pression comportant un drain axial WO2001040661A1 (fr)

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