EP0297968B1 - Générateur de vapeur à tuyau d'alimentation muni d'un dispositif anti-strtification thermique - Google Patents

Générateur de vapeur à tuyau d'alimentation muni d'un dispositif anti-strtification thermique Download PDF

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EP0297968B1
EP0297968B1 EP88401636A EP88401636A EP0297968B1 EP 0297968 B1 EP0297968 B1 EP 0297968B1 EP 88401636 A EP88401636 A EP 88401636A EP 88401636 A EP88401636 A EP 88401636A EP 0297968 B1 EP0297968 B1 EP 0297968B1
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pipe
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blades
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/22—Drums; Headers; Accessories therefor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10—Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/18—Inserts, e.g. for receiving deposits from water

Definitions

  • the present invention relates to a steam generator with a supply pipe provided with a thermal anti-stratification device, and more particularly to a pressurized water steam generator used in nuclear power plants.
  • the steam generators of such power stations frequently include a ring-shaped distributor, the shape of which resembles a torus with a vertical axis or with lobes, supplied by a substantially horizontal pipe.
  • a ring-shaped distributor the shape of which resembles a torus with a vertical axis or with lobes, supplied by a substantially horizontal pipe.
  • This stratification maintains a high temperature gradient between the lower part and the upper part of the wall of the pipe, which generates thermal stresses such as to cause cracking, including included in the weld connecting the pipe to the enclosure. This phenomenon is further aggravated by the fatigue induced by the oscillations of the interface between the layers.
  • Patent EP-A-0210895 contains the description of propellers occupying the section of the supply pipe inside or outside the enclosure in order to promote mixing of the liquid and to avoid dewatering the pipe.
  • the invention aims to provide means for eliminating this problem of stratification in the supply pipes of steam generators, and this by using only simple means, imposing only a small pressure drop on the 'flow, and purely static.
  • the step advantageously consists of two horizontal parts of the supply pipe connected by a middle portion, oblique of about thirty degrees, of said supply pipe.
  • FIG. 1 shows a conventional water supply pipe 1 penetrating through the casing 2 of the steam generator, to which it is joined by the welds 9, as far as inside 3 thereof to open into a feed toroid, not shown.
  • the supply pipe 1 can be connected to two separate supplies.
  • a hot water supply 4 is used in normal service, and the flow is then large enough to completely fill the supply pipe 1.
  • a second cold water supply 5 is used to cool the interior 3 of the steam generator, it is generally with a low flow rate, so that the cold water circulates according to arrow F in the form of a layer 6 in a lower part of the supply pipe 1 while being surmounted by a residual layer of hot water 7, of lower density, which is maintained in the supply pipe 1.
  • the two layers 6 and 7 do not mix and no equalization of their temperatures is observed, due to a permanent renewal of hot water in the supply pipe 1: the circulation of hot water s '' according to arrows C1, upstream thereof by the top of the residual layer 7 before being driven downstream, according to arrows C2, under the action of the flow of layer 6 of cold water.
  • the supply pipe according to the invention is made up of three parts: an upstream part 11 passing through the envelope 2, a downstream part inside the envelope 2 which leads to the feed toroid and a median section 12 connecting the two previous parts.
  • the upstream 11 and downstream 13 parts are horizontal, the downstream part being situated at a somewhat higher altitude, so that they constitute an ascending vertical step and the median section 12 is oblique and makes an angle A with respect to the horizontal, angle chosen essentially not to create an excessive pressure drop and which can be around thirty degrees.
  • a fixed propeller 14 is housed in the downstream part 13. It consists of a long cylindrical hub 15 with an axis parallel to that of the downstream part 13 and blades 16, here four in number as best seen in FIG. 3, joining the hub 15 to the pipe of the downstream part 13.
  • the blades 16 extend over the length of the hub 15 and are twisted so as to travel three quarters of a turn in the pipe. They can be plausibly identical and angularly distributed at equal intervals.
  • Two neighboring blades 16, the hub 15 and the pipe of the downstream part 13 delimit channels 17 whose section is an angular sector of the crown; the channels 17 are twisted due to the twisted shape of the blades 16.
  • the end 18 of the blades 16 closest to the middle section 12 is oriented at forty-five degrees from the horizontal: we can therefore distinguish in FIG. 3 an upper channel 17s at above the hub 15 at this location, a lower channel 17f which is opposite to it with respect to the hub 15, and two lateral channels left and right 17g and 17d likewise opposite.
  • the water circulating downstream that is to say to the right in FIG. 2, passes through the propeller 14 and inside the channels 17.
  • each channel 17 has a section above the hub 15: the upper channel 17s at the inlet of the propeller 14, the right lateral channel 17d at one third of its length, the lower channel 17f two-thirds and the left lateral channel 17g at the outlet (abscissa l / 3, 2l / 3 and l respectively).
  • the entire protective device operates in the manner which we will now describe.
  • the propeller simultaneously blocks the convection currents of hot water upstream.
  • a correct implementation of the invention therefore depends on the compatibility of the propeller 14 and the recess created using the middle section 12.
  • each channel 17 delimited by the blades 16 of the propeller 14 must have a section which or entirely above the upstream part 11 of the supply pipe to be protected.
  • At least one hole 30 is formed in the upper part of a blade 16, thus enabling the assembly of all the channels.
  • the propeller 14 can first of all be welded to the downstream part 13 by a spacer 21 at the end of the hub 15, after which the clearance between the blades 16 and the downstream part is filled 13 by welding or brazing for example.

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Description

  • La présente invention concerne un générateur de vapeur à tuyau d'alimentation muni d'un dispositif anti-stratification thermique, et plus particulièrement un générateur de vapeur à eau pressurisée utilisé dans les centrales nucléaires.
  • Les générateurs de vapeur de telles centrales comportent fréquemment un distributeur en forme d'anneau, dont la forme se rapproche d'un tore à axe vertical ou avec des lobes, alimenté par une conduite sensiblement horizontale. Lors du fonctionnement normal du réacteur, la surface libre de l'eau dans l'enceinte est située au-dessus de la conduite et du distributeur et la vitesse de l'eau dans la conduite est relativement élevée. Le fonctionnement est alors satisfaisant. Mais il peut au contraire être perturbé dans diverses conditions temporaires exceptionnelles.
  • Un problème est constitué par la stratification thermique de l'eau d'alimentation lors du fonctionnement à très faible charge. Ce phénomène est décrit notamment dans l'article "Loading conditions in horizontal feed water pipes of LWRs influenced by thermal shock and thermal stratification effects", par M. MIKSCH et autres, NUCLEAR ENGINEERING AND DESIGN, 84 (1985), 179-187. Ce phénomène est aggravé sur les générateurs de vapeur équipés d'une seule alimentation en eau utilisée à charge normale d'une part, en situation accidentelle et à très faible charge d'autre part. Dans cette dernière situation, un faible débit d'eau alimentaire froide est injecté dans la conduite pleine d'eau à la température de fonctionnement du générateur de vapeur. La vitesse d'écoulement étant faible, l'eau froide ne se mélange pas à l'eau chaude, mais forme une couche distincte au fond de la conduite. Cette stratification maintient un gradient de température élevé entre la partie inférieure et la partie supérieure de la paroi de la conduite, ce qui engendre des contraintes thermiques de nature à provoquer une fissuration, y compris dans la soudure de raccordement de la conduite à l'enceinte. Ce phénomène est encore aggravé par la fatigue induite par les oscillations de l'interface entre les couches.
  • Les tuyaux recourbés censés favoriser l'accumulation d'eau froide dans une partie amont à plus faible altitude où se trouvent les zones à protéger, et dont un exemple est décrit dans le brevet GB-A-2157407, ne réduisent pas de façon appréciable ce phénomène de stratification, ce qui semble indiquer qu'il est entretenu en particulier par l'échange thermique dû à la convection naturelle entre l'eau chaude occupant le ballon et l'intérieur de la conduite. On a entrepris diverses tentatives pour éliminer cette stratification. L'une consiste à introduire l'eau alimentaire dans la conduite par l'intermédiaire d'un déversoir annulaire débouchant dans une boîte à eau où se produit un certain mélange. On a également proposé de prévoir, sur la face interne d'un coude de la conduite, une saillie de faible hauteur, annulaire ou en spirale, pour augmenter la turbulence de l'écoulement. Un tel dispositif n'a qu'une efficacité très faible; en effet, lorsque le débit est faible, c'est-a-dire lorsqu'on recherche un mélange, le filet d'eau froide d'alimentation se contente de contourner l'obstacle ainsi constitué. Le brevet EP-A-0210895 contient la description d'hélices occupant la section du tuyau d'alimentation dans l'enceinte ou hors d'elle pour favoriser le brassage du liquide et éviter le dénoyage du tuyau.
  • L'invention vise à fournir des moyens permettant de supprimer ce problème de stratification dans les tuyaux d'alimentation des générateurs de vapeur, et ce en ne mettant en oeuvre que des moyens simples, n'imposant qu'une faible perte de charge à l'écoulement, et purement statiques.
  • Elle se caractérise par la combinaison d'un décrochement ascendant -constitué par un double coude- du tuyau d'alimentation, et d'une hélice qui joue à la fois un rôle de blocage partiel de l'eau froide pour lui faire emplir toute la partie du tuyau où l'on cherche à éviter la stratification avant de la laisser s'écouler dans le générateur, et de barrage à la circulation inverse d'eau chaude.
  • Plus précisément, l'invention concerne un générateur de vapeur comprenant:
    • a) une enveloppe,
    • b) un tuyau d'alimentation d'un fluide à réchauffer pénétrant à travers l'enveloppe jusque dans l'intérieur de celui-ci,
    • c) ledit tuyau d'alimentation comprenant un décrochement ascendant à l'intérieur de l'enveloppe en aval d'une zone du tuyau où il convient d'éviter une stratification thermique, caractérisé en ce qu'il comprend:
    • d) une hélice fixe, logée en aval du décrochement ascendant du tuyau d'alimentation, constituée d'un moyeu central et de pales joignant le moyeu au tuyau d'alimentation, les pales faisant au moins un demi-tour autour du moyeu et délimitant des canaux torsadés,
    • e) la zone à protéger du tuyau d'alimentation étant située entièrement au-dessous d'une hauteur correspondant au point le plus bas d'une section supérieure de chaque canal torsadé.
  • Le décrochement se compose avantageusement de deux parties horizontales du tuyau d'alimentation reliées par une partie médiane, oblique d'environ trente degrés, dudit tuyau d'alimentation.
  • On va maintenant procéder à une description plus détaillée à l'aide des figures annexées dont l'énumération suit, et qui sont données à titre illustratif et non limitatif:
    • ― la figure 1 schématise le phénomène que l'invention se propose de contrecarrer;
    • ― la figure 2 représente une réalisation de l'invention par une coupe longitudinale d'un tuyau d'alimentation; et
    • ― la figure 3 représente une coupe suivant la ligne III-III de la figure 2.
  • On a représenté figure 1 un tuyau d'alimentation d'eau conventionnel 1 pénétrant à travers l'enveloppe 2 du générateur de vapeur, à laquelle il est uni par les soudures 9, jusque dans l'intérieur 3 de celui-ci pour déboucher dans un tore d'alimentation non représenté. Le tuyau d'alimentation 1 peut être relié à deux alimentations distinctes. Une alimentation d'eau chaude 4 est utilisée en service normal, et le débit est alors assez important pour emplir entièrement le tuyau d'alimentation 1. Par contre, quand on utilise une seconde alimentation d'eau froide 5 pour refroidir l'intérieur 3 du générateur de vapeur, c'est généralement avec un débit faible, si bien que l'eau froide circule selon la flèche F sous forme d'une couche 6 dans une partie basse du tuyau d'alimentation 1 tout en étant surmontée par une couche résiduelle d'eau chaude 7, de densité plus faible, qui se maintient dans le tuyau d'alimentation 1.
  • Les deux couches 6 et 7 ne se mélangent pas et on n'observe pas d'égalisation de leurs températures, du fait d'un renouvellement permanent d'eau chaude dans le tuyau d'alimentation 1: la circulation de l'eau chaude s'effectue selon les flèches C1, vers l'amont de celui-ci par le sommet de la couche résiduelle 7 avant d'être entraînée vers l'aval, selon les flèches C2, sous l'action de l'écoulement de la couche 6 d'eau froide. Il en résulte un gradient élevé de température à l'interface 8 entre les couches 6 et 7 d'eau froide et d'eau chaude, qui se traduit par des brusques variations de dilatation du tuyau d'alimentation 1 à cette hauteur et donc par des contraintes de cisaillement élevées, surtout près des soudures 9 où les possibilités de déformation sont plus réduites. Des ruptures en fatigue ont été constatées à cet endroit à cause de ce phénomène de stratification thermique contre lequel il convient donc de le protéger.
  • C'est ce que représente la figure 2. Le tuyau d'alimentation d'après l'invention est composé de trois parties: une partie amont 11 traversant l'enveloppe 2, une partie aval à l'intérieur de l'enveloppe 2 qui débouche sur le tore d'alimentation et un tronçon médian 12 reliant les deux parties précédentes.
  • Les parties amont 11 et aval 13 sont horizontales, la partie aval étant située à une altitude quelque peu supérieure, si bien qu'elles constituent un décrochement vertical ascendant et que le tronçon médian 12 est oblique et fait un angle A par rapport à l'horizontale, angle choisi essentiellement pour ne pas créer une perte de charge excessive et qui peut avoisiner trente degrés.
  • Une hélice fixe 14 est logée dans la partie aval 13. Elle se compose d'un moyeu cylindrique long 15 d'axe parallèle à celui de la partie aval 13 et de pales 16, ici au nombre de quatre comme on le voit mieux sur la figure 3, joignant le moyeu 15 au tuyau de la partie aval 13. Les pales 16 s'étendent sur la longueur du moyeu 15 et sont vrillées de façon à parcourir trois quarts de tour dans le tuyau. Elles peuvent être, de manière plausible, identiques et angulairement réparties à intervalles égaux. Deux pales 16 voisines, le moyeu 15 et le tuyau de la partie aval 13 délimitent des canaux 17 dont la section est un secteur angulaire de couronne; les canaux 17 sont torsadés en raison de la forme vrillée des pales 16.
  • Dans la réalisation décrite ici, l'extrémité 18 des pales 16 la plus proche du tronçon médian 12 (ou extrémité amont) est orientée à quarante-cinq degrés de l'horizontale: on peut donc distinguer sur la figure 3 un canal supérieur 17s au-dessus du moyeu 15 à cet endroit, un canal inférieur 17f qui lui est opposé par rapport au moyeu 15, et deux canaux latéraux gauche et droit 17g et 17d pareillement opposés.
  • L'eau circulant vers l'aval, c'est-à-dire vers la droite sur la figure 2, passe par l'hélice 14 et à l'intérieur des canaux 17.
  • Avec l'hélice 14 actuellement décrite, chaque canal 17 présente une section au-dessus du moyeu 15: le canal supérieur 17s à l'entrée de l'hélice 14, le canal latéral droit 17d au tiers de sa longueur, le canal inférieur 17f aux deux tiers et le canal latéral gauche 17g à la sortie (abscisses l/3, 2l/3 et l respectivement).
  • L'ensemble du dispositif protecteur fonctionne de la façon que l'on va maintenant exposer.
  • Quand une alimentation en eau froide est décidée, celle-ci pénètre d'abord, comme d'après la figure 1, dans la partie basse de la tuyauterie jusqu'à atteindre l'hélice 14; elle pénètre progressivement dans les canaux inférieurs, puis latéraux 17f, 17g et 17d mais ne peut les franchir car ceux-ci présentent tous une section à une altitude plus élevée que leur section d'entrée, si bien que l'eau froide s'accumule en amont de l'hélice 14 et que son niveau s'élève progressivement; cette situation dure jusqu'à ce que l'eau froide atteigne la hauteur h, correspondant au point le plus bas du canal 17s dont la section a une altitude s'abaissant constamment depuis la section d'entrée, le reste de la tuyauterie étant toujours rempli d'eau chaude. L'eau froide commence alors à passer par le canal supérieur 17s qui est en pente descendante et lui permet donc de couler librement au-delà de l'hélice 14.
  • On garantit donc la formation d'une hauteur minimale d'eau froide, aussi faible que soit son débit d'alimentation, en amont de l'hélice 14; cette hauteur peut éventuellement être dépassée en régime permanent si le débit est suffisant. La protection de la partie amont 11 de la tuyauterie contre les gradients thermiques est obtenue si celle-ci est située entièrement au-dessous de la hauteur h, car l'eau chaude en est progressivement refoulée.
  • L'hélice permet simultanément de bloquer les courants de convection d'eau chaude vers l'amont.
  • Une réalisation correcte de l'invention dépend donc de la compatibilité de l'hélice 14 et du décrochement créé à l'aide du tronçon médian 12. Généralement, chaque canal 17 délimité par les pales 16 de l'hélice 14 doit présenter une section qui soit entièrement au-dessus de la partie amont 11 du tuyau d'alimentation à protéger.
  • Au moins un trou 30 est ménagé en partie supérieure d'une pale 16 permettant ainsi la mise en équipression de l'ensemble des canaux.
  • A partir de là, de nombreuses réalisations équivalentes du dispositif peuvent être proposées sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, il est possible de modifier le nombre de pales 16, et leur enroulement autour du moyeu 15. Toutefois, un enroulement inférieur à un demi-tour serait peu réaliste.
  • Plusieurs dispositions peuvent être prises pour limiter les pertes de charge au travers de l'hélice 14. On peut tout d'abord pourvoir le moyeu 15 d'extrémités effilées 19, fuselées ou arrondies, qui permettent à l'eau de le contourner plus facilement, aussi bien à l'amont qu'à l'aval. L'extrémité amont 18 des pales 16 peut par ailleurs être complétée par une arête d'attaque 20 longitudinale qui sépare plus aisément les filets fluides de part et d'autre, et favorise leur entrée dans les canaux 17.
  • En ce qui concerne la réalisation concrète, l'hélice 14 peut tout d'abord être soudée à la partie aval 13 par une entretoise 21 à l'extrémité du moyeu 15, après quoi on comble le jeu entre les pales 16 et la partie aval 13 par soudage ou brasage par exemple.
  • On est donc en présence d'un dispositif tout à fait fiable et de construction simple pour résoudre ce problème de stratification thermique. Il se distingue aussi bien des tuyaux recourbés employés isolément auparavant afin d'éloigner les parties à protéger du point chaud constitué par le ballon de vapeur au sommet de l'intérieur 3 de l'enveloppe 2 et de limiter la profondeur de pénétration vers l'amont des courants de convection d'eau chaude que des dispositifs mélangeurs censés brasser les courants chaud et froid -avec un succès réduit dans tous les cas.

Claims (5)

1. Générateur de vapeur comprenant:
a) une enveloppe (2),
b) un tuyau d'alimentation (11, 12, 13) d'un fluide à réchauffer pénétrant à travers l'enveloppe (2) jusque dans l'intérieur (3) de celui-ci,
c) ledit tuyau d'alimentation comprenant un décrochement ascendant (12) à l'intérieur de l'enveloppe (2) en aval d'une zone du tuyau (11) où il convient d'éviter une stratification thermique, caractérisé en ce qu'il comprend:
d) une hélice fixe (14), logée en aval du décrochement ascendant (12) du tuyau d'alimentation, constituée d'un moyeu central (15) et de pales (16) joignant le moyeu (15) au tuyau d'alimentation (13), les pales (16) faisant au moins un demi-tour autour du moyeu (15) et délimitant des canaux torsadés (17),
e) la zone à protéger (11) du tuyau d'alimentation étant située entièrement au-dessous d'une hauteur (h) correspondant au point le plus bas d'une section supérieure de chaque canal torsadé (17).
2. Générateur de vapeur selon ta revendication 1, caractérisé en ce que le décrochement (12) se compose de deux parties horizontales (11, 13) du tuyau d'alimentation reliées par une partie médiane (12), oblique d'environ trente degrés, dudit tuyau d'alimentation.
3. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les pales (16) comprennent une partie extrême (20) située vers le décrochement et disposée longitudinalement par rapport au tuyau.
4. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyeu (15) comprend des extrémités effilées (19).
5. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une pale (16) possède en partie supérieure un trou (30).
EP88401636A 1987-06-30 1988-06-27 Générateur de vapeur à tuyau d'alimentation muni d'un dispositif anti-strtification thermique Expired - Lifetime EP0297968B1 (fr)

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