Procédé de réglage d'une installation thermique et installation thermique pour la mise en oeuvre du procédé
Le présent brevet a pour objets un procédé de réglage d'une installation thermique comprenant une source de chaleur, un échangeur de chaleur, un circuit de fluide caloporteur primaire entre la source et l'échangeur, un générateur de vapeur comprenant lui-même un évaporateur et un surchauffeur, un circuit de fluide caloporteur secondaire entre l'échangeur et le générateur de vapeur, une machine motrice et un circuit de fluide vaporisable traversant le générateur de vapeur en un seul passage ainsi que la machine motrice et un condensateur, et une installation thermique pour la mise en oeuvre du procédé.
On connaît des installations de production d'énergie qui, pour éviter toute contamination du circuit d'utilisation, comportent entre la source de chaleur et la machine motrice deux boucles de fluide caloporteur. Ainsi, dans certaines installations utilisant la chaleur dégagée par un réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide, la chaleur absorbée dans le réacteur par le métal liquide, tel que le sodium, circulant dans la première boucle, est transmise au générateur de vapeur par l'intermédiaire d'un fluide secondaire circulant dans la seconde boucle. Ce fluide secondaire est généralement constitué également par un métal liquide, en particulier par du sodium ou l'eutectique sodium-potassium.
Dans certaines installations thermiques telles que définies ci-dessus, le générateur de vapeur est du type à passage direct, c'est-à-dire que le fluide vaporisable, en général de l'eau, le traverse en un seul passage sans recirculation et sans ballon séparateur: l'eau sous pression entrant à l'état liquide à une extrémité, ressort sous forme de vapeur surchauffée à l'autre extrémité. La vapeur produite est généralement détendue dans une ou plusieurs turbines productrices d'énergie, puis condensée avant d'être retournée à l'entrée du générateur de vapeur
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on règle les débits du fluide primaire dans la source de chaleur et du fluide secondaire dans le générateur de vapeur, indépendamment l'un de l'autre et on maintient constante la température du fluide vaporisable entre l'évaporateur et le surchauffeur.
L'installation thermique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de réglage du débit de fluide secondaire dans l'évaporateur, asservis à la valeur de la température du fluide vaporisable à la sortie de l'évaporateur et des moyens de réglage du débit de fluide primaire dans la source de chaleur asservis à un autre paramètre de l'installation.
Ainsi, pour assurer une valeur constante de la température du fluide vaporisable avant surchauffe, tout en conservant les possibilités de régulation des autres paramètres des installations classiques, le procédé met à profit la présence du circuit intermédiaire de fluide secondaire qui permet, par réglage du débit de fluide secondaire lors des variations de charge de l'installation, de faire varier les écarts de température dans l'échangeur et dans le générateur de vapeur, les débits de fluides ne restant pas proportionnels, et constitue ainsi un facteur de régulation supplémentaire.
L'avantage essentiel de la présente installation thermique comparée aux installations classiques réside dans la possibilité d'un choix optimal des matériaux entrant dans la construction du générateur de vapeur en fonction des températures de fonctionnement. En effet, si la circulation des fluides a lieu à contre-courant (cas le plus fréquent), les températures sont plus faibles dans l'évaporateur que dans le surchauffeur. La température de la vapeur à la sortie de l'évaporateur étant maintenue constante, on évite toute élévation de température dans l'évaporateur lors des réductions d'allure, ce qui permet notamment l'utilisation d'aciers ferritiques, dont on sait qu'ils résistent moins bien au fluage et à la corrosion que les aciers austénitiques aux températures élevées en présence de sodium, mais qui, par contre, sont nettement plus économiques.
Dans les surchauffeurs, la température étant plus élevée, l'acier austénitique est nécessaire; le point de fin de vaporisation restant toujours au niveau de l'évaporateur, on évite les risques de corrosion inhérents au fonctionnement en vaporisation en présence de cet acier lorsque le traitement de l'eau d'alimentation n'est pas parfaitement assuré.
Selon un mode de réalisation de l'installation thermique, le circuit du fluide d'utilisation comporte en série au moins une première turbine de détente de la vapeur surchauffée, un resurchauffeur disposé sur le circuit de fluide secondaire en parallèle avec le surchauffeur, une seconde turbine de détente de la vapeur resurchauffée et un condenseur de la vapeur détendue. Dans ce cas, le resurchauffeur est soumis aux mêmes températures que le surchauffeur et il peut être réalisé dans le même matériau.
Quelques modes de réalisation de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention seront décrits, à titre d'exemple, en se référant au dessin cijoint auquel:
La fig. 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation fonctionnant en réseau prioritaire.
La fig. 2 montre les variations de température des fluides aux cours des échanges pour deux allures différentes de fonctionnement.
La fig. 3 montre l'évolution des températures en fonction des variations d'allure.
La fig. 4 illustre une variante de réalisation de l'installation de la fig. 1.
La fig. 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation fonctionnant également en réseau prioritaire, dans lequel la température du fluide primaire à la sortie du réacteur est variable.
La fig. 6 illustre une variante de réalisation de l'installation dans le cas d'un fonctionnement en réacteur prioritaire.
Les différents modes de réalisation décrits ci-après sont appliqués à la production d'énergie à partir de la chaleur dégagée dans un réacteur nucléaire refroidi par circulation de sodium liquide.
A la fig. 1, la réactivité, et par conséquent la quantité de chaleur produite par un réacteur nucléaire 1, est réglée à l'aide de barres de contrôle 2.
La chaleur produite dans le réacteur est cédée au fluide de refroidissement constitué par du sodium liquide.
Celui-ci parcourt un circuit primaire 4 entre le réacteur 1 et un échangeur intermédiaire 5. La circulation de sodium dans ce circuit fermé est assurée par une pompe 6 à vitesse variable.
Dans l'échangeur 5, le sodium du circuit primaire cède sa chaleur à un fluide secondaire, également constitué de sodium liquide, qui circule dans un circuit secondaire 8. Le sodium chaud sortant de l'échangeur 5 sert à la production de vapeur dans un générateur de vapeur 10. La circulation du sodium secondaire dans le circuit 8 est assurée par une pompe à vitesse variable 9.
Le générateur de vapeur 10 reçoit l'eau du circuit d'utilisation 11. Celui-ci comporte en outre deux turbines successives 12 et 13 de détente de la vapeur produite, un condenseur 14 de la vapeur détendue et une pompe d'alimentation 15.
Le générateur de vapeur 10 comprend trois parties: un évaporateur 16 représentant en fait l'ensemble économiseur-évaporateur, un surchauffeur 17 et un resurchauffeur 18. Le sodium secondaire chaud sortant de l'échangeur 5 est divisé en deux flux dont les débits sont réglés par le robinet 19 et qui chauffent respectivement le surchauffeur 17 et le resurchauffeur 18. Les deux flux se rejoignent ensuite pour chauffer l'évaporateur 16.
La vapeur produite dans l'évaporateur 16 et surchauffée en 17, puis détendue dans la turbine 12, est resurchauffée dans le resurchauffeur 18 avant d'être à nouveau détendue dans la turbine 13.
L'installation de la fig. 1 fonctionne en réseau prioritaire , c'est-à-dire que la réactivité du réacteur 1 est réglée en fonction de la charge des turbines 12 et 13.
I1 est utile, dans les installations nucléaires, de maintenir constantes les températures du fluide réfrigérant à l'entrée et à la sortie du réacteur. A cet effet, l'installation comporte, sur le circuit primaire 4, un régulateur de température 20, en amont du réacteur, qui permet de maintenir constante la température minimale du sodium primaire par action sur le débit de la pompe 6, et un autre régulateur de température 21, en aval du réacteur, dont le rôle est de maintenir constante la température maximale du sodium primaire par action sur le mécanisme de commande des barres de contrôle 2.
Sur le circuit d'utilisation 11, la température de l'eau alimentant le générateur de vapeur 10 est maintenue constante d'une manière classique, par action sur le débit de réchauffeurs non représentés.
Un régulateur de température 22 est placé sur le circuit de vapeur, juste à la sortie de l'évaporateur 16. Ce régulateur permet de conserver la situation du point de fin de vaporisation de l'eau ou, plus exactement, de maintenir constante la température de vapeur très légèrement surchauffée (de 5 à 10 C par exemple) obtenue à la sortie de l'évaporateur. Le régulateur 22 agit sur le débit de sodium secondaire véhiculé par la pompe 9.
Un régulateur de pression 24 est également prévu sur le circuit de vapeur à la sortie de l'évaporateur 16.
I1 maintient la pression de la vapeur en ce point constante par action sur le débit d'eau d'alimentation.
Un régulateur de température 26 maintient constante la température de la vapeur surchauffée à la sortie du surchauffeur 17. I1 agit sur le robinet 19 qui commande la répartition du débit total de sodium secondaire entre le surchauffeur 17 et le resurchauffeur 18.
Enfin, la température de la vapeur resurchauffée alimentant la turbine 13 est également maintenue constante par un régulateur de température 28 qui agit sur une vanne 29 commandant le débit de vapeur de désurchauffe qui passe dans une conduite de dérivation 30 du resurchauffeur 18.
Selon une variante permettant d'éviter cette désurchauffe, le régulateur 28 peut commander le débit de sodium secondaire dans une conduite de dérivation supplémentaire évitant à la fois le surchauffeur 17 et le resurchauffeur 18.
La régulation de la température de la vapeur à la sortie de l'évaporateur (en plus de celle de la vapeur surchauffée) est autorisée par la présence du circuit secondaire de sodium. On peut en effet faire subir au débit de sodium secondaire des variations non proportionnelles à celles du débit de sodium primaire, ce qui permet de faire varier, en fonction de l'allure, les écarts de température entre fluides dans l'échangeur intermédiaire d'une part et dans l'ensemble évaporateur et économiseur d'autre part.
L'évolution correspondante de température est représentée graphiquement sur les fig. 2 et 3. Celles-ci se rapportent à une installation conforme à la fig. 1 en ce qui concerne la régulation de la température de vapeur à la sortie de l'évaporateur et de la température de vapeur surchauffée, mais ne comportant pas de régulation de température pour la vapeur resurchauffée.
La fig. 2 représente les variations de température des différents fluides en fonction de la chaleur échangée, et ceci pour deux allures différentes: les courbes relatives à l'allure nominale sont représentées en traits pleins et les courbes relatives à une allure réduite (0,25 par exemple) en traits interrompus.
Les courbes 31, 32, 33 correspondent respectivement au sodium primaire, au sodium secondaire et à l'eauvapeur. Les lignes verticales délimitent les différentes sections de générateur de vapeur, à savoir successivement: l'économiseur, l'évaporateur, le surchauffeur et le resurchauffeur.
La fig. 3 représente, en fonction de l'allure, les variations des températures des différents fluides aux principaux points de l'installation. Les mêmes températures sont repérées par les mêmes lettres que sur la fig. 2. Lors des diminutions d'allure, le réglage du débit total de sodium secondaire (diminution du rapport du débit de sodium secondaire au débit de sodium primaire) conduit à une réduction du A t logarithmique:
- d'une part, dans l'échangeur intermédiaire, grâce à la réduction de l'écart des températures chaudes
YQ devient YQ' sur les fig. 2 et 3;
- d'autre part, dans l'ensemble économiseur-évaporateur, grâce à la réduction de l'écart des températures au point de pincement: RB devient R'B.
Dans le surchauffeur également, le A t logarithmique diminue par suite d'une réduction de la fraction du débit de sodium secondaire qui le traverse: l'écart entre la température froide de cette fraction et la température de la vapeur à l'entrée du surchauffeur diminue de MC à M'C.
Dans ces conditions, s'il n'est pas prévu de dérivation du resurchauffeur et si la température de la vapeur à l'entrée de celui-ci est constante (point E), la température de la vapeur resurchauffée augmente de F à F'.
La fig. 4 illustre une variante de réalisation de l'installation décrite ci-dessus. On y retrouve les mêmes circuits de sodium 4 et 8 et le même générateur de vapeur 10. Toutefois, il n'est pas prévu de dérivation du resurchauffeur, mais, par contre, le circuit de sodium secondaire 8 comporte une conduite de dérivation supplémentaire 34 qui évite l'évaporateur 16. Cette conduite 34 est munie d'une vanne 35 permettant de régler le débit de sodium secondaire y circulant.
Ainsi qu'il apparaît sur la fig. 4, les températures du sodium du circuit primaire 4, à l'entrée et à la sortie du réacteur 1 sont, ici encore, maintenues constantes par action sur les barres de contrôle 2 et sur le débit de la pompe 6 du sodium primaire.
D'autre part, le régulateur 26 maintenant constante la température de la vapeur à la sortie du surchauffeur 17 agit sur le débit de la pompe 9 de sodium secondaire.
La température de la vapeur resurchauffée est maintenue constante par le régulateur 28 qui agit sur une vanne 36 commandant la répartition du sodium secondaire entre le surchauffeur 17 et le resurchauffeur 18.
La température de la vapeur à la sortie de l'évaporateur 16 est maintenue constante par action sur la vanne 35 qui règle le débit de sodium secondaire empruntant la conduite 34 de dérivation de l'évaporateur. Enfin, la pression de cette même vapeur à la sortie de l'évaporateur 16 est réglée à une valeur constante par action sur le débit d'eau d'alimentation.
L'évolution des températures des différents fluides en fonction de la charge de l'installation est alors différente de celle des fig. 2 et 3. Cependant, la possibilité de maintenir constantes à la fois la température de la vapeur à la sortie de l'évaporateur, celle de la vapeur surchauffée et celle de la vapeur resurchauffée, résulte encore des variations des écarts de température entre fluides lors des variations d'allure.
Le débit de sodium secondaire augmente par rapport au débit de sodium primaire lorsque l'allure diminue. La réduction du A t logarithmique de l'échangeur intermédiaire résulte d'une diminution de l'écart XL entre les températures froides du sodium primaire et du sodium secondaire. La réduction du A t logarithmique du surchauffeur provient au contraire de la réduction de l'écart de température entre la vapeur surchauffée et le sodium froid entrant dans le surchauffeur. II en est de même pour le resurchauffeur. Enfin, la dérivation d'une partie du sodium au niveau de l'ensemble évaporateur-économiseur a pour effet de réduire l'écart des températures au point de pincement.
On décrit maintenant, en se référant à la fig. 5, un autre mode de réalisation de l'installation qui présente l'avantage d'exiger un moins grand nombre d'appareils de régulation sur les circuits de sodium liquide. Il peut être appliqué chaque fois que l'on peut tolérer une variation légère de la température du sodium du circuit primaire à la sortie du réacteur par exemple, la température du sodium à l'entrée du réacteur restant constante.
L'installation de la fig. 5 comporte les mêmes circuits de fluide que celle de la fig. 1 et elle n'en diffère que par le système de régulation utilisé. Celui-ci comporte:
- un régulateur de température 20 sur le circuit 4 de sodium primaire, à l'entrée du réacteur 1, ce régulateur agissant sur le débit de la pompe 6;
- un régulateur de température 22 sur le circuit de vapeur à la sortie de l'évaporateur 16, qui agit sur le débit de la pompe 9 de sodium secondaire;
- un régulateur de pression 24 de la vapeur à la sortie de l'évaporateur 16, qui commande le débit d'eau d'alimentation;
- enfin, un régulateur de température 28 sur le circuit de vapeur à la sortie du resurchauffeur 18, ce régulateur agissant sur la répartition du débit de sodium secondaire entre le surchauffeur et le resurchauffeur par l'intermédiaire de la vanne 19.
Ce mode de réalisation permet donc d'éviter la désurchauffe de la vapeur resurchauffée prévue conformément au schéma de la fig. 1, sans pour autant ajouter une conduite de dérivation, avec réglage du débit, sur le circuit de sodium secondaire.
Lors d'une diminution d'allure, le débit de sodium secondaire est réduit par rapport au débit de sodium primaire et la réduction du A t logarithmique dans l'échangeur intermédiaire résulte d'une diminution de l'écart des températures chaudes (entrée du sodium primaire et sortie du sodium secondaire). Toutefois, ces températures diminuent: dans ce cas, les points Y et
Q de la fig. 2 s'abaisseraient en même temps que L.
D'autre part, l'action conjuguée sur le débit de sodium secondaire permet de réduire l'écart des températures chaudes du surchauffeur et du resurchauffeur et l'écart des températures au point de pincement de l'évaporateur.
Les différents schémas indiqués ci-dessus concernent des installations thermiques fonctionnant en réseau prioritaire : la réactivité du réacteur est réglée en fonction de la charge des turbines réglée à une valeur de consigne (par action sur le débit de vapeur). Ces schémas peuvent être cependant aisément adaptés à un fonctionnement en réacteur prioritaire : la réactivité du réacteur est alors réglée à une valeur de consigne (par la position des barres de contrôle) et la régulation de pression de la vapeur agit sur le débit de vapeur admis dans la turbine 12.
La fig. 6 montre, à titre d'exemple, les modifications que l'on peut faire subir au schéma de la fig. 1 pour l'adapter à un fonctionnement en réacteur prioritaire .
Il est bien évident cependant que des modifications analogues pourraient être appliquées notamment au mode de réalisation de la fig. 5.
Conformément à la fig. 6:
- le régulateur 21 maintenant constante la température du sodium primaire à la sortie du réacteur 1 agit sur la pompe 6 de sodium primaire;
- le régulateur 20 de la température du sodium primaire à l'entrée du réacteur agit sur la pompe 9 de sodium secondaire;
- le régulateur 22 de la température de la vapeur à la sortie de l'évaporateur 16 agit sur le débit d'eau d'alimentation;
- le régulateur 26 de la température de la vapeur surchauffée agit, sans modification, sur la répartition du sodium secondaire entre le surchauffeur et le resurchauffeur;
- le régulateur 24 de la pression de la vapeur à la sortie de l'évaporateur commande le débit de vapeur admis dans la turbine 12;
- la température de la vapeur resurchauffée reste constante grâce à une désurchauffe.
En variante, on peut utiliser une régulation de température intervenant non pas directement sur le débit de sodium secondaire, mais plutôt sur le rapport du débit de fluide secondaire au débit de fluide primaire.