BE1024894B1 - Systeme de stockage et separation pour generateur de vapeur industriel - Google Patents

Abstract

Générateur de vapeur industriel (1) caractérisé en ce que : - le séparateur liquide/vapeur (3) se présente sous la forme d’un ensemble de tuyauteries, comprenant au moins un couple ou ensemble de bouteilles de séparation formé d’au moins une bouteille dite turbulente (31) et d’au moins une bouteille dite calme (32) reliées en vases communicants à l’aide d’un conduit inférieur (34) et d’un conduit supérieur (33) de communication fluidique entre lesdites bouteilles (31, 32), un collecteur supérieur (36) se trouvant dans le prolongement de ladite bouteille calme (32) pour évacuer la vapeur, un collecteur inférieur (37) étant relié à ladite bouteille turbulente (31) pour réguler le niveau de liquide et alimenter le réservoir de stockage de liquide (4), et le conduit d’alimentation de liquide (8) étant connecté à ladite bouteille turbulente (31) ; - le conduit de montée (35) pour le mélange liquide/vapeur est connecté à ladite bouteille turbulente (31), en débouchant de manière substantiellement tangentielle au niveau de l’enveloppe de la bouteille turbulente (31), pour y réaliser une première séparation centrifuge des phases liquide/vapeur arrivant à l’entrée de la bouteille turbulente (31) ; - le conduit supérieur (33) de communication fluidique entre la bouteille turbulente (31) et la bouteille calme (32) débouche de manière substantiellement tangentielle au niveau de l’enveloppe de la bouteille calme (32), pour y réaliser une seconde séparation centrifuge des phases liquide/vapeur en entrée ; - le réservoir de stockage du liquide (4) se présente sous la forme d’un ensemble de tuyauteries de stockage.

Description

(30) Données de priorité :

(73) Titulaire(s) :

COCKERILL MAINTENANCE & INGENIERIE S.A.

4100, SERAI NG

Belgique (72) Inventeur(s) :

BALCZUNAS Nicolas 4000 LIEGE Belgique

GALOPIN Jean-François 4250 HOLLOGNE-SUR-GEER Belgique

FRAIKIN Christian 4053 EMBOURG Belgique (54) SYSTEME DE STOCKAGE ET SEPARATION POUR GENERATEUR DE VAPEUR INDUSTRIEL (57) Générateur de vapeur industriel (1) caractérisé en ce que : - le séparateur liquide/vapeur (3) se présente sous la forme d’un ensemble de tuyauteries, comprenant au moins un couple ou ensemble de bouteilles de séparation formé d’au moins une bouteille dite turbulente (31) et d’au moins une bouteille dite calme (32) reliées en vases communicants à l’aide d’un conduit inférieur (34) et d’un conduit supérieur (33) de communication fluidique entre Iesdites bouteilles (31, 32), un collecteur supérieur (36) se trouvant dans le prolongement de ladite bouteille calme (32) pour évacuer la vapeur, un collecteur inférieur (37) étant relié à ladite bouteille turbulente (31) pour réguler le niveau de liquide et alimenter le réservoir de stockage de liquide (4), et le conduit d’alimentation de liquide (8) étant connecté à ladite bouteille turbulente (31) ; - le conduit de montée (35) pour le mélange liquide/vapeur est connecté à ladite bouteille turbulente (31), en débouchant de manière substantiellement tangentielle au niveau de l’enveloppe de la bouteille turbulente (31), pour y réaliser une première séparation centrifuge des phases liquide/vapeur arrivant à l’entrée de la bouteille turbulente (31) ; - le conduit supérieur (33) de communication fluidique entre la bouteille turbulente (31) et la bouteille calme (32) débouche de manière substantiellement tangentielle au niveau de l’enveloppe de la bouteille calme (32), pour y réaliser une seconde séparation centrifuge des phases liquide/vapeur en entrée ; - le réservoir de stockage du liquide (4) se présente sous la forme d’un ensemble de tuyauteries de stockage.

FIG. 2

BREVET D'INVENTION BELGE

SPF Economie, PME, Classes Moyennes & Energie

Numéro de publication : 1024894 Numéro de dépôt : BE2017/5189

Office de la Propriété intellectuelle Classification Internationale : F22B 37/26 F22B 37/32 Date de délivrance : 07/08/2018

Le Ministre de l'Economie,

Vu la Convention de Paris du 20 mars 1883 pour la Protection de la propriété industrielle ;

Vu la loi du 28 mars 1984 sur les brevets d'invention, l'article 22, pour les demandes de brevet introduites avant le 22 septembre 2014 ;

Vu le Titre 1er “Brevets d’invention” du Livre XI du Code de droit économique, l'article XI.24, pour les demandes de brevet introduites à partir du 22 septembre 2014 ;

Vu l'arrêté royal du 2 décembre 1986 relatif à la demande, à la délivrance et au maintien en vigueur des brevets d'invention, l'article 28 ;

Vu la demande de brevet d'invention reçue par l'Office de la Propriété intellectuelle en date du 22/03/2017.

Considérant que pour les demandes de brevet tombant dans le champ d'application du Titre 1er, du Livre XI du Code de Droit économique (ci-après CDE), conformément à l'article XI. 19, §4, alinéa 2, du CDE, si la demande de brevet a fait l'objet d'un rapport de recherche mentionnant un défaut d'unité d'invention au sens du §ler de l'article XI.19 précité et dans le cas où le demandeur n'effectue ni une limitation de sa demande ni un dépôt d'une demande divisionnaire conformément aux résultats du rapport de recherche, le brevet délivré sera limité aux revendications pour lesquelles le rapport de recherche a été établi.

Arrête :

Article premier. - II est délivré à

COCKERILL MAINTENANCE & INGENIERIE S.A., Avenue Greiner 1, 4100 SERAING Belgique;

représenté par

PRONOVEM - Office Van Malderen, Parc d'affaires Zénobe Gramme (bât. K) - Square des Conduites d'eau 1-2, 4020, LIEGE;

un brevet d'invention belge d'une durée de 20 ans, sous réserve du paiement des taxes annuelles visées à l’article XI.48, §1 du Code de droit économique, pour : SYSTEME DE STOCKAGE ET SEPARATION POUR

GENERATEUR DE VAPEUR INDUSTRIEL.

INVENTEUR(S) :

BALCZUNAS Nicolas, Avenue Constantin de Gerlache 54, 4000, LIEGE;

GALOPIN Jean-François, Rue du Manil 3, 4250, HOLLOGNE-SUR-GEER;

FRAIKIN Christian, Voie de Liège 14, 4053, EMBOURG;

PRIORITE(S) :

DIVISION :

divisé de la demande de base : date de dépôt de la demande de base :

Article 2. - Ce brevet est délivré sans examen préalable de la brevetabilité de l'invention, sans garantie du mérite de l'invention ou de l'exactitude de la description de celle-ci et aux risques et périls du (des) demandeur(s).

Bruxelles, le 07/08/2018, Par délégation spéciale :

BE2017/5189

SYSTEME DE STOCKAGE ET SEPARATION POUR GENERATEUR DE

VAPEUR INDUSTRIEL

Objet de l'invention [0001] La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs de séparation eau/vapeur et de stockage d’eau compris dans les chaudières utilisées par exemple dans le secteur des centrales électriques ou des industries de processus, et qui sont soumises à des démarrages fréquents et rapides avec des pressions de fonctionnement élevées.

[0002] L’invention s’applique généralement aux chaudières à circulation, que ce soit à circulation naturelle ou à circulation forcée, c’est-à-dire avec une pompe se trouvant dans la boucle de circulation de l’évaporateur.

[0003] En particulier, la présente invention se rapporte aux chaudières à disposition horizontale ou verticale de type générateur de vapeur à récupération de chaleur ou HRSG (pour heat recovery steam generator).

Arrière-plan technologique et état de la technique [0004] Dans une configuration classique d’une chaudière de l’état de la technique, la fonction de séparation eau/vapeur est souvent assurée par un réservoir cylindrique appelé « ballon séparateur ». Ce ballon est alimenté en eau par un conduit d’eau d’alimentation qui contient une vanne de contrôle. Selon le principe de la circulation naturelle, l’eau s’écoule alors du ballon vers un

BE2017/5189 évaporateur par des conduits de descente d’eau (downcomers), pour ensuite remonter dans les tubes de cet évaporateur et y être au moins partiellement évaporée. Le mélange eau/vapeur est renvoyé vers le ballon par les tubes de montée d’eau (risers) afin que les deux phases (eau/vapeur) puissent y être séparées, éventuellement au moyen d’un ou plusieurs dispositifs ou méthodes adéquats, connus en soi de l’homme de métier. Le niveau du plan d’eau dans le ballon est contrôlé par la vanne de contrôle précitée. La vapeur saturée audessus du plan d’eau du ballon s’échappe du ballon par un piètement prévu à cet effet et est dirigée vers le réseau de vapeur via les surchauffeurs (le cas échéant), pour ensuite alimenter le process ou la turbine à vapeur utilisant la vapeur produite. Le ballon a également une fonctionnalité de stockage d’eau en cas de panne des pompes alimentaires qui l’alimentent.

[0005] Le volume du ballon doit être suffisant pour un temps d’écoulement (ROT) et un effet de gonflement requis par le cahier des charges. Ces deux notions peuvent être définies comme suit :

- « run-out time » (ROT), « holding time » ou temps d’écoulement : durée définie contractuellement dans le cahier des charges qui correspond à la durée pendant laquelle le ballon doit être capable de fonctionner sans être alimenté en eau par les pompes d’alimentation ;

- « swell effect » ou effet de gonflement : avant le démarrage de la chaudière, l’évaporateur est rempli d’eau. Lorsque cette eau se réchauffe et atteint le point d’ébullition, un grand volume d’eau est poussé vers le ballon et remplacé dans les tubes de l’évaporateur par de la vapeur. Le ballon doit être dimensionné pour être capable d’accueillir ce volume d’eau en s’assurant de ne pas déborder vers les surchauffeurs. Ce phénomène peut également survenir lors de certains transitoires de charge.

[0006] Actuellement, l’évolution du marché de l’énergie requiert une plus grande flexibilité des unités de production, avec des pressions de fonctionnement toujours plus élevées. Les pressions de vapeur demandées dans de tels types de dispositifs ne cessant d’augmenter, ceci se traduit ainsi par la nécessité de prévoir de fortes épaisseurs au niveau des parties sous pression. [0007] De plus, lorsqu’elles sont soumises à des gradients importants

BE2017/5189 de montée en température, ces parties de l’installation peuvent subir des dommages mécaniques dûs au phénomène de fatigue étant donné les contraintes s’installant dans l’épaisseur du matériau lorsque la température n’est pas homogène en son sein (transitoire thermique).

[0008] Ainsi, comme le contexte des énergies renouvelables engendre un fonctionnement cyclique des chaudières et demande un nombre d’arrêts/démarrages plus élevé sur la durée de vie de l’installation, les installations actuelles doivent être capables de démarrer très rapidement, et selon des intervalles de temps de plus en plus courts. De ce fait, les gradients de montée en température lors des démarrages sont plus élevés et font souffrir les composants dont le nombre de cycles à la fatigue augmente.

[0009] Dans ce contexte, le type de chaudière à ballon séparateur à haute pression classique présente de nombreux inconvénients. Il est reconnu dans l’état de la technique que le ballon de séparation est un des points critiques du point de vue de la fatigue. Ceci est dû au fait qu’il est souvent le composant sous pression dont la paroi est la plus épaisse dans l’installation et que, par ailleurs, il y règne des gradients de montée en température relativement importants comparativement au reste de l’installation.

[0010] D’autre part, les délais d’approvisionnement pour les tôles épaisses sont un point d’attention dans la gestion du planning d’un projet. Dans certains cas extrêmes, un problème de capacité de cintrage de viroles épaisses peut même se poser (aux environs de 150 mm d’épaisseur).

[0011] Une solution simple proposée dans plusieurs documents pour diminuer les problèmes de fatigue des ballons à haute pression est de remplacer le ballon unique classique par deux récipients de volume plus petit. En effet, deux ballons se partagent alors les fonctionnalités de capacité totale de stockage et de séparation de la solution « ballon unique » classique, et sont donc moins épais et moins critiques du point de vue de la fatigue mécanique.

[0012] Le document WO 2012/148656 A1 concerne un évaporateur comprenant deux ballons cylindriques, situés en hauteur à des niveaux légèrement différents, à savoir un ballon de stockage inférieur et un ballon de séparation supérieur pouvant également fonctionner comme ballon de stockage.

BE2017/5189

Les deux ballons sont plus petits qu'un « ballon unique » traditionnel, pour un évaporateur d’une capacité similaire, ce qui diminue la pression sur les parois qui peuvent dès lors être plus minces. L’eau est amenée dans le ballon inférieur de stockage pour ensuite s’écouler vers l’évaporateur par des downcomers. Le mélange eau/vapeur sortant de l’évaporateur est acheminé grâce à des risers dans le ballon de séparation comprenant des dispositifs d’aide à la séparation eau/vapeur. Les deux ballons sont reliés par un conduit de vidange et par un conduit d'évacuation.

[0013] Le système proposé par le document WO 2013/083684 A1 comprend un évaporateur, un réservoir d'eau en communication fluidique avec l’évaporateur, le réservoir d'eau étant situé en amont de l’évaporateur, et un premier ballon de vapeur en communication fluidique avec l’évaporateur, le premier ballon de vapeur étant situé en aval de l’évaporateur. Le réservoir d'eau fonctionne de façon à fournir l'eau d'alimentation à l’évaporateur, tout en maintenant un niveau d'eau prédéterminé dans le premier ballon de vapeur. De cette manière, le ballon et le réservoir se partagent les fonctions de capacité de stockage et de séparation du « ballon unique » classique.

[0014] Le document WO 2012/129195 A2 concerne un générateur de vapeur à récupération de chaleur qui comprend un premier ballon destiné à recevoir un mélange eau/vapeur provenant d'un évaporateur. Ce premier ballon transmet le flux eau/vapeur reçu de l’évaporateur à un second ballon qui va séparer la vapeur du mélange eau/vapeur. Une sortie est prévue dans le second ballon afin de libérer la vapeur séparée.

[0015] Le générateur de vapeur à récupération de chaleur du document US 2005/0087151 A1 apporte aussi une solution de réduction du diamètre, et donc l’épaisseur, du ballon afin de diminuer le gradient de température au travers de sa paroi au démarrage. Ceci permet de limiter la fatigue thermique du ballon ainsi que l’usure de celui-ci. La réduction d’épaisseur de ballon permet aussi de réduire le coût de fabrication. Ce document divulgue un séparateur eau/vapeur comprenant un ballon horizontal réalisant une première séparation du mélange eau/vapeur provenant de l’échangeur de chaleur. L’eau restante est renvoyée vers l’échangeur de chaleur, tandis que la

BE2017/5189 vapeur est amenée vers un second ballon, vertical, permettant un séchage de la vapeur (seconde séparation). La vapeur sèche est évacuée, alors que l’eau est renvoyée vers le ballon horizontal.

[0016] Le document WO 2014/028107 A2 divulgue un évaporateur vertical dont le mélange eau/vapeur est amené vers le séparateur vertical par des conduits de montée (« risers »). La séparation s’effectue par centrifugation dans le séparateur, pour donner lieu à de la vapeur s’échappant par un conduit supérieur, et de l’eau s’écoulant dans un conduit de sortie (« downcomers ») afin d’être réutilisée dans l’évaporateur.

[0017] Enfin, la Demanderesse a également proposé une solution au problème précité grâce au concept de « double drum ». Le document WO 2016/079120 A1 concerne un générateur de vapeur à récupération de chaleur présentant deux ballons. Un ballon assurant une fonctionnalité de stockage alimente par débordement un second ballon, qui remplira en plus d’une fonctionnalité de stockage, celle de séparation des phases eau liquide/vapeur. [0018] Malgré ses avantages en termes de réduction de fatigue et de nécessité de viroles de moindre épaisseur, comme discuté plus haut, cette solution présente des désavantages comme un poids plus élevé et donc un coût de fabrication plus élevé dans le cas de deux ballons (malgré le fait que les ballons soient plus petits), une plus grande complexité ou criticité du contrôle de niveau d’eau dans les phases transitoires (via notamment la présence d’une seconde vanne de contrôle par rapport à la technique antérieure) et enfin une augmentation de l’encombrement.

Buts de l'invention [0019] La présente invention vise à apporter une solution pour les générateurs de vapeur soumis à des démarrages fréquents et rapides avec des pressions de fonctionnement élevées.

[0020] En particulier, l’invention vise à l’amélioration de la résistance à la fatigue du séparateur eau/vapeur et autres composants sous pression notamment via la réduction de leurs épaisseurs, l’enjeu étant une augmentation de la durée de vie de cet équipement.

BE2017/5189 [0021] Un autre but de l’invention est d’éviter la présence d’une vanne de contrôle supplémentaire par rapport à la situation d’un ballon séparateur unique.

[0022] Un autre but encore de l’invention est d’assurer l’intégration du nouveau concept dans un environnement de plateforme « ballon » sans changements fondamentaux au niveau de la charpente, des tuyauteries avoisinantes et des plateformes existantes.

[0023] Un autre but encore de l’invention est de diminuer le coût de l’installation et de faciliter l’approvisionnement des matériaux servant à la conception grâce à un dessin simplifié, et notamment en travaillant le plus possible avec des composants disponibles dans le commerce (et non réalisés à façon).

Principaux éléments caractéristiques de l'invention [0024] Un premier aspect de la présente invention se rapporte à un générateur de vapeur industriel comprenant :

- un évaporateur,

- un conduit d’alimentation de liquide, muni d’une vanne de contrôle,

- un séparateur liquide/vapeur et un réservoir de stockage de liquide en communication fluidique avec le séparateur liquide/vapeur ;

- un conduit de montée pour le mélange liquide/vapeur entre une sortie de l’évaporateur et le séparateur liquide/vapeur ;

- un conduit de descente pour le retour du liquide entre le séparateur ou le réservoir de stockage et une entrée de l’évaporateur, caractérisé en ce que :

- le séparateur liquide/vapeur se présente sous la forme d’un ensemble de tuyauteries, comprenant au moins un couple ou ensemble de bouteilles de séparation formé d’au moins une bouteille dite turbulente et d’au moins une bouteille dite calme reliées en vases communicants à l’aide d’un conduit inférieur et d’un conduit supérieur de communication fluidique entre

BE2017/5189 lesdites bouteilles, un collecteur supérieur se trouvant dans le prolongement de ladite bouteille calme pour évacuer la vapeur, un collecteur inférieur étant relié à ladite bouteille turbulente pour réguler le niveau de liquide et alimenter le réservoir de stockage de liquide, et le conduit d’alimentation de liquide étant connecté à ladite bouteille turbulente ;

- le conduit de montée pour le mélange liquide/vapeur est connecté à ladite bouteille turbulente, en débouchant de manière substantiellement tangentielle au niveau de l’enveloppe de la bouteille turbulente, pour y réaliser une première séparation centrifuge des phases liquide/vapeur arrivant à l’entrée de la bouteille turbulente ;

- le conduit supérieur de communication fiuidique entre la bouteille turbulente et la bouteille calme débouche de manière substantiellement tangentielle au niveau de l’enveloppe de la bouteille calme, pour y réaliser une seconde séparation centrifuge des phases liquide/vapeur en entrée ;

- le réservoir de stockage du liquide se présente sous la forme d’un ensemble de tuyauteries de stockage.

[0025] Selon des formes d’exécution préférées de l’invention, le générateur de vapeur comprend en outre une des caractéristiques suivantes ou une combinaison appropriée des caractéristiques suivantes :

- le séparateur liquide/vapeur comprend au moins deux couples de bouteilles turbulente et calme, le collecteur supérieur reliant les bouteilles calmes de sorte que les bouteilles calmes des différents couples communiquent par vases communicants pour équilibrer les pressions entre les couples de bouteilles de séparation et le collecteur inférieur reliant les bouteilles turbulentes de sorte que les bouteilles turbulentes des différents couples communiquent par vases communicants pour équilibrer les niveaux de liquide entre les couples de bouteilles de séparation ;

- le réservoir de stockage de liquide comprend une pluralité de conduits verticaux tous reliés à leur partie supérieure par un collecteur de stockage supérieur et à leur partie inférieure par un collecteur de stockage inférieur ;

BE2017/5189

- le conduit de descente relie l’ensemble des tuyauteries du réservoir de stockage à une entrée de l’évaporateur ;

- le réservoir de stockage de liquide comporte au moins deux groupes de tuyauteries disposées de part et d’autre ou symétriquement par rapport à l’évaporateur ;

- le réservoir de stockage de liquide est entièrement situé sous le niveau du collecteur inférieur du séparateur liquide/vapeur ;

- l’ensemble de tuyauteries du réservoir de stockage est complètement rempli en fonctionnement normal ;

- le conduit de descente relie le collecteur de stockage inférieur du réservoir de stockage de liquide à une entrée de l’évaporateur ;

- le réservoir de stockage de liquide est globalement situé au même niveau que le séparateur liquide/vapeur ;

- le réservoir de stockage de liquide est disposé tout autour du séparateur liquide/vapeur ;

- le collecteur inférieur du séparateur liquide/vapeur est situé au même niveau que le collecteur de stockage inférieur du réservoir de stockage de liquide et en communication fluidique avec celui-ci ;

- l’ensemble de tuyauteries du réservoir de stockage n’est pas complètement rempli en fonctionnement normal, le niveau de remplissage régulé par la vanne de contrôle correspondant, par le jeu des vases communicants, à un niveau situé entre la connexion tangentielie du conduit de montée sur la bouteille turbulente et la connexion inférieure entre bouteille turbulente et bouteille calme ;

- le conduit de descente relie le collecteur inférieur du séparateur liquide/vapeur à une entrée de l’évaporateur.

[0026] Un second aspect de la présente invention se rapporte à un procédé pour générer un cycle de vapeur à haute pression au moyen d’un générateur de vapeur industriel en circulation naturelle ou forcée comme décrit ci-dessus, en fonctionnement normal, c’est-à-dire lorsque le niveau d’eau dans les bouteilles de séparation se situe au-dessus d’un seuil critique prédéterminé, et de manière à assurer un temps d’écoulement ou ROT requis, comprenant au moins les étapes suivantes:

BE2017/5189

i) l’ensemble des tuyauteries du réservoir de stockage est rempli à un niveau maximal déterminé via le conduit d’alimentation de liquide, régulé par la vanne de contrôle ;

ii) la bouteille turbulente de séparation est alimentée en mélange liquide/vapeur via l’évaporateur et le conduit de montée ;

iii) les deux phases liquide/vapeur subissent une première séparation centrifuge en liquide et vapeur humide dans la bouteille turbulente de séparation ;

iv) la vapeur humide s’échappe de la bouteille turbulente de séparation vers l’entrée de la bouteille calme de séparation par le conduit supérieur ;

v) la vapeur humide subit une seconde séparation centrifuge en liquide et vapeur sèche dans la bouteille calme de séparation ;

vi) la phase vapeur est évacuée de la bouteille calme par le collecteur supérieur en vue de son utilisation, et la phase liquide est envoyée vers la bouteille turbulente par le conduit inférieur ;

vii) le liquide de la bouteille turbulente s’écoule naturellement dans le collecteur inférieur du séparateur liquide/vapeur.

[0027] Avantageusement, le procédé pour générer un cycle de vapeur à haute pression au moyen d’un générateur de vapeur industriel en circulation naturelle ou forcée comme décrit ci-dessus, comprend, en phase de démarrage, au moins les étapes décrites, mais où l’étape i) est remplacée par l’étape suivante :

i) les tuyauteries du réservoir de stockage sont remplies à un niveau moins élevé que ledit niveau maximal dit « de démarrage ».

[0028] Encore avantageusement, le procédé pour générer un cycle de vapeur à haute pression au moyen d’un générateur de vapeur industriel en circulation naturelle ou forcée comme décrit ci-dessus, en fonctionnement particulier ou dégradé, c’est-à-dire lorsque le niveau d’eau dans les bouteilles de séparation se situe au-dessous d’un seuil critique prédéterminé, comprend au moins les étapes décrites, mais où l’étape ii) est remplacée par l’étape suivante :

BE2017/5189 ii) la vanne de contrôle est fermée et l’ensemble des tuyauteries du réservoir de stockage alimente l’évaporateur du générateur de vapeur, le volume du réservoir de stockage contribuant ainsi à assurer le ROT requis par vases communicants.

Brève description des figures [0029] La figure 1 représente schématiquement une vue générale en perspective d’une première forme d’exécution du générateur de vapeur selon la présente invention.

[0030] La figure 2 représente une première vue de détail correspondant au générateur de vapeur selon la figure 1.

[0031] La figure 3 représente une seconde vue de détail correspondant au générateur de vapeur selon la figure 1.

[0032] La figure 4 représente schématiquement une vue en perspective de la première forme d’exécution du générateur de vapeur selon la présente invention, intégré dans un projet réel (plateformes, charpente, routage de tuyauteries).

[0033] La figure 5 représente schématiquement une seconde forme d’exécution du générateur de vapeur selon la présente invention.

Description de formes d'exécution préférées de l'invention [0034] La solution proposée dans le cadre de la présente invention a pour principe général de remplacer le plus possible les ballons de séparation et de stockage de l’état de la technique par des tuyauteries disponibles dans le commerce. On entendra par tuyauterie, dans la suite de l’exposé, tout ensemble de tuyaux, tubes, drains ou conduits, généralement de section circulaire et convenant pour l’écoulement d’un fluide tel qu’un liquide ou un gaz.

[0035] Le volume de stockage correspondant à ces tuyauteries doit cependant être suffisant que pour, d’une part, assurer un temps d’écoulement

BE2017/5189 (ROT) imposé et, d’autre part, accueillir le volume de gonflement (swell effect) lors du démarrage ou des transitoires de charge.

[0036] Dans chacune des nouvelles configurations relatives à l’amélioration proposée selon l’invention, deux types de tuyauteries doivent être distinguées : un ensemble de tuyauteries de stockage et un ensemble de tuyauteries effectuant la séparation eau/vapeur.

[0037] Comme illustré par la FIG.1, selon une première forme d’exécution de l’invention, d’une part, le ballon « classique » de l’art antérieur effectuant la séparation eau/vapeur dans le cas d’un évaporateur 2 d’un générateur de vapeur 1 est remplacé par un premier ensemble de tuyauteries ou conduits 3 de séparation. Cet ensemble 3 est localisé approximativement à l’endroit où se trouve actuellement le ballon séparateur de l’état de la technique (surtout dans le cas de l’amélioration d’une installation préexistante).

[0038] D’autre part, le ballon de stockage de l’état de la technique (voir documents antérieurs ci-dessus) est remplacé par au moins un, et de préférence deux ensembles de tuyauteries ou conduits 4 de stockage.

[0039] L’ensemble de tuyauteries 3 de séparation comprend une pluralité de couples de bouteilles 31,32 constitués d’une part d’une bouteille 31 dite « turbulente » reliée à une bouteille 32 dite « calme ». Dans la forme d’exécution représentée sur la FIG. 1 et la FIG. 2, deux modules de deux couples de bouteilles turbulente/calme sont représentés, soit 8 bouteilles au total. Le principe de l’invention est ainsi de fonctionner grâce à des couples de bouteilles turbulente/calme, qui peuvent effectivement être multipliés autant de fois que souhaité. On entend par bouteille dans le contexte de la présente invention tout récipient métallique de forme allongée, généralement cylindrique et qui est destiné à contenir un fluide tel qu’un mélange eau-vapeur acheminé ou évacué par au moins une tuyauterie d’entrée et au moins une tuyauterie de sortie.

[0040] Pour des questions de critère de vitesse à satisfaire qui nécessite un découplage entre les flux concernant les deux types de bouteille, on pourrait être amené, selon l’invention, à connecter « x » bouteilles turbulentes à « y » bouteilles calmes avec x pouvant éventuellement être différent de y, respectivement x pouvant être plus grand que y, x pouvant être plus petit que y

BE2017/5189 ou x pouvant être égal à y (x, y = 1,2, 3, ...). Dans l’exemple d’exécution décrit jusqu’à présent, x et y valent 1, c’est-à-dire qu’une bouteille calme est connectée à une bouteille turbulente. Dans certains calculs les inventeurs ont dû envisager par exemple de faire converger le flux de deux bouteilles turbulentes vers une bouteille calme commune. Dans un autre exemple, on pourrait envisager conceptuellement de diviser le flux sortant d’une bouteille turbulente pour l’envoyer vers deux bouteilles calmes, etc.

[0041] Les deux bouteilles 31, 32 fonctionnent, c’est-à-dire se remplissent ou se vident, selon le principe des vases communicants et sont reliées, au sein d’un même couple, par un conduit supérieur 33 et un conduit inférieur 34 permettant respectivement le passage de la vapeur et de l’eau.

[0042] Des conduits d’entrée d’eau d’alimentation 35 (« risers ») relient l’évaporateur 2 à chaque bouteille turbulente 31 afin de l’alimenter en mélange eau/vapeur sortant de l’évaporateur. Ces conduits 35 sont chacun connectés à la bouteille turbulente 31 de manière substantiellement tangentielle. De cette manière, le mélange pénètre dans la bouteille turbulente 31 tangentiellement à la périphérie cylindrique de la bouteille de manière à ce que les phases liquide/vapeur du mélange puissent être séparées par centrifugation (principe du séparateur cyclonique). En effet, un tourbillon est créé dans la bouteille, ce qui conduit à un écoulement turbulent. Par conséquent, la vapeur se retrouve localisée au centre de la bouteille turbulente 31 tandis que l’eau est poussée ou plaquée sur les parois de celle-ci et va descendre le long des parois par gravité. Une première séparation a donc lieu dans cette bouteille turbulente 31.

[0043] Le conduit supérieur 33 permet ensuite le passage de la vapeur de la bouteille turbulente 31 vers la bouteille calme 32 pour une deuxième séparation de phases de préférence également par centrifugation. La bouteille calme 32 permet donc d’obtenir un séchage optimal de la vapeur séparée dans la bouteille turbulente 31. Avantageusement donc, le conduit supérieur 33 se connecte aussi de manière tangentielle à la périphérie cylindrique de la bouteille calme 32. II y a donc, selon l’invention, deux centrifugations en série pour assurer

BE2017/5189 la séparation des phases liquide et vapeur, en exploitant la différence de densité entre l’eau et la vapeur.

[0044] Parmi les avantages secondaires de cette seconde bouteille figurent le séchage de la vapeur sans utilisation ou avec limitation des dispositifs antibuée (« demisters »), une mesure du niveau d’eau plus aisée, ainsi qu’une meilleure sécurité, étant donné que le mélange est moins agité que dans la première bouteille 31.

[0045] Le conduit inférieur 34, ainsi qu’un drain 38, permettent le passage de l’eau entre les deux bouteilles 31, 32.

[0046] L’installation de séparation 3 comprend encore des collecteurs de séparation, respectivement supérieur 36 et inférieur 37. Le collecteur supérieur 36 relie les bouteilles calmes 32 entre elles, au niveau d’une extrémité supérieure de celles-ci, ce qui permet d’équilibrer la pression entre les différents couples de bouteilles de séparation, et évacue également la vapeur pour que celle-ci soit envoyée, par exemple vers des surchauffeurs pour son utilisation. Le collecteur inférieur 37 relie quant à lui les bouteilles turbulentes 31 de l’installation, au niveau d’une extrémité inférieure de celles-ci. Ceci permet d’équilibrer les niveaux d’eau dans ces bouteilles turbulentes 31 qui sont reliées en vases communicants. L’eau des bouteilles circule naturellement vers ce collecteur inférieur.

[0047] Avant de retourner vers l’échangeur, l’eau est d’abord stockée dans un ensemble de tuyauteries ou conduits de stockage 4, qui sont alimentés par le collecteur inférieur 37 du système de séparation 3. Cet ensemble de conduits de stockage 4 remplace le ballon de stockage de l’état de la technique (voir art antérieur ci-dessus) et sera situé par exemple de chaque côté du générateur de vapeur.

[0048] Comme représenté sur la FIG. 3, selon un exemple d’exécution, l’ensemble de conduits de stockage 4 comprend des conduits parallèles verticaux 41 reliés par un collecteur de stockage supérieur 42 et un collecteur de stockage inférieur 43.

BE2017/5189 [0049] Le collecteur de stockage supérieur 42 est en communication avec le collecteur de séparation inférieur 37 et le collecteur de stockage inférieur avec un downcomer 5 pour le retour de l’eau vers une entrée de l’évaporateur par circulation naturelle. Le downcomer 5 est représenté sur les figures de manière radiale par rapport à l’évaporateur 2.

[0050] De préférence, l’ensemble de conduits de stockage se présentera sous la forme de deux groupe de conduits 4, symétriques par rapport à l’évaporateur 2, comme représenté sur l’exemple de la FIG. 1.

[0051] Cet ensemble de conduits de stockage 4 a pour but de retenir un certain volume, dans cette première modalité d’exécution de l’invention, et est complètement rempli d’eau en cas de fonctionnement normal, définissant ainsi un « volume maximal » de stockage. Ainsi, en cas de problème d’alimentation des bouteilles 31,32 précitées , le volume de stockage est utilisé pour ralentir la baisse du niveau d’eau dans l’installation.

[0052] Dans cette forme d’exécution, la conduite d’alimentation (non représentée) peut être connectée sur une partie du réservoir 4, ou alternativement sur une partie de la zone de séparation 3, ou encore, de manière générale, à tout endroit approprié du système.

[0053] De plus, une vanne de contrôle de l’eau d’alimentation (non représentée) est actionnée pour réguler un niveau d’eau qui est adéquatement situé, en mode de fonctionnement normal, entre la connexion tangentielle des risers 35 sur les bouteilles turbulentes 31 et la connexion inférieure 34 entre bouteilles turbulentes 31 et calmes 32. Le niveau d’eau est identique dans l’ensemble des bouteilles étant donné qu’elles sont reliées en vases communicants.

[0054] En fonctionnement transitoire, si le niveau d’eau baisse par un manque d’alimentation en eau du système, dans le cas de panne des pompes par exemple, le volume de stockage compris dans l’ensemble des tuyauteries de stockage 4 contribuera alors à assurer un ROT suffisant.

[0055] Par ailleurs, lors du démarrage, le niveau d’eau sera défini à un niveau plus bas dans les tuyauteries de stockage (dit « niveau de démarrage »), par exemple à hauteur du collecteur de stockage inférieur 43.

BE2017/5189

Cette position basse du niveau d’eau au démarrage permet de contenir un certain volume de gonflement débordant dans les bouteilles turbulente 31 et qui va dès lors s’écouler naturellement vers les zones de stockage 4 initialement non remplies d’eau. Ce phénomène est alors anticipé grâce à un niveau d’eau abaissé par rapport au fonctionnement normal.

[0056] Dans le mode d’exécution présenté ci-dessus, les tuyauteries de stockage et de séparation sont principalement disposées verticalement. Cela engendre certains avantages, comme une évaporation facilitée. De plus, encore avantageusement, le rapport entre la variation de volume et de niveau d’eau dans les tuyauteries et bouteilles est linéaire, ce qui procure un avantage en termes de facilité de contrôle.

[0057] La FIG. 4 représente le concept de système de séparation et stockage selon l’invention intégré dans le modèle 3D d’un projet réel de générateur de vapeur, sans modification au niveau des plateformes existantes, la charpente métallique existante et le cheminement des canalisations à gros alésage.

[0058] La FIG. 5 illustre une seconde forme d’exécution de l’invention. Le principe est identique à la première forme d’exécution, hormis quelques différences. Dans ce cas-ci, l’ensemble de tuyauteries de stockage 4 est globalement au même niveau que l’ensemble des tuyauteries de séparateur 3, c’est-à-dire que la hauteur moyenne du système de séparation 3 est sensiblement égale à la hauteur moyenne du réservoir 4.

[0059] Toutes les tuyauteries verticales sont en vases communicants. Par contre, les conduits de descente d’eau 5 ne partent plus de l’ensemble des tuyauteries de stockage vers une entrée de l’évaporateur 2, mais partent d’un collecteur inférieur 37 du système de séparation 3.

[0060] Le fait que les tuyauteries de stockage et de séparation sont globalement au même niveau implique un avantage particulier, à savoir la définition d’un plan de niveau d’eau commun à l’ensemble du système et dont la surface totale sur l’ensemble du système est accrue par rapport à la première forme d’exécution ci-dessus. Ceci amène à son tour deux conséquences : le contrôle du niveau d’eau en sera moins critique et la quantité de matière

BE2017/5189 nécessaire pour contenir un même volume de stockage va augmenter. En effet, les zones de stockage ne sont plus complètement immergées dans ce cas, contrairement à l’installation de la FIG. 1. Dès lors, le « volume maximal » de stockage est plus petit que le volume total des tuyauteries de stockage. Ceci diminue en quelque sorte l’optimisation des poids.

[0061] De plus, par rapport à la première forme d’exécution, la seconde forme d’exécution ci-dessus présente l’avantage de n’avoir qu’un seul ensemble de tuyauteries compact (séparateur et réservoir de stockage), plus aisé à transporter et à assembler sur site.

[0062] Le principal avantage de l’invention, que ce soit selon la première ou la seconde forme d’exécution, est l’utilisation d’un ensemble de tuyauteries permettant d’éviter l’utilisation de ballons. Grâce à cela, les épaisseurs des composants de l’installation sont plus fines et cela engendre moins de fatigue. De plus, le planning de préfabrication de ces éléments est simplifié, avec des délais de livraison réduits, étant donné l’absence de viroles et autres pièces de forte épaisseur. D’autre part, la vanne supplémentaire utilisée pour les « double drums » de l’art antérieur est évitée, ce qui rend le système plus passif et de maintenance plus aisée. Par ailleurs, le système de l’invention peut s’intégrer aisément dans une chaudière classique sans devoir en modifier la charpente, les tuyauteries, etc.

[0063] Par rapport à la stagnation de l’eau, les deux formes d’exécution décrites évitent que l’eau ne stagne par des règles de dimensionnent judicieuses et propres à chacune des deux solutions. Pour la première forme d’exécution, c’est le dimensionnement de tuyauteries verticales du réservoir 4 qui assure que la différence de pression est suffisamment faible dans ces tuyauteries en parallèle pour que l’eau transite dans l’ensemble du système en évitant des zones mortes. Pour la seconde forme d’exécution, c’est le fait de bien positionner la hauteur de l’alimentation en eau 8 sur les bouteilles de stockage (outre le fait que chacune des bouteilles de stockage soit effectivement alimentée) qui empêche la stagnation de l’eau.

[0064] Du principe de l’invention peuvent découler les alternatives et généralisations suivantes :

2017/5189

BE2017/5189

- le principe de l’amélioration proposée est indépendant du type de chaudière considéré : HRSG verticale, horizontale ou mixte ;

- le nombre de couples de bouteilles turbulente/calme peut être démultiplié ;

- le principe de l’amélioration proposée est indépendant des méthodes et équipements utilisés pour effectuer la séparation des phases eau/vapeur ainsi que le séchage de la vapeur.

2017/5189

Liste des symboles de référence générateur de vapeur évaporateur ensemble de conduits de séparation ensemble de conduits de stockage conduit de descente (downcomer) charpente ballon basse pression conduite d’alimentation bouteille turbulente bouteille calme conduit supérieur reliant bouteille turbulente et bouteille clame conduit inférieur reliant bouteille turbulente et bouteille clame conduit de montée (riser) collecteur de séparation supérieur collecteur de séparation inférieur drain conduit de stockage collecteur de stockage supérieur collecteur de stockage inférieur

BE2017/5189

BE2017/5189

Claims (16)

1. REVENDICATIONS

   1. Générateur de vapeur industriel (1 ) comprenant :

   - un évaporateur (2),

   - un conduit d’alimentation de liquide (8), muni d’une vanne de contrôle,

   - un séparateur liquide/vapeur (3) et un réservoir de stockage de liquide (4) en communication fluidique avec le séparateur liquide/vapeur (3) ;

   - un conduit de montée (35) pour le mélange liquide/vapeur entre une sortie de l’évaporateur (2) et le séparateur liquide/vapeur (3) ;

   - un conduit de descente (5) pour le retour du liquide entre le séparateur (3) ou le réservoir de stockage (4) et une entrée de l’évaporateur (2), caractérisé en ce que :

   - le séparateur liquide/vapeur (3) se présente sous la forme d’un ensemble de tuyauteries, comprenant au moins un couple ou ensemble de bouteilles de séparation formé d’au moins une bouteille dite turbulente (31) et d’au moins une bouteille dite calme (32) reliées en vases communicants à l’aide d’un conduit inférieur (34) et d’un conduit supérieur (33) de communication fluidique entre lesdites bouteilles (31, 32), un collecteur supérieur (36) se trouvant dans le prolongement de ladite bouteille calme (32) pour évacuer la vapeur, un collecteur inférieur (37) étant relié à ladite bouteille turbulente (31 ) pour réguler le niveau de liquide et alimenter le réservoir de stockage de liquide (4), et le conduit d’alimentation de liquide (8) étant connecté à ladite bouteille turbulente (31) ;

   - le conduit de montée (35) pour le mélange liquide/vapeur est connecté à ladite bouteille turbulente (31), en débouchant de manière substantiellement tangentielle au niveau de l’enveloppe de la bouteille turbulente (31), pour y réaliser une première séparation centrifuge des phases liquide/vapeur arrivant à l’entrée de la bouteille turbulente (31) ;

   - le conduit supérieur (33) de communication fluidique entre la bouteille turbulente (31) et la bouteille calme (32) débouche de manière substantiellement tangentielle au niveau de l’enveloppe de la bouteille

   BE2017/5189 calme (32), pour y réaliser une seconde séparation centrifuge des phases liquide/vapeur en entrée ;

   - le réservoir de stockage du liquide (4) se présente sous la forme d’un ensemble de tuyauteries de stockage.
2. 2. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le séparateur liquide/vapeur (3) comprend au moins deux couples de bouteilles turbulente (31) et calme (32), le collecteur supérieur (36) reliant les bouteilles calmes (32) de sorte que les bouteilles calmes (32) des différents couples communiquent par vases communicants pour équilibrer les pressions entre les couples de bouteilles de séparation (31, 32) et le collecteur inférieur (37) reliant les bouteilles turbulentes (31) de sorte que les bouteilles turbulentes (31) des différents couples communiquent par vases communicants pour équilibrer les niveaux de liquide entre les couples de bouteilles de séparation (31, 32).
3. 3. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir de stockage de liquide (4) comprend une pluralité de conduits verticaux (41) tous reliés à leur partie supérieure par un collecteur de stockage supérieur (42) et à leur partie inférieure par un collecteur de stockage inférieur (43).
4. 4. Générateur de vapeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le conduit de descente (5) relie l’ensemble des tuyauteries du réservoir de stockage (4) à une entrée de l’évaporateur (2).
5. 5. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir de stockage de liquide (4) comporte au moins deux groupes de tuyauteries disposées de part et d’autre ou symétriquement par rapport à l’évaporateur (2).
6. 6. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir de stockage de liquide (4) est entièrement situé sous le niveau du collecteur inférieur (37) du séparateur liquide/vapeur (3).
7. 7. Générateur de vapeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’ensemble de tuyauteries du réservoir de stockage (4) est complètement rempli en fonctionnement normal.

   BE2017/5189
8. 8. Générateur de vapeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le conduit de descente (5) relie le collecteur de stockage inférieur (43) du réservoir de stockage de liquide (4) à une entrée de l’évaporateur (2).
9. 9. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir de stockage de liquide (4) est globalement situé au même niveau que le séparateur liquide/vapeur (3).
10. 10. Générateur de vapeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le réservoir de stockage de liquide (4) est disposé tout autour du séparateur liquide/vapeur (3).
11. 11. Générateur de vapeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le collecteur inférieur (37) du séparateur liquide/vapeur (3) est situé au même niveau que le collecteur de stockage inférieur (43) du réservoir de stockage de liquide (4) et en communication fluidique avec celui-ci.
12. 12. Générateur de vapeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l’ensemble de tuyauteries du réservoir de stockage (4) n’est pas complètement rempli en fonctionnement normal, le niveau de remplissage régulé par la vanne de contrôle correspondant, par le jeu des vases communicants, à un niveau situé entre la connexion tangentielie du conduit de montée (35) sur la bouteille turbulente (31) et la connexion inférieure (34) entre bouteille turbulente (31) et bouteille calme (32).
13. 13. Générateur de vapeur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le conduit de descente (5) relie le collecteur inférieur (37) du séparateur liquide/vapeur (3) à une entrée de l’évaporateur (2).
14. 14. Procédé pour générer un cycle de vapeur à haute pression au moyen d’un générateur de vapeur industriel en circulation naturelle ou forcée selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, en fonctionnement normal, c’est-à-dire lorsque le niveau d’eau dans les bouteilles de séparation (31, 32) se situe au-dessus d’un seuil critique prédéterminé, et de manière à assurer un temps d’écoulement ou ROT requis, comprenant au moins les étapes suivantes:

    i) l’ensemble des tuyauteries du réservoir de stockage (4) est rempli à un niveau maximal déterminé via le conduit d’alimentation de liquide (8), régulé par la vanne de contrôle ;

    BE2017/5189 ii) la bouteille turbulente (31) de séparation est alimentée en mélange liquide/vapeur via l’évaporateur (2) et le conduit de montée (35) ;

    iii) les deux phases liquide/vapeur subissent une première séparation centrifuge en liquide et vapeur humide dans la bouteille turbulente (31) de séparation ;

    iv) la vapeur humide s’échappe de la bouteille turbulente (31) de séparation vers l’entrée de la bouteille calme (32) de séparation par le conduit supérieur (33) ;

    v) la vapeur humide subit une seconde séparation centrifuge en liquide et vapeur sèche dans la bouteille calme (32) de séparation ;

    vi) la phase vapeur est évacuée de la bouteille calme (32) par le collecteur supérieur (36) en vue de son utilisation, et la phase liquide est envoyée vers la bouteille turbulente (31) par le conduit inférieur (34) ;

    vii) le liquide de la bouteille turbulente (31) s’écoule naturellement dans le collecteur inférieur (37) du séparateur liquide/vapeur (3).
15. 15. Procédé pour générer un cycle de vapeur à haute pression au moyen d’un générateur de vapeur industriel en circulation naturelle ou forcée selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, comprenant, en phase de démarrage, au moins les étapes selon la revendication 14, mais où l’étape i) est remplacée par l’étape suivante :

    i) les tuyauteries du réservoir de stockage (4) sont remplies à un niveau moins élevé que ledit niveau maximal dit « de démarrage ».
16. 16. Procédé pour générer un cycle de vapeur à haute pression au moyen d’un générateur de vapeur industriel en circulation naturelle ou forcée selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, en fonctionnement particulier ou dégradé, c’est-à-dire lorsque le niveau d’eau dans les bouteilles de séparation se situe au-dessous d’un seuil critique prédéterminé, comprenant au moins les étapes selon la revendication 14 ou 15, mais où l’étape ii) est remplacée par l’étape suivante :

    ii) la vanne de contrôle est fermée et l’ensemble des tuyauteries du réservoir de stockage (4) alimente l’évaporateur (2) du générateur de vapeur (1 ), le

    2017/5189

    2 3 BE2017/5189 volume du réservoir de stockage contribuant ainsi à assurer le ROT requis par vases communicants.

    BE2017/5189