<Desc/Clms Page number 1>
PROCEDE ET APPAREIL PERFECTIONNES POUR REGLER LA TEMPERATURE DE LA VAPEUR
SURCHAUFFEE ET LA TEMPERATURE DE LA VAPEUR RECHAUFFEE.
Cette invention concerne un procédé et un appareil pour régler la température de la vapeur surchauffée et la température de la vapeur réchauf- fée, et particulièrement un groupe générateur de vapeur surchauffée ou des gaz de chauffe àchaute température produisent et surchauffent de la vapeur à hau- te pression pour la fournir à une turbine à vapeur dans laquelle elle se détend en effectuant un travail utile et d'où la vapeur à une pression réduite est ramenée au groupe pour être réchauffée à une haute température.
Pour le fonctionnement des générateurs de vapeur à haute pres- sion fournissant de la vapeur surchauffée à une turbine à vapeur à haute pres- sion et réchauffant la vapeur à basse pression provenant de l'échappement de la turbine pour l'envoyer à une turbine de condensation à basse pression, il est avantageux d'utiliser des surchauffeurs et des réchauffeurs de vapeur chauf- fés par convection. Toutefois, les caractéristiques température-charge de ces appareils de chauffe sont telles que à'ils sont du type usuel, il se produit une déficience par rapport aux températures de vapeur optima dans la gamme in- férieure des charges et des dispositifs sont habituellement prévus pour éviter une telle déficience de la température.
La fourniture d'un courant de gaz chauds approprié au surchauffeur et au réchauffeur par convection d'un groupe générateur de vapeur pour atteindre les températures de vapeur optima dans la gamme inférieure des charges peut être assurée par l'emploi de brûleurs bascu- lants ou autres moyens appropriés. Lorsque la charge augmente en tendant vers une charge correspondant au point de réglage, la nécessité d'augmenter la quan- tité de chaleur disponible au surchauffeur diminue jusqu'à ce que, à la charge correspondant au point de réglage, la température de la vapeur ait une valeur optimum.
A des charges dépassant leurs charges au point de réglage, les surchauffeurs et réchauffeurs par convection tendent naturellement à donner une
<Desc/Clms Page number 2>
température de vapeur trop élevée par suite de l'absorption d'une trop grande quantité de chaleur. Le court-circuitage des surfaces du surchauffeur et/ou du réchauffeu- par une partie des gaz pourrait être effectué comme un moyen d'éviter cette absorption excessive de chaleur. Toutefois, ceci entraîne l'emploi d'installations coûteuses et encombrantes et le réglage est un peu lent à se produire après déclenchement de l'action qui le provoque.
Le désurchauffage par pulvérisation pour corriger la températu- re est une mesure préférable par suite de la simplicité de construction de son installation, de la facilité de son fonctionnement., et de la faible chute de pression occasionnée. Toutefois, il offre l'inconvénient de réduire le rende- ment total de l'installation de turbine à vapeur,, en raison de la perte de chaleur latente dans le condenseur de la vapeur produite dans le désurchauf- feur du réchauffage sans l'avantage d'une détente de cette vapeur dans la turbine à haute pression.
La présente invention permet le désurchauffage de la vapeur par pulvérisation en réduisant au minimum ou en évitant l'em- ploi du désurchauffage par pulvérisation dans le réchauffeurtout en effec- tuant concurreinment un réglage optimum tant de la température de la vapeur surchauffée à haute pression que de la température de la vapeur réchauffée.
La présente invention comprend le procédé de réglage de la température de la vapeur surchauffée et de la température de la vapeur ré- chauffée dans un groupe générateur de vapeur pourvu d'un surchauffeur à con- vection et d'un réchauffeur à convection, suivant lequel on fait passer une partie d'un courant de gaz de chauffe sur le surchauffeur fonctionnant par convection et la partie restante du courant sur le réchauffeur fonctionnant par convection, on règle le débit de cette partie restante du courant gazeux en vue de régler la température de réchauffage on désurchauffe la vapeur sur- chauffée par contact direct entre de l'eau de désurchauffage et la vapeur et on règle le désurchauffage à l'effet de régler la température de surchauffe.
L'invention comprend aussi un groupe générateur et surchauf- feur de vapeur à haute pression du type comportant un foyer refroidi par cir- culation de fluide pourvu d'une sortie des gaz de chauffe à haute tempéra- ture, dans lequel une série de parcours de gaz parallèles partent de la sortie, un surchauffeur de vapeur à haute pression étant disposé dans un parcours de gaz et un réchauffeur de vapeur à basse pression étant disposé dans un second parcours de gaz, tandis que des papillons ou l'équivalent sont prévus pour régler le débit de gaz dans le second parcours des gaz en vue de régler la température finale de la vapeur à basse pression réchauffée et qu' un désurchauffeur à pulvérisation associé au surchauffeur à haute pression est prévu pour régler la température finale de la vapeur à haute pression.
L'invention sera décrite ci-après à titre d'exemple, avec ré- férence aux dessins annexés, dans lesquels :
Fig. 1 est une vue schématique d'un groupe générateur de va- peur surchauffée et des éléments constitutifs d'une installation de force mo- trice directement associée à ce groupe;
Fig. 2 est une vue schématique en plan partiellement en coupe horizontale suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1 ;
Fig. 3 est une vue schématique montrant des instruments de mesure et der dispositifs commandés à la main associés aux éléments constitu- tifs correspondants du groupe générateur de vapeur représenté sur les Figs.
1 et 2, et
Figa 4 est un graphique du mode de fonctionnement, les or- données horizontales représentant la charge sur le groupe générateur de va- peur en milliers de livres par heure et les ordonnées verticales représentant les températures de vapeur en degrés Fahrenheit.
Dans le groupe générateur de vapeur représenté sur la Fig. @
<Desc/Clms Page number 3>
la vapeur est produite dans des tubes de parois délimitant la chambre de combustion ou foyer 10. Ce foyer est chauffé par des rangées horizontales de brûleurs 12 à 15 disposés dans une boîte à vent 18 qui reçoit de l'air se- condaire réchauffé par un conduit 20 pourvu d'un registre ou papillon régu- lateur 22. Ce papillon peut être actionné par un moteur représenté schématique- ment en 24 sur la Fig. 3 comme étant raccordé à un commutateur électrique 26 à boutons poussoirs 28,29 et 30 pour la marche avant et la marche arrière du moteur et pour la mise à l'arrêt de ce dernier.
Les brûleurs 12 à 15 sont alimentés en air primaire et en com- bustible pulvérisé par les conduits 32 à 35 venant d'un ou plusieurs broyeurs ou pulvériseurs. Le débit d'air primaire et de combustible amené aux conduits 32 à 35 et de là aux brûleurs 12 à 15 peut être réglé par un papillon 40 in- diqué sur la Fig. 3, ce papillon étant susceptible d'être actionné par un mo- teur approprié 42 dont la commande est effectuée par l'intermédiaire des bou- tons poussoirs de marche avant, de marche arrière et d'arrêt 44, 45 et 46 du commutateur électrique 48, convenablement raccordés par des conducteurs 50 au moteur.
Toutes les parois de la chambre de combustion 10 comprennent des tubes vaporisants tels que les tubes de parois 52 et 54 raccordés par leurs extrémités supérieures au corps cylindriquè de vapeur et d'eau 56 et par leurs extrémités inférieures à des collecteurs appropriés 58 et 60 respectivement, les collecteurs étant raccordés d'une manière appropriée par des colonnes descendantes à la chambre d'eau du corps cylindrique 56.
La vapeur saturée passe par des conduits de raccordement ap- propriés du corps cylindrique 56 au collecteur d'entrée 62 d'un surchauffeur primaire. Celui-ci comprend plusieurs serpentins 64 à 67 raccordés en série qui sont reliés au collecteur de sortie 70. Il existe deux sections de sur- chauffeurs primaires de ce genre. Ces sections sont montées chacune dans l'un des différents parcours de gaz verticaux 72 et 74 (Fig. 2), disposés symétri- quement par rapport aux parois 75, 76 et 77 du groupe et symétriquement aussi par rapport au parcours de gaz vertical 80 du réchauffeur placé entre les parcours de gaz 72 et 74 des surchauffeurs primaires. Une cloison séparatrice 82 sépare les parcours de gaz 74 et 80 et une paroi verticale similaire 84 sé- pare les parcours de gaz 72 et 80.
Au-dessous de chaque section de surchauffeur primaire se trouve un économiseur 90 et dans la sortie du parcours de gaz 72 se trouvent des papillons 94 servant à régler le débit des gaz, ces papillons pouvant être actionnés par un moteur 94 A qui est commandé par boutons'pous- soirs 96,97 et 98 pour la marche avant, la marche arrière et l'arrêt, ces bou- tons étant reliés d'une manière appropriée au moteur 94A, comme c'est indiqué par la ligne 100.
Similairement, des papillons 102 sont disposés dans la sortie du parcours de gaz 74 de la section restante du surchauffeur primaire, ces papillons pouvant être actionnés par le moteur 102A sous la commande des bou- tons poussoirs 104, 105 et 106.
Dans le parcours de gaz 80, entre les parcours de gaz 72 et 74, se trouve un réchauffeur à convection, comprenant des faisceaux de tubes semblables aux faisceaux tubulaires de, surchauffeur 64 à 67. Les entrées de ces tubes sont reliées au collecteur d'entrée 110 du réchauffeur et leurs ex- trémités de sortie à un collecteur de réchauffeur 112.
Le réglage du débit de gaz sur le réchauffeur est effectué par une série de papillons 114 placés dans une position similaire à celle des papillons 94 représentés sur la Fig. 1. Les papillons 114 sont indiqués sché- matiquement sur la Fig. 2 comme étant reliés à un moteur 114A. Ces éléments sont aussi indiqués sur la vue schématique de la Fig.3, le moteur étant rac- cordé par des conducteurs tels que 116 au commutateur à boutons poussoirs 118, 119 et 120 pour la marche avant, la marche arrière et L'arrêt.
<Desc/Clms Page number 4>
La Fig. 1 montre que la vapeur venant du collecteur de sortie 70 du surchauffeur primaire est amenée par les conduits 122 à un désurchauf- feur à contact direct 124, de préférence construit et disposé comme c'est in- didué dans le brevet n 475.434' Ce désurchauffeur comprend une tuyère de pul- vérisation d'eau 126 communiquant avec une canalisation d'eau 128 dans la- quelle est montée une vanne 130 pouvant être actionnée par un moteur 132 au moyen des boutons poussoirs de marche àvant, de marche arrière et d'arrêt 134, 135 et 136, reliés d'une manière appropriée au moteur par des conducteurs 138 (Fig. 3).
La vapeur désurchauffée venant des surchauffeurs primaires passe du désurchauffeur 124, par la conduite 140, dans le collecteur d'entrée 142 d'un surchauffeur secondaire comprenant les faisceaux verticaux de tubes 144, 145 et 146 dont les extrémités de sortie sont reliées au collecteur de sortie 148 du surchauffeur secondaire. Ces faisceaux tubulaires s'étendent entièrement en travers du parcours du courant de gaz entre la sortie 150 de la chambre de combustion au sommet du groupe et la chambre de déviation des gaz 152 au-dessus des sections du surchauffeur primaire et du réchauffeur.
Du collecteur de sortie 148 du surchauffeur secondaire, la vapeur passe par la conduite 154 dans l'entrée d'une turbine à haute pres- sion 156. Dans celle-ci la vapeur se détend en actionnant la turbine et elle passe du dernier étage de celle-ci par une conduite 158 dans le désurchauf- feur 160 du réchauffeur . La conduite d'eau de pulvérisation 162 pour ce dé- surchauffeur de vapeur comprend une vanne 164 susceptible d'être actionnée par un moteur 166 commandé par des conducteurs appropriés 168 reliés au com- mutateur à boutons poussoirs 170, 171 et 172 pour la marche avant, la marche arrière et l'arrêt (Fig. 3).
De ce désurchauffeur de vapeur 160, la vapeur passe par la canalisation 170 au collecteur d'entrée 110 du réchauffeur et de là au col- lecteur 112 par les tubes du réchauffeur monté dans le parcours de gaz 80, pour se rendre ensuite par d'autres tubes de réchauffeur 172 dans le collecteur de sortie 174 du réchauffeur. De ce collecteur la vapeur passe par la canalisa- tion 176 dans l'entrée de la turbine à basse pression 178 qui est conjuguée au condenseur 180.
Le poste de commande à main indiqué sur la Fig. 3 est de pré- férence disposé de telle manière que les divers instruments de mesure peuvent être vus par l'opérateur de cette position. Ces instruments comprennent un ap- pareil de mesure de la pression de vapeur 200 qui, comme c'est indiqué sur la Fig. 1 des dessins,est relié par une conduite de vapeur 154 à vapeur sur- chauffée à l'entrée de la turbine à haute pression 156.
Un autre de ces instruments de mesure est l'indicateur de température 202 pour la température de surchauffe finale. Cet instrument est indiqué sur la Fig, 1 comme étant relié par une conduite 204 à un thermostat 206 monté dans la conduite de vapeur 154 allant à la turbine à haute pression 1560
Un autre instrument est le débit-mètre de vapeur 210 qui communique par des tubes avec la canalisation de vapeur 154 de part et d'au- tre d'un orifice 212 pour utiliser la différence des pressions régnant des deux côtés de celui-ci, comme indication du débit de vapeur.
La température de réchauffage finale est indiquée par un appa- reil thermométrique 216 relié par un conduit 218 à un élément thermostatique 220 monté dans la canalisation de vapeur réchauffée 176 allant du collec- teur 174 à la turbine à basse pression 1780
Les instruments de mesure visibles du poste de commande 222 comprennent aussi un débit-mètre d'air 224 établi d'une manière appropriée pour mesurer le débit d'air total dans la chambre de combustion 10 (le débit
<Desc/Clms Page number 5>
de gaz remis en circulation non compris).
Le débit d'air secondaire est réglé par la commande à boutons' poussoirs (28, 29 et 30) du papillon d'air secondaire 22 pour un débit de va- peur donné, assurant le rapport désiré de combustible et d'air pour le rende- ment de combustion voulu. Le débit de combustible est réglé par la commande du papillon 40 au moyen du moteur 42, effectué à l'aide des boutons poussoirs
44, 45 et 46.
Le fonctionnement du groupe représenté sera décrit avec ré- férence à une charge correspondant au point de réglage. La charge du point de réglage de la température, considérée au point de vue des températures de va- peur dans un groupe à parcours de gaz multiples, pourrait être définie comme étant la charge à laquelle le débit de gaz de la chambre de combustion, dans le cas où l'équipement du foyer, c'est-à-dire les brûleurs, fonctionne avec rendement maximum, contient la quantité de chaleur totale voulue pour assurer la surchauffe de la vapeur à haute pression et le réchauffage de la vapeur à basse pression aux températures optima prédéterminées, aucune mesure positive telle que la recirculation des gaz n'étant prise pour modifier le degré d'ab- sorption de chaleur dans la chambre de combustion.
Dans un groupe générateur à parcours multiples, le gaz venant de la chambre de combustion est réparti entre les parcours à l'allure correspondant à la charge du point de réglage, de telle façon que la température optimum de la surchauffe et de réchauffage est assurée. A des charges comprises entre cette charge du point de réglage et une charge minimum prédéterminée, on provoque avantageusement une augmen- tation de la quantité de chaleur contenue dans les gaz pour maintenir la tem- pérature de surchauffe finale, et ceci se rapporte à des gaz qui passent en premier lieu par le surchauffeur secondaire et ensuite par les deux sections du surchauffeur primaire.
Dans la forme d'exécution représentée, cette augmen- tation de la teneur en chaleur est obtenue par un système de remise en circu- lation des gaz qui aspire du gaz de chauffe d'une ouverture 230 ménagée dans le carneau 232 partant de la sortie des parcours de gaz 72, 74 et 80. Ce systè- me comprend un conduit vertical 231 et une conduite associée 234 raccordée à l'entrée d'un ventilateur 236. La sortie de ce ventilateur est raccordée par un réseau de conduites 238 et 240 à une série de lumières 242 ménagées dans une ou plusieurs parois de la chambre de combustion 10 près du fond de cette dernière.
Le régistre ou papillon 244 établi dans le conduit vertical 231 se trouve dans une position largement ouverte à une charge minimum prédé- terminée et lorsque la charge augmente à partir de ce point jusqu'au point de réglage, le papillon 244 se ferme graduellement sous l'action du moteur 246 commandé par les boutons poussoirs de marche avant, de marche arrière et d'arrêt 248, 249 et 250 qui sont reliés au moteur 246 par les conducteurs 252.
La commande du papillon 244 est effectuée en tenant compte des indications don- nées par l'instrument 202 sur la température de surchauffe finale.
Ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus, la quantité de chaleur contenue dans les gaz traversant le surchauffeur est augmentée par le système de recirculation des gaz dans une gamme de charges inférieure. Il a été dit également que le débit de gaz remis en circulation est réglé d'après l'indi- cation de la température de surchauffe finale. Dans le groupe décrit, cette action se produit à partir d'une charge, minimum de l'ordre de 500.000 livres de vapeur jusqu'au point de réglage limitant la recirculation, indiqué par la ligne TU sur la Fig. 4 où les lignes MO et PR représentent respectivement les courbes caractéristiques de la température de surchauffe et de la tempé- rature de réchauffage.
Pendant cette partie du fonctionnement, les papillons 114 du réchauffeur sont largement ouverts, tandis que les papillons du sur- chauffeur primaire 94 et 102 sont actionnés en même temps que le papillon ar- rière 244 des gaz en recirculation, par les éléments pertinents du réglage ti- rés d'une indication irisuelle de la température de réchauffage finale donnée par l'instrument 216. Lorsqu'un point correspondant au point propre au @ de
<Desc/Clms Page number 6>
réchauffeur considéré, par exemple une charge de 950.000 livres par heure, indiquée par la ligne YZ est atteint, le papillon du surchauffeur est largement ouvert et il reste largement ouvert dans la gamme des charges au-dessus et au-delà de ce point.
Ainsi, la ligne A indique une gamme de charges au-dessus de laquelle le jeu de papillons 114 du réchauffeur est couverteet les jeux de papillons 94 et 102 du surchauffeur sont actionnés pour effectuer le réglage, tandis que la ligne B indique une gamme de charges au-dessus de laquelle les jeux de papillons du surchauffeur sont ouverts et le jeu de papillons du ré- chauffeur est actionné pour effectuer le réglage.
Au-dessus du point de réglage indiqué sur la Fig. 4 par la ligne TU, la température de la vapeur surchauffée est réglée par le désurchauf- feur à pulvérisation 124 pour maintenir la température de la vapeur surchauf- fée à la valeur prédéterminée. Pour arriver à ce résultat, l'opérateur observe la température finale de la vapeur indiquée par l'instrument 202 et actionne en conséquence les boutons poussoirs 134 à 136 pour mettre dans la position voulue la valve d'eau de pulvérisation 130 de manière à régler le débit d'eau à la quantité nécessaire pour limiter la température de vapeur finale à la valeur désirée.
Dans une gamme de charges supérieure dépassant le point propre au type de réchauffeur employé YZ, les papillons du réchauffeur 114 sont par- tiellement fermés par l'opérateur agissant sur les boutons poussoirs 118 à 120, suivant les indications visuelles de l'instrument 216 sur la température de réchauffage finale. Il n'est donc pas nécessaire d'admettre de l'eau pour désurchauffer par pulvérisation d'eau la vapeur sortant du réchauffeur, entre le point de réglage du réchauffeur et un point W à une charge approximativement de 1.050.000 livres de vapeur par heure.
Au-dessus de cette charge et dans la gamme des surcharges jusqu'à 1.100.000 livres de vapeur par heure, il peut être nécessaire d'employer de l'eau de pulvérisation pour abaisser la tempé- rature de la vapeur réchauffée suivant le degré auquel on considère qu'il est désirable de limiter l'apport de chaleur dans le surchauffeur lorsqu'on tient compte de différents facteurs, parmi lesquels on peut citer la température du métal du surchauffeur la chute de pression de la vapeur du surchauffeur et la perte de tirage au surchauffeur. Lorsqu'un certain de ces facteurs limite la charge à laquelle tout le réglage de désurchauffage se borne à un désur- chauffage de la vapeur du surchauffeur, le désurchauffage de la vapeur du ré- chauffeur n'est alors amorcé que dans des conditions de surcharge plus élevées.
Bien qu'une quantité considérable d'eau de pulvérisation ait été employée pour le désurchauffage de la vapeur surchauffée entre le point de réglage défini par la ligne TU et le point W,cet emploi pour le désurchauffage n'a pas d'ef- fet préjudiciable sur le rendement thermo-dynamique de l'installation comme ce serait le cas si l'on employait une quantité similaire d'eau de pulvérisa- tion pour le désurchauffage de la vapeur réchauffée.
Dans le graphique de la Fig. 4, la ligne XW allant d'une char- ge de 550. 000 livres de vapeur par heure à 1.050.000 livres de vapeur par heure, représente le réglage de la température de vapeur au-dessus de cette échelle. La courbe MO représente la température de surchauffe non réglée qui serait obtenue pour les surfaces d'absorption de la chaleur considérées, si l'on n'appliquait pas l'invention, et la ligne PR représente la température de réchauffage non réglée qu'on obtiendrait sans faire application de l'in- vention.
La surface hachurée désignée par SA qui comprend la surface plus fortement hachurée RA représente l'étendue de la gamme de charges sur laquelle le désurchauffage de la vapeur surchauffée est effectué, les ordon- nées de la surface hachurée au-dessus de la ligne XW indiquant l'accroisse- ment du désurchauffage par pulvérisation avec l'augmentation de la charge.
La surface hachurée plus petite RA représente l'étendue de la gamme des surcharges sur laquelle le désurchauffage de la vapeur réchauffé@
<Desc/Clms Page number 7>
est effectué et les ordonnées de la surface RA au-dessus du niveau de la ligne
XW indiquent l'augmentation de la quantité d'eau de pulvérisation ainsi em- ployée. Le désurchauffage de la vapeur réchauffée est effectué par l'opérateur agissant sur les boutons poussoirs 170,171 et 172 (Fig. 3), .d'après les indi- cations de la température de réchauffage données par l'instrument 216.
On remarquera que la surface RA est relativement petite en comparaison de la surface SA et quand bien même l'emploi d'eau de pulvérisa- tion est nécessaire dans la gamme des surcharges il n'a qu'une importance mineure au point de vue du rendement thermique total de l'installation qui fonctionne habituellement à une charge inférieure à 1.050.000 livres par heu- re.
L'installation d'un désurchauffeur à pulvérisation associé au réchauffeur, si des mesures sont prises pour l'amener automatiquement en action si la température devient excessive à la sortie du réchauffeur, est avantageuse au point de vue de la sécurité du fait qu'elle assure une protec- tion complète contre les hautes températures qui pourraient sans cela dété- riorer la turbine à vapeur.
Dans le fonctionnement considéré du groupe et de l'appareil donnés à titre d'exemple,au cours de plusieurs phases comprenant chacune une gamme de charges différente, les faits suivants se produisent lorsque la char- ge augmente d'un minimum à un maximum.
Dans la phase I, la recirculation des gaz atteint son degré maximum et l'amplitude de l'étranglement des parcours du surchauffeur est plus grand aux faibles charges, le parcours des gaz du réchauffeur n'étant pas étranglé. Lorsque la charge augmente au cours de la phase 1 jusqu'au départ de la phase II, la recirculation du gaz est réduite à zéro, l'étranglement du parcours des gaz du surchauffeur est réduit de telle façon que lorsque la phase II est amorcée, le surchauffeur est encore étranglé dans une certaine mesure et le parcours du réchauffeur n'est soumis à aucun étranglement. La charge du point de réglage se trouve entre les phases 1 et II.
Dans la phase II, le parcours des gaz du réchauffeur est main- tenu non étranglé et il y a réduction progressive de l'étranglement du courant de gaz dans le parcours du surchauffeur avec introduction concurrente et aug- mentation progressive du désurchauffage par pulvérisation de la vapeur sur- chauffée.
Il n'y a pas d'étranglement ou réduction du courant de gaz dans le parcours du surchauffeur pendant la phase III, mais un étranglement du courant de gaz dans le parcours de gaz du réchauffeur est amorcé et aug- menté progressivement et le désurchauffage de la vapeur du surchauffeur est augmenté progressivement en même temps que la charge augmente.
Dans la phase IV, (gamme des surcharges) le parcours des gaz du surchauffeur n'est pas étranglé, l'étranglement du courant de gaz dans le parcours de gaz du réchauffeur qui est obtenu à la fin de la phase III est prolongé, tandis que le désurchauffage de la vapeur surchauffée est aug- menté prpgressivement et le désurchauffage de la vapeur réchauffée est amor- cé et progressivement augmenté.