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PERFECTIONNEMENTS AUX CHAUDIERES A VAPEUR.
La présente invention est relative à des perfectionnements à la conception des collecteurs de chaudières et concerne plus particulièrement l'élimination ou la réduction très importante des fatigues thermiques dans la paroi des collecteurs d'eau et de vapeur des unités génératrices de vapeur à haute pression lorsque ces unités sont mises en ou hors service.
En mettant en action une chaudière il faut veiller avant tout à maintenir une température uniforme dans tout le collecteur pour éviter des fatigues thermiques excessives dans la paroi du collecteur.
Dans le passé ceci était réalisé en élevant lentement la pression de 1' unité et en élevant de ce fait uniformément la température du collecteur.
Cette manière de faire augmente évidemment considérablement le temps nécessaire pour mettre en route une unité génératrice de vapeur fonctionnant sous haute pression. Si ce processus de mise en route et de mise hors service doit être répétée souvent comme par exemple tous les jours ou tous les deux jours,il devient extrêmement important du point de vue du rendement du groupe producteur d'énergie de réaliser cette opération aussi rapidement que possible.
La présente demande expose des moyens pour arriver à ce résultat; lesdits moyens s'appliquant largement à toute une variété de chaudières y compris des chaudières à circulation forcée et des chaudières à circulation naturelle.
Le principal objet de l'invention est de réduire considérablement le temps nécessaire pour mettre en ou hors service une unité génératrice de vapeur à haute pression.
Un objet plus spécifique de l'invention est d'éliminer ou de réduire grandement les fatigues thermiques dans les parois épaisses des col-
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lecteurs à haute pression pendant les opérations de mise en et hors service.
Suivant l'invention, on prévoit une chaudière génératrice de vapeur comprenant un foyer avec dedans au moins un circuit générateur de vapeur pour absorber une partie de la chaleur développée par la combustion du combustible dans ledit foyeret un collecteur à eau età vapeur généralement horizontal ayant un espace à vapeur dans la partie supérieure et un espace à eau dans sa partie inférieure, ce dernier étant rempli d'eau à une hauteur prédéterminée, caractérisée par un élément déflecteur dans ledit collecteur, s'étendant sensiblement dans toute sa longueur et placé à une distance déterminée de la surface intérieure de ce collecteur mais s'y conformant généralement pour la majeure partie ledit déflecteur se terminant dans ce collecteur en dessous du niveau d'eau qui y règne,
les extrémités dudit déflecteur d'adaptant de manière étanche à la paroi du collecteur formant ainsi une chambre entre l'extérieur dudit déflecteur et 1' intérieur de ladite paroi de collecteur, au moins une ouverture voisine de la partie la plus basse dudit déflecteur formant un passage entre ladite chambre et l'espace à vapeur et à eau dans ledit collecteur, ledit circuit générateur de vapeur ayant son orifice d'entrée communiquant avec 1' espace à eau dudit collecteur et son orifice de sortie menant dans ladite chambre, des moyens de pompage étant prévus de préférence, propres à faire circuler de l'eau de l'espace à eau dudit collecteur, à ladite chambre.
Pour mieux faire comprendre l'invention, elle sera décrite à présent en se référant aux dessins ci-annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe verticale (quelque peu schématique) de la chaudière à circulation forcée d'une unité génératrice de vapeur commerciale employant l'organisation suivant l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique simplifiée d' une chaudière qui montre son collecteur à eau et à vapeur équipé de 1' appareillage suivant l'invention ici décrite - la figure 3 est une représentation semblable simplifiée montrant une chaudière fonctionnant avec circulation naturelle mais utilisant un circuit de circulation d'eau supplémentaire agencé de manière unique pour coopérer avec l'appareillage suivant l'invention installé dans le collecteur à eau et à vapeur;
- la figure 4 est une coupe transversale dans le collecteur à eau et à vapeur, agrandie pour montrer comment les dispositifs contrôlant la circulation de l'eau et de la vapeur peuvent y être installés de manière satisfaisante pour réaliser les objectifs désirés de l'invention; - la figure 5 est une coupe longitudinale horizontale à échelle réduite dans le collecteur d'eau et de vapeur (faite suivant la ligne 5-5 de la figure4)et montrant comment les moyens d'égalisation de la température ici décrits s'étendent sensiblement sur toute la surface du collecteur.
L'appareillage suivant l'invention ici décrit peut être montré à titre d'exemple avec une chaudière à haute pression du type à rayonnement avec circulation forcée et ayant un seul collecteur à eau et à vapeur, et sera décrit en s'y référant d'abord.
Une forme de réalisation commerciale d'une telle chaudière est montrée à la figure 1 des dessins.
Cette chaudière a une production garantie de 8750000 livres de vapeur à 1' heure à une température de 1050 F et une pression de 1850 livres par pouce carré, et est équipée d'un collecteur d'eau et de vapeur 7 qui a un diamètre d'environ 4.5 pieds et une longueur d'environ 40 pieds.
Dans ledit collecteur 7 est disposé un appareillage interne au collecteur qui comprend les nouvelles particularités de la présente invention et qui sera décrit plus complètement à présent
En se référant plus spéen quement à ladite figure 1
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et à la représentation simplifiée montrant Inorganisation complexe de ladite figure 1 comme représentée à la figure 2. 1'eau de complément est amenée sous pression à la conduite principale d'admission 3 de l'économiseur et après avoir été chauffée dans léconomiqueur 5 elle s'écoule par la conduite 6 (figure 1) vers le collecteur d'eau et de vapeur 7 qui est éloigné du foyer 17 et n'est pas en relation d'échange de chaleur avec lui et qui est suspendu à des dispositifs de suspension convenables 8 (figure 1).
L'eau s'écoulant vers ledit collecteur depuis l'économiseur 5 est distribuée sur sa longueur par un tuyau d9alimentation 9 (voir figures 4 et 5) remplissant en partie le collecteur jusqu'à un niveau d'eau indiqué en 10.
Du collecteur 7 l'eau pénètre dans le conduit 11 menant à la pompe 13 de circulation forcée qui force l'eau à passer par les divers circuits de vaporisation au moyen de tubes distributeurs principaux convenables. Dans l'organisation plus complexe de la figure 1, ces tubes principaux prennent la forme d'un tube principal toroldal 15a alimentant plusieurs tubes principaux 15b, 15c et 15d de circuits de vaporisation, tandis que dans la vue simplifiée de la figure 2. les tubes principaux sont représentés par la conduite unique 15. Les circuits de vaporisation, désignés généralement par le chiffre 16. constituent des surtaxes de chauffe agencées sur les parois latérales. antérieures et postérieures, le plafond et le plancher du foyer, ainsi que d'autres surfaces de chauffe agencées pour refroidir les parois des passages de gaz de l'unité.
La chaleur est engendrée dans ledit foyer 17 en allumant les brûleurs à combustible 18, une partie de ladite chaleur étant absorbée par les surfaces de chauffe du circuit de vaporisation précitéo
Suivant l'invention, le mélange d'eau et de vapeur venant de ces circuits de vaporisation 16 est délivré dans des tubes principaux convenables à la partie la plus haute de la chaudière, l'un de ces tubes étant montré en 14 à la figure 1, et de là passe à la partie supérieure du collecteur d'eau et de vapeur 7 par les tubes 19 (voir figures 1. 2. 3 et 4) et dans l'espace entre la paroi déflectrice 21 (voir figures 4 et 5) et la surface inférieure du collecteur.
La plaque déflectrice 21 qui s'étend sur toute la longueur du collecteur 7 (voir figure 5) est disposée périphériquement et peut avantageusement être écartée de la surface du collecteur d'une distance d'environ un pouce et demi. L'eau du mélange d'eau et de vapeur qui est confiné dans cet espace 22. en y passant à l'étroit, vient en contact avec la surface intérieure du collecteur et la nettoie au cours de son voyage vers l'admission des unités séparatrices de vapeur 23 où l'eau est séparée de la vapeur de toute manière convenable comme par exemple par effet centrifuge. La résistance à l'écoulement dans les séparateurs est telle que la pompe de circulation 13 maintient l'espace 22 rempli d'eau.
Tandis que la séparation a lieu dans lesdites unités 23. la vapeur s'y élève et se décharge (comme indiqué par les flèches) dans l'espace de vapeur à l'intérieur de la paroi déflectrice périphérique 21 dans la partie supérieure 25 du collecteur 7. L'eau séparée du mélange d'eau et de vapeur dans les séparateurs 23 s'écoule vers le bas pour rejoindre 1' eau d'alimentation entrant dans le collecteur par le tuyau d'alimentation 9 et remplissant la partie inférieure du collecteur jusqu'au niveau d'eau 10. La vapeur saturée occupant l'espace à la partie supérieure 25 du collecteur 7 passe de là par les tamis de séchage 29 (voir figure 4) où est enlevée pratiquement toute l'humidité restantea et la vapeur saturée sèche quitte alors le collecteur par les tubes 31 de liaison au surchauffeur pour entrer dans les dispositifs surchauffeurs convenables.
Dans l'agencement de la figure 1, la vapeur s'écoulant par lesdits tubes 31 entre dans les tubes principaux 32 du surchauffeur 4 en passant par les tubes principaux 32a et 32b et les conduites 30a et 30b. elle passe par l'étape à basse température 34 du surchauffeur à deux étages. dans le tube principal 36 et de là elle est transportée vers l'étage à haute température 38 duiit surchauffeur en passant par la conduite 36a et le tube principal 36b d'ou elfe pa se tube principal de sortie du surchauffeur
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figure 2 on a exposé un surchauffeur 35 à un seul étage, qui reçoit de la vapeur des tubes 31 passant par le tube principal 33 et l'amène audit tube principal de sortie 37 d'où elle entre dans la conduite principale de vapeur de la centrale productrice d'énergie. La forme de réalisation commerciale de la figure 1 comprend aussi un réchauffeur 39 (non représenté à la figure 2) agencé pour recevoir de la vapeur d'un étage intermédiaire d'une turbins ou analogue (non montrée) par le tube principal d'entrée 39a et la réchauffer à une température désirée sous une pression prédéterminée. Après avoir quitté ledit réchauffeur 39 la vapeur réchauffée pénètre dans le tube principal de sortie 39b et de là passe par des conduites convenables aux points d'utilisation désirés.
La prévision susdite d'un espace d'écoulement d'eau 22 entre 1' enveloppe du collecteur 7 et la paroi de déflecteur inférieur 21 rend possible une égalisation de la température du métal du collecteur d'une manière unique et effective plus complètement expliquée plus loin.
Le problème créant un besoin des perfectionnements suivant 1' invention se présente comme suit le cycle de charge journalier d'hiver d'un système d'utilité publique fournissant de l'énergie à une zone métropolitaine type montre que tard dans la soirée les exigences de charge maxima dépassent les charges minima du début de la matinée de plus de 200 pour cento Cette grande différence entre les charges journalières maxima et minima rend nécessaire de mettre hors service la nuit certaines des unités génératrices de vapeur à haute pres- sion, dont on peut considérer celle qui est montrée à la figure 1 comme typique.
Cependant en plus de la variation extrême dans les besoins de puissance, indiquées par le cycle de charge précité, ledit cycle montre aussi un taux très élevé de prise de charge dans les heures du matin de 5 à 9 h, de sorte qu'entre ces heures la charge s'élève généralement de 100 pour cent à environ 250 pour cent.
Ainsi dans le fonctionnement des systèmes générateurs d'énergie modernes. alors qu'il est nécessaire de mettre hors service souvent (même journellement) des unités génératrices de vapeur à haute pression (représentées comme type à la figure 1). il est extrêmement désirable de mettre ces unités en activité dans le minimum de temps possible compa- tible avec la sécurité de l'unité.
Des générateurs de vapeur à haute pression ayant en moyenne une pression de vapeur de 1000 à 2000 livres par pouce carré, nécessitent dans des conditions normales de 5 à 7 heures pour être mises en ligne, c' est-à-dire amener l'unité à sa pression de vapeur et température de vapeur maxima. Une aussi longue période de temps est nécessaire d'abord en vue d' assurer une croissance lente et uniforme de la température du métal du collecteur.
Dans certaines installations habituelles (non comprises dans les présents perfectionnements inventifs) des essais ont été faits pour vérifier les températures du métal du collecteur par des thermocouples noyés dans le haut et dans le bas de l'enveloppe du collecteur (correspondant à 7 dans les dessins de celui-ci)et des lectures de température ont ainsi été obtenues pendant les opérations de mise en service et hors service. Ces lectures (dans lesdites installations habituelles) indiquent une différence de température de jusqu'à 1700 entre la température du haut et du bas du métal du collecteur.
Si l'on considère que l'épaisseur de paroi d'un collecteur à haute pression (tel que montré ici en 7) peut être de l'ordre de 5 pouces, il sera observé immédiatement par celui qui est au courant de l'art de prévoir et de faire fonctionner des chaudières que si des générateurs de vapeur de ce type à haute pression sont rapidement mises sous pression et ramenées au repos souvent,, comme par exemple tous les jours ou tous les deux jours, il y a une possibilité, sinon une vraisemblance pour que des fissures puissent se développer dans la tôle du collecteur à cause des grandes
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fatigues thermiques différentielles qui y sont produites.
Les observations des essais précités servent à montrer l'impor- tance qu'il y a à échauffer les collecteurs lentement en mettant en service une chaudière à haute pression, l'expérience montrant quen général on ne doit pas dépasser une élévation de température horaire de plus de 100 degiés- Ainsi par exemple une chaudière fonctionnant sous une pression de 1800 livres par pouce carré, pression à laquelle la température de la vapeur saturée est de l'ordre de 622 degrés, nécessitera une période d'environ 5 heures pour être amenée à pleine pression et température à partir d'un départ à froid.
Il sera bien remarqué par quelqu'un qui est au courant de 1' économie des centrales. que des économies considérables dé frais de fonctionnement, en combustible et en travail. peuvent être réalisées si cette période de démarrage (et la période de mise au repos) peut être raccourcie même d'une faible quantité.
Une étude récente faite dans un agencement d'utilité publique a montré que des économies annuelles dans les frais de fonctionnement dans ce seul système se monteraient à des centaines de milliers de dollars si le temps nécessaire pour mettre une unité en ligne pouvait être réduit de manière substantielle.
Il tombe sous le sens qu'un raccourcissement de la durée de mise en route ne peut être obtenu en risquant de sérieux dommages à l'enveloppe du collecteur. Par conséquent des modes et moyens ont été trouvés pour protéger le collecteur de changements de température excessifs et des fatigues thermiques consécutives.
Les moyens d'égalisation de température du collecteur ici décrits ont résolu ce problème d'une manière presque unique et satisfaisante comme cela sera montré maintenant.
En mettant en service une unité génératrice de vapeur sans bénéficier des moyens précités d'égalisation de température, l'intérieur des parties sous pression telles que les tubes et collecteurs de chaudière est naturellement rempli d'eau avant qu'une chaleur quelconque soit appliquée par le foyer. A ces moments la température de l'enveloppe du collecteur (correspondant à 7 dans le dessin précité) est très basse, éventuellement même plus basse que la température de l'eau amenée à la chaudière (comme par le tuyau d'alimentation 9 des dessins).
Lorsqu'on applique là chaleur (très lentement ou de manière intermittente) par les brûleurs du foyer (correspondant aux dispositifs 18 des dessins), la température de 1' eau s'élève et avec elle. la température de la partie inférieure de l'enveloppe du collecteur. c'est-à-dire la partie qui est en contact avec l'eau qui y est contenueo La partie supérieure de l'enveloppe du collecteur généralement non en contact avec l'eau et qui constitue la majeure partie de 1' enveloppe se maintient pratiquement à la même température basse qu'elle avait au début des opérations de mise en route,, à moins qu'on n'accorde un temps considérable à la chaleur pour passer de la surface inférieure, touchée par l'eau, du collecteur. aux portions supérieures encore non en contact avec de la vapeur.
Ceci est dù à la faible conductibilité relative de l'aciero
La différence de température entre la partie inférieure et la partie supérieure d'une enveloppe de collecteur non protégée peut par conséquent varier très vraisemblablement de jusqu'à 125 degrés même à la pression atmosphérique. En outre, dès que de la vapeur est engendrée la surface intérieure de la partie supérieure froide d'une enveloppe de collecteur non protégé vient en contact avec de la vapeur et s'approchera bientôt de sa température. créant une différence de température similaire entre les surfaces extérieureintérieure de la partie supérieure de l'enveloppe du collecteur, comme @@tre les parties supérieure et inférieure du collecteur.
Comme déjà indigué. les conditions indési-ables décrites ci-dessus
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prévalent pendant,l'opération de mise en service d'une unité à haute pression qui ne bénéficie pas de l'emploi des nouveaux moyens d'égalisation de la température du collecteur; et dans le but d'éviter des fatigues thermiques excessives dans la tôle du collecteur d'un générateur de vapeur habituel, ces conditions obligent à suivre un processus prudent et lent en amenant l'unité de chaudière à point quant à la pression et température de fonctionnement .
Le danger précité d-endommager le collecteur est grandement diminué lorsqu'on applique les moyens d'égalisation de la température du collecteur parce qu'ils rendent possible le maintien d'une même température uniforme dans toute la tôle du collecteur. En appliquant les perfectionnements de l'invention à un collecteur à haute pression il est possible de mettre en route l'unité de chaudière dans un temps beaucoup plus court qu'on ne pouvait l'admettre jusqu'à présent sans risquer d'endommager l'enveloppe de collecteur.
Ce qui précède est rendu possible en nettoyant continuellement la surface intérieure de la partie supérieure de l'enveloppe du collecteur avec de l'eau, tandis que l'unité est mise sous pression. Comme indiqué plus haut. ceci est réalisé en installant une plaque déflectrice 21 espacée de la surface intérieure du collecteur 7 mais à proximité étroite de celleci et en déchargeant de l'eau dans l'espace étroit 22 entre la surface intérieure du collecteur et la plaque déflectrice 21 avec une vitesse appréciable, ladite eau ayant été prise (comme par la conduite 11) de la partie inférieure du collecteur et étant mise en circulation continue,,. dans 1' agencement des figures 1 et 2, par la pompe 13 à circulation forcée dans le circuit générateur de vapeur 16.
Ainsi en mettant en service une chaudière (telle que celle des figures 1 et 2) ayant un collecteur d'eau et de vapeur 7 qui est équipé avec les dispositifs 21 - 22 égalisateurs de température suivant l'invention, sensiblement toute la surface intérieure dudit collecteur 7 est constamment baignée soit d'eau seule soit d'un mélange d'eau et de vapeur tandis que se poursuit le processus de mise sous pression,, et la température du métal du collecteur est ainsi uniformément augméntée sensiblement à la vitesse à laquelle la chaleur est absorbée par les surfaces de chauffe 16 et à laquelle s'élève la pression de vapeur de l'unité.
L'application de cette invention à des unités génératrices de vapeur à haute pression permettra donc de diminuer l'importance d'une longue et prudente période de mise en action parce que les nouveaux moyens d'égalisation de la température assurent un échauffement automatiquement uniforme de sensiblement toute la surface intérieure de l'enveloppe du collecteur sans avoir à tenir compte de la vitesseàlsquelle peut se produire l'échauf' fement du collecteur (dans des limites raisonnables)
Bien que la description initiale précitée de l'invention ait été faite relativement à un dispositif avec circulation contrôlée (parfois désignée par circulation forcée) de chaudière telle que présentée comme type par les représentations des figures 1 et 2.
l'invention peut également bien être appliquée à une unité génératrice de vapeur fonctionnant avec circulation naturelle de la manière présentée comme type à la représentation schématique de la figure 3.
Cette application peut être faite en installant un circuit à circulation spéciale tel que celui montré à la figure 3 comprenant une pompe de circulation 42 qui fonctionne pour aspirer de 1 eau de la partie inférieu - re du collecteur 7 par le conduit 44 et la déchargerpar le-tube principal 41 et les tubes 40 dans la partie supérieure de l'espace du collecteur 22, baignant ainsi la tôle du collecteur et en égalisant la température tout à fait de la même manière que décrite ci-avant pour la chaudière à circulation contrôlée montrée aux figures 1 et 2 et avec les mêmes avantages résultants Ici également la résistance à l'écoulement à travers les séparateurs 23 est telle, par rapport au débit de la pompe 13.
que l'espace 22 est maintenu rempll d eau nendant le fonstionnement de ladite pompe.
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De la description et de l'exposé qui précède, de formes de réalisation préférées de l'invention. il apparaitra que ces formes de réalisation sont plutôt illustratives que restrictives, et que l'invention peut être réalisée d'autres manières encore sans s'écarter de son esprit.
REVENDICATIONS
1. Chaudière génératrice de vapeur comprenant un foyer avec dedans au moins un circuit générateur de vapeur pour absorber une partie de la chaleur développée par la combustion du combustible dans ledit foyer,et un collecteur d'eau et de vapeur généralement horizontal ayant un espace à vapeur dans sa partie supérieure et un espace à eau dans sa partie infé- rieure, ce dernier étant rempli d'eau jusqu9à une hauteur prédéterminée, caractérisée en ce qu9un élément déflecteur (21) dans ledit collecteur (7)
s'étend sensiblement sur toute la longueur de celui-ci et est écarté d'une certaine distance de la majeure partie de la surface intérieure dudit collecteur mais en épouse sensiblement la formée ledit déflecteur se terminant en dessous du niveau d'eau dans le collecteurs les extrémités dudit déflecteur étant adaptées de manière étanche à la paroi du collecteur de manière à former une chambre (22) entre l'extérieur dudit déflecteur et l'intérieur de la paroi du collecteurs au moins une ouverture (23) voisine de la partie inférieure dudit déflecteur fournissant une communication entre ladite chambre (22) et l'espace à eau et à vapeur (25) dans ledit collecteur, ledit circuit générateur de vapeur ayant son entrée communiquant avec 1' espace à eau dudit collecteur et sa sortie menant dans ladite chambre (22),
des moyens de pompage étant prévus de préférence,, propres à faire circuler de l'eau de l'espace à eau dudit collecteur vers ladite chambre (22).