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PROCEDE ET APPAREIL PERFECTIONNES POUR REGLER LA TEMPERATURE DE LA VAPEUR
SURCHAUFFEE ET LA TEMPERATURE DE LA VAPEUR RECHAUFFEE.
Cette invention concerne un procédé et un appareil pour régler la température de la vapeur surchauffée et la température de la vapeur réchauf- fée, et particulièrement un groupe générateur de vapeur surchauffée ou des gaz de chauffe àchaute température produisent et surchauffent de la vapeur à hau- te pression pour la fournir à une turbine à vapeur dans laquelle elle se détend en effectuant un travail utile et d'où la vapeur à une pression réduite est ramenée au groupe pour être réchauffée à une haute température.
Pour le fonctionnement des générateurs de vapeur à haute pres- sion fournissant de la vapeur surchauffée à une turbine à vapeur à haute pres- sion et réchauffant la vapeur à basse pression provenant de l'échappement de la turbine pour l'envoyer à une turbine de condensation à basse pression, il est avantageux d'utiliser des surchauffeurs et des réchauffeurs de vapeur chauf- fés par convection. Toutefois, les caractéristiques température-charge de ces appareils de chauffe sont telles que à'ils sont du type usuel, il se produit une déficience par rapport aux températures de vapeur optima dans la gamme in- férieure des charges et des dispositifs sont habituellement prévus pour éviter une telle déficience de la température.
La fourniture d'un courant de gaz chauds approprié au surchauffeur et au réchauffeur par convection d'un groupe générateur de vapeur pour atteindre les températures de vapeur optima dans la gamme inférieure des charges peut être assurée par l'emploi de brûleurs bascu- lants ou autres moyens appropriés. Lorsque la charge augmente en tendant vers une charge correspondant au point de réglage, la nécessité d'augmenter la quan- tité de chaleur disponible au surchauffeur diminue jusqu'à ce que, à la charge correspondant au point de réglage, la température de la vapeur ait une valeur optimum.
A des charges dépassant leurs charges au point de réglage, les surchauffeurs et réchauffeurs par convection tendent naturellement à donner une
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température de vapeur trop élevée par suite de l'absorption d'une trop grande quantité de chaleur. Le court-circuitage des surfaces du surchauffeur et/ou du réchauffeu- par une partie des gaz pourrait être effectué comme un moyen d'éviter cette absorption excessive de chaleur. Toutefois, ceci entraîne l'emploi d'installations coûteuses et encombrantes et le réglage est un peu lent à se produire après déclenchement de l'action qui le provoque.
Le désurchauffage par pulvérisation pour corriger la températu- re est une mesure préférable par suite de la simplicité de construction de son installation, de la facilité de son fonctionnement., et de la faible chute de pression occasionnée. Toutefois, il offre l'inconvénient de réduire le rende- ment total de l'installation de turbine à vapeur,, en raison de la perte de chaleur latente dans le condenseur de la vapeur produite dans le désurchauf- feur du réchauffage sans l'avantage d'une détente de cette vapeur dans la turbine à haute pression.
La présente invention permet le désurchauffage de la vapeur par pulvérisation en réduisant au minimum ou en évitant l'em- ploi du désurchauffage par pulvérisation dans le réchauffeurtout en effec- tuant concurreinment un réglage optimum tant de la température de la vapeur surchauffée à haute pression que de la température de la vapeur réchauffée.
La présente invention comprend le procédé de réglage de la température de la vapeur surchauffée et de la température de la vapeur ré- chauffée dans un groupe générateur de vapeur pourvu d'un surchauffeur à con- vection et d'un réchauffeur à convection, suivant lequel on fait passer une partie d'un courant de gaz de chauffe sur le surchauffeur fonctionnant par convection et la partie restante du courant sur le réchauffeur fonctionnant par convection, on règle le débit de cette partie restante du courant gazeux en vue de régler la température de réchauffage on désurchauffe la vapeur sur- chauffée par contact direct entre de l'eau de désurchauffage et la vapeur et on règle le désurchauffage à l'effet de régler la température de surchauffe.
L'invention comprend aussi un groupe générateur et surchauf- feur de vapeur à haute pression du type comportant un foyer refroidi par cir- culation de fluide pourvu d'une sortie des gaz de chauffe à haute tempéra- ture, dans lequel une série de parcours de gaz parallèles partent de la sortie, un surchauffeur de vapeur à haute pression étant disposé dans un parcours de gaz et un réchauffeur de vapeur à basse pression étant disposé dans un second parcours de gaz, tandis que des papillons ou l'équivalent sont prévus pour régler le débit de gaz dans le second parcours des gaz en vue de régler la température finale de la vapeur à basse pression réchauffée et qu' un désurchauffeur à pulvérisation associé au surchauffeur à haute pression est prévu pour régler la température finale de la vapeur à haute pression.
L'invention sera décrite ci-après à titre d'exemple, avec ré- férence aux dessins annexés, dans lesquels :
Fig. 1 est une vue schématique d'un groupe générateur de va- peur surchauffée et des éléments constitutifs d'une installation de force mo- trice directement associée à ce groupe;
Fig. 2 est une vue schématique en plan partiellement en coupe horizontale suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1 ;
Fig. 3 est une vue schématique montrant des instruments de mesure et der dispositifs commandés à la main associés aux éléments constitu- tifs correspondants du groupe générateur de vapeur représenté sur les Figs.
1 et 2, et
Figa 4 est un graphique du mode de fonctionnement, les or- données horizontales représentant la charge sur le groupe générateur de va- peur en milliers de livres par heure et les ordonnées verticales représentant les températures de vapeur en degrés Fahrenheit.
Dans le groupe générateur de vapeur représenté sur la Fig. @
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la vapeur est produite dans des tubes de parois délimitant la chambre de combustion ou foyer 10. Ce foyer est chauffé par des rangées horizontales de brûleurs 12 à 15 disposés dans une boîte à vent 18 qui reçoit de l'air se- condaire réchauffé par un conduit 20 pourvu d'un registre ou papillon régu- lateur 22. Ce papillon peut être actionné par un moteur représenté schématique- ment en 24 sur la Fig. 3 comme étant raccordé à un commutateur électrique 26 à boutons poussoirs 28,29 et 30 pour la marche avant et la marche arrière du moteur et pour la mise à l'arrêt de ce dernier.
Les brûleurs 12 à 15 sont alimentés en air primaire et en com- bustible pulvérisé par les conduits 32 à 35 venant d'un ou plusieurs broyeurs ou pulvériseurs. Le débit d'air primaire et de combustible amené aux conduits 32 à 35 et de là aux brûleurs 12 à 15 peut être réglé par un papillon 40 in- diqué sur la Fig. 3, ce papillon étant susceptible d'être actionné par un mo- teur approprié 42 dont la commande est effectuée par l'intermédiaire des bou- tons poussoirs de marche avant, de marche arrière et d'arrêt 44, 45 et 46 du commutateur électrique 48, convenablement raccordés par des conducteurs 50 au moteur.
Toutes les parois de la chambre de combustion 10 comprennent des tubes vaporisants tels que les tubes de parois 52 et 54 raccordés par leurs extrémités supérieures au corps cylindriquè de vapeur et d'eau 56 et par leurs extrémités inférieures à des collecteurs appropriés 58 et 60 respectivement, les collecteurs étant raccordés d'une manière appropriée par des colonnes descendantes à la chambre d'eau du corps cylindrique 56.
La vapeur saturée passe par des conduits de raccordement ap- propriés du corps cylindrique 56 au collecteur d'entrée 62 d'un surchauffeur primaire. Celui-ci comprend plusieurs serpentins 64 à 67 raccordés en série qui sont reliés au collecteur de sortie 70. Il existe deux sections de sur- chauffeurs primaires de ce genre. Ces sections sont montées chacune dans l'un des différents parcours de gaz verticaux 72 et 74 (Fig. 2), disposés symétri- quement par rapport aux parois 75, 76 et 77 du groupe et symétriquement aussi par rapport au parcours de gaz vertical 80 du réchauffeur placé entre les parcours de gaz 72 et 74 des surchauffeurs primaires. Une cloison séparatrice 82 sépare les parcours de gaz 74 et 80 et une paroi verticale similaire 84 sé- pare les parcours de gaz 72 et 80.
Au-dessous de chaque section de surchauffeur primaire se trouve un économiseur 90 et dans la sortie du parcours de gaz 72 se trouvent des papillons 94 servant à régler le débit des gaz, ces papillons pouvant être actionnés par un moteur 94 A qui est commandé par boutons'pous- soirs 96,97 et 98 pour la marche avant, la marche arrière et l'arrêt, ces bou- tons étant reliés d'une manière appropriée au moteur 94A, comme c'est indiqué par la ligne 100.
Similairement, des papillons 102 sont disposés dans la sortie du parcours de gaz 74 de la section restante du surchauffeur primaire, ces papillons pouvant être actionnés par le moteur 102A sous la commande des bou- tons poussoirs 104, 105 et 106.
Dans le parcours de gaz 80, entre les parcours de gaz 72 et 74, se trouve un réchauffeur à convection, comprenant des faisceaux de tubes semblables aux faisceaux tubulaires de, surchauffeur 64 à 67. Les entrées de ces tubes sont reliées au collecteur d'entrée 110 du réchauffeur et leurs ex- trémités de sortie à un collecteur de réchauffeur 112.
Le réglage du débit de gaz sur le réchauffeur est effectué par une série de papillons 114 placés dans une position similaire à celle des papillons 94 représentés sur la Fig. 1. Les papillons 114 sont indiqués sché- matiquement sur la Fig. 2 comme étant reliés à un moteur 114A. Ces éléments sont aussi indiqués sur la vue schématique de la Fig.3, le moteur étant rac- cordé par des conducteurs tels que 116 au commutateur à boutons poussoirs 118, 119 et 120 pour la marche avant, la marche arrière et L'arrêt.
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La Fig. 1 montre que la vapeur venant du collecteur de sortie 70 du surchauffeur primaire est amenée par les conduits 122 à un désurchauf- feur à contact direct 124, de préférence construit et disposé comme c'est in- didué dans le brevet n 475.434' Ce désurchauffeur comprend une tuyère de pul- vérisation d'eau 126 communiquant avec une canalisation d'eau 128 dans la- quelle est montée une vanne 130 pouvant être actionnée par un moteur 132 au moyen des boutons poussoirs de marche àvant, de marche arrière et d'arrêt 134, 135 et 136, reliés d'une manière appropriée au moteur par des conducteurs 138 (Fig. 3).
La vapeur désurchauffée venant des surchauffeurs primaires passe du désurchauffeur 124, par la conduite 140, dans le collecteur d'entrée 142 d'un surchauffeur secondaire comprenant les faisceaux verticaux de tubes 144, 145 et 146 dont les extrémités de sortie sont reliées au collecteur de sortie 148 du surchauffeur secondaire. Ces faisceaux tubulaires s'étendent entièrement en travers du parcours du courant de gaz entre la sortie 150 de la chambre de combustion au sommet du groupe et la chambre de déviation des gaz 152 au-dessus des sections du surchauffeur primaire et du réchauffeur.
Du collecteur de sortie 148 du surchauffeur secondaire, la vapeur passe par la conduite 154 dans l'entrée d'une turbine à haute pres- sion 156. Dans celle-ci la vapeur se détend en actionnant la turbine et elle passe du dernier étage de celle-ci par une conduite 158 dans le désurchauf- feur 160 du réchauffeur . La conduite d'eau de pulvérisation 162 pour ce dé- surchauffeur de vapeur comprend une vanne 164 susceptible d'être actionnée par un moteur 166 commandé par des conducteurs appropriés 168 reliés au com- mutateur à boutons poussoirs 170, 171 et 172 pour la marche avant, la marche arrière et l'arrêt (Fig. 3).
De ce désurchauffeur de vapeur 160, la vapeur passe par la canalisation 170 au collecteur d'entrée 110 du réchauffeur et de là au col- lecteur 112 par les tubes du réchauffeur monté dans le parcours de gaz 80, pour se rendre ensuite par d'autres tubes de réchauffeur 172 dans le collecteur de sortie 174 du réchauffeur. De ce collecteur la vapeur passe par la canalisa- tion 176 dans l'entrée de la turbine à basse pression 178 qui est conjuguée au condenseur 180.
Le poste de commande à main indiqué sur la Fig. 3 est de pré- férence disposé de telle manière que les divers instruments de mesure peuvent être vus par l'opérateur de cette position. Ces instruments comprennent un ap- pareil de mesure de la pression de vapeur 200 qui, comme c'est indiqué sur la Fig. 1 des dessins,est relié par une conduite de vapeur 154 à vapeur sur- chauffée à l'entrée de la turbine à haute pression 156.
Un autre de ces instruments de mesure est l'indicateur de température 202 pour la température de surchauffe finale. Cet instrument est indiqué sur la Fig, 1 comme étant relié par une conduite 204 à un thermostat 206 monté dans la conduite de vapeur 154 allant à la turbine à haute pression 1560
Un autre instrument est le débit-mètre de vapeur 210 qui communique par des tubes avec la canalisation de vapeur 154 de part et d'au- tre d'un orifice 212 pour utiliser la différence des pressions régnant des deux côtés de celui-ci, comme indication du débit de vapeur.
La température de réchauffage finale est indiquée par un appa- reil thermométrique 216 relié par un conduit 218 à un élément thermostatique 220 monté dans la canalisation de vapeur réchauffée 176 allant du collec- teur 174 à la turbine à basse pression 1780
Les instruments de mesure visibles du poste de commande 222 comprennent aussi un débit-mètre d'air 224 établi d'une manière appropriée pour mesurer le débit d'air total dans la chambre de combustion 10 (le débit
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de gaz remis en circulation non compris).
Le débit d'air secondaire est réglé par la commande à boutons' poussoirs (28, 29 et 30) du papillon d'air secondaire 22 pour un débit de va- peur donné, assurant le rapport désiré de combustible et d'air pour le rende- ment de combustion voulu. Le débit de combustible est réglé par la commande du papillon 40 au moyen du moteur 42, effectué à l'aide des boutons poussoirs
44, 45 et 46.
Le fonctionnement du groupe représenté sera décrit avec ré- férence à une charge correspondant au point de réglage. La charge du point de réglage de la température, considérée au point de vue des températures de va- peur dans un groupe à parcours de gaz multiples, pourrait être définie comme étant la charge à laquelle le débit de gaz de la chambre de combustion, dans le cas où l'équipement du foyer, c'est-à-dire les brûleurs, fonctionne avec rendement maximum, contient la quantité de chaleur totale voulue pour assurer la surchauffe de la vapeur à haute pression et le réchauffage de la vapeur à basse pression aux températures optima prédéterminées, aucune mesure positive telle que la recirculation des gaz n'étant prise pour modifier le degré d'ab- sorption de chaleur dans la chambre de combustion.
Dans un groupe générateur à parcours multiples, le gaz venant de la chambre de combustion est réparti entre les parcours à l'allure correspondant à la charge du point de réglage, de telle façon que la température optimum de la surchauffe et de réchauffage est assurée. A des charges comprises entre cette charge du point de réglage et une charge minimum prédéterminée, on provoque avantageusement une augmen- tation de la quantité de chaleur contenue dans les gaz pour maintenir la tem- pérature de surchauffe finale, et ceci se rapporte à des gaz qui passent en premier lieu par le surchauffeur secondaire et ensuite par les deux sections du surchauffeur primaire.
Dans la forme d'exécution représentée, cette augmen- tation de la teneur en chaleur est obtenue par un système de remise en circu- lation des gaz qui aspire du gaz de chauffe d'une ouverture 230 ménagée dans le carneau 232 partant de la sortie des parcours de gaz 72, 74 et 80. Ce systè- me comprend un conduit vertical 231 et une conduite associée 234 raccordée à l'entrée d'un ventilateur 236. La sortie de ce ventilateur est raccordée par un réseau de conduites 238 et 240 à une série de lumières 242 ménagées dans une ou plusieurs parois de la chambre de combustion 10 près du fond de cette dernière.
Le régistre ou papillon 244 établi dans le conduit vertical 231 se trouve dans une position largement ouverte à une charge minimum prédé- terminée et lorsque la charge augmente à partir de ce point jusqu'au point de réglage, le papillon 244 se ferme graduellement sous l'action du moteur 246 commandé par les boutons poussoirs de marche avant, de marche arrière et d'arrêt 248, 249 et 250 qui sont reliés au moteur 246 par les conducteurs 252.
La commande du papillon 244 est effectuée en tenant compte des indications don- nées par l'instrument 202 sur la température de surchauffe finale.
Ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus, la quantité de chaleur contenue dans les gaz traversant le surchauffeur est augmentée par le système de recirculation des gaz dans une gamme de charges inférieure. Il a été dit également que le débit de gaz remis en circulation est réglé d'après l'indi- cation de la température de surchauffe finale. Dans le groupe décrit, cette action se produit à partir d'une charge, minimum de l'ordre de 500.000 livres de vapeur jusqu'au point de réglage limitant la recirculation, indiqué par la ligne TU sur la Fig. 4 où les lignes MO et PR représentent respectivement les courbes caractéristiques de la température de surchauffe et de la tempé- rature de réchauffage.
Pendant cette partie du fonctionnement, les papillons 114 du réchauffeur sont largement ouverts, tandis que les papillons du sur- chauffeur primaire 94 et 102 sont actionnés en même temps que le papillon ar- rière 244 des gaz en recirculation, par les éléments pertinents du réglage ti- rés d'une indication irisuelle de la température de réchauffage finale donnée par l'instrument 216. Lorsqu'un point correspondant au point propre au @ de
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réchauffeur considéré, par exemple une charge de 950.000 livres par heure, indiquée par la ligne YZ est atteint, le papillon du surchauffeur est largement ouvert et il reste largement ouvert dans la gamme des charges au-dessus et au-delà de ce point.
Ainsi, la ligne A indique une gamme de charges au-dessus de laquelle le jeu de papillons 114 du réchauffeur est couverteet les jeux de papillons 94 et 102 du surchauffeur sont actionnés pour effectuer le réglage, tandis que la ligne B indique une gamme de charges au-dessus de laquelle les jeux de papillons du surchauffeur sont ouverts et le jeu de papillons du ré- chauffeur est actionné pour effectuer le réglage.
Au-dessus du point de réglage indiqué sur la Fig. 4 par la ligne TU, la température de la vapeur surchauffée est réglée par le désurchauf- feur à pulvérisation 124 pour maintenir la température de la vapeur surchauf- fée à la valeur prédéterminée. Pour arriver à ce résultat, l'opérateur observe la température finale de la vapeur indiquée par l'instrument 202 et actionne en conséquence les boutons poussoirs 134 à 136 pour mettre dans la position voulue la valve d'eau de pulvérisation 130 de manière à régler le débit d'eau à la quantité nécessaire pour limiter la température de vapeur finale à la valeur désirée.
Dans une gamme de charges supérieure dépassant le point propre au type de réchauffeur employé YZ, les papillons du réchauffeur 114 sont par- tiellement fermés par l'opérateur agissant sur les boutons poussoirs 118 à 120, suivant les indications visuelles de l'instrument 216 sur la température de réchauffage finale. Il n'est donc pas nécessaire d'admettre de l'eau pour désurchauffer par pulvérisation d'eau la vapeur sortant du réchauffeur, entre le point de réglage du réchauffeur et un point W à une charge approximativement de 1.050.000 livres de vapeur par heure.
Au-dessus de cette charge et dans la gamme des surcharges jusqu'à 1.100.000 livres de vapeur par heure, il peut être nécessaire d'employer de l'eau de pulvérisation pour abaisser la tempé- rature de la vapeur réchauffée suivant le degré auquel on considère qu'il est désirable de limiter l'apport de chaleur dans le surchauffeur lorsqu'on tient compte de différents facteurs, parmi lesquels on peut citer la température du métal du surchauffeur la chute de pression de la vapeur du surchauffeur et la perte de tirage au surchauffeur. Lorsqu'un certain de ces facteurs limite la charge à laquelle tout le réglage de désurchauffage se borne à un désur- chauffage de la vapeur du surchauffeur, le désurchauffage de la vapeur du ré- chauffeur n'est alors amorcé que dans des conditions de surcharge plus élevées.
Bien qu'une quantité considérable d'eau de pulvérisation ait été employée pour le désurchauffage de la vapeur surchauffée entre le point de réglage défini par la ligne TU et le point W,cet emploi pour le désurchauffage n'a pas d'ef- fet préjudiciable sur le rendement thermo-dynamique de l'installation comme ce serait le cas si l'on employait une quantité similaire d'eau de pulvérisa- tion pour le désurchauffage de la vapeur réchauffée.
Dans le graphique de la Fig. 4, la ligne XW allant d'une char- ge de 550. 000 livres de vapeur par heure à 1.050.000 livres de vapeur par heure, représente le réglage de la température de vapeur au-dessus de cette échelle. La courbe MO représente la température de surchauffe non réglée qui serait obtenue pour les surfaces d'absorption de la chaleur considérées, si l'on n'appliquait pas l'invention, et la ligne PR représente la température de réchauffage non réglée qu'on obtiendrait sans faire application de l'in- vention.
La surface hachurée désignée par SA qui comprend la surface plus fortement hachurée RA représente l'étendue de la gamme de charges sur laquelle le désurchauffage de la vapeur surchauffée est effectué, les ordon- nées de la surface hachurée au-dessus de la ligne XW indiquant l'accroisse- ment du désurchauffage par pulvérisation avec l'augmentation de la charge.
La surface hachurée plus petite RA représente l'étendue de la gamme des surcharges sur laquelle le désurchauffage de la vapeur réchauffé@
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est effectué et les ordonnées de la surface RA au-dessus du niveau de la ligne
XW indiquent l'augmentation de la quantité d'eau de pulvérisation ainsi em- ployée. Le désurchauffage de la vapeur réchauffée est effectué par l'opérateur agissant sur les boutons poussoirs 170,171 et 172 (Fig. 3), .d'après les indi- cations de la température de réchauffage données par l'instrument 216.
On remarquera que la surface RA est relativement petite en comparaison de la surface SA et quand bien même l'emploi d'eau de pulvérisa- tion est nécessaire dans la gamme des surcharges il n'a qu'une importance mineure au point de vue du rendement thermique total de l'installation qui fonctionne habituellement à une charge inférieure à 1.050.000 livres par heu- re.
L'installation d'un désurchauffeur à pulvérisation associé au réchauffeur, si des mesures sont prises pour l'amener automatiquement en action si la température devient excessive à la sortie du réchauffeur, est avantageuse au point de vue de la sécurité du fait qu'elle assure une protec- tion complète contre les hautes températures qui pourraient sans cela dété- riorer la turbine à vapeur.
Dans le fonctionnement considéré du groupe et de l'appareil donnés à titre d'exemple,au cours de plusieurs phases comprenant chacune une gamme de charges différente, les faits suivants se produisent lorsque la char- ge augmente d'un minimum à un maximum.
Dans la phase I, la recirculation des gaz atteint son degré maximum et l'amplitude de l'étranglement des parcours du surchauffeur est plus grand aux faibles charges, le parcours des gaz du réchauffeur n'étant pas étranglé. Lorsque la charge augmente au cours de la phase 1 jusqu'au départ de la phase II, la recirculation du gaz est réduite à zéro, l'étranglement du parcours des gaz du surchauffeur est réduit de telle façon que lorsque la phase II est amorcée, le surchauffeur est encore étranglé dans une certaine mesure et le parcours du réchauffeur n'est soumis à aucun étranglement. La charge du point de réglage se trouve entre les phases 1 et II.
Dans la phase II, le parcours des gaz du réchauffeur est main- tenu non étranglé et il y a réduction progressive de l'étranglement du courant de gaz dans le parcours du surchauffeur avec introduction concurrente et aug- mentation progressive du désurchauffage par pulvérisation de la vapeur sur- chauffée.
Il n'y a pas d'étranglement ou réduction du courant de gaz dans le parcours du surchauffeur pendant la phase III, mais un étranglement du courant de gaz dans le parcours de gaz du réchauffeur est amorcé et aug- menté progressivement et le désurchauffage de la vapeur du surchauffeur est augmenté progressivement en même temps que la charge augmente.
Dans la phase IV, (gamme des surcharges) le parcours des gaz du surchauffeur n'est pas étranglé, l'étranglement du courant de gaz dans le parcours de gaz du réchauffeur qui est obtenu à la fin de la phase III est prolongé, tandis que le désurchauffage de la vapeur surchauffée est aug- menté prpgressivement et le désurchauffage de la vapeur réchauffée est amor- cé et progressivement augmenté.
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PERFECTED PROCESS AND APPARATUS FOR ADJUSTING THE STEAM TEMPERATURE
OVERHEATED AND REHEATED STEAM TEMPERATURE.
This invention relates to a method and apparatus for controlling the temperature of superheated steam and the temperature of reheated steam, and particularly to a superheated steam generator group where high temperature heating gases produce and superheat high steam. the pressure to supply it to a steam turbine in which it expands doing useful work and from which steam at reduced pressure is returned to the group to be reheated to a high temperature.
For the operation of high pressure steam generators supplying superheated steam to a high pressure steam turbine and reheating the low pressure steam from the turbine exhaust to send it to a high pressure turbine. condensing at low pressure, it is advantageous to use convection-heated superheaters and steam heaters. However, the temperature-load characteristics of these heaters are such that, being of the conventional type, there is a deficiency from optimum steam temperatures in the lower range of loads and devices are usually provided for. avoid such temperature deficiency.
The supply of a suitable hot gas stream to the superheater and convection heater of a steam generator group to achieve optimum steam temperatures in the lower load range can be ensured by the use of rocking burners or other appropriate means. As the load increases towards a load corresponding to the set point, the need to increase the amount of heat available to the superheater decreases until, at the load corresponding to the set point, the temperature of the steam. has an optimum value.
At loads exceeding their set point loads, convection superheaters and heaters naturally tend to give
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steam temperature too high due to absorption of too much heat. Bypassing the surfaces of the superheater and / or heater by some of the gases could be done as a means of avoiding this excessive heat absorption. However, this entails the use of expensive and bulky installations and the adjustment is a little slow to occur after the triggering of the action which causes it.
Spray desuperheating for temperature correction is a preferable measure due to the simplicity of construction of its installation, ease of operation, and the low pressure drop involved. However, it has the disadvantage of reducing the total efficiency of the steam turbine installation, due to the loss of latent heat in the condenser from the steam produced in the reheating desuperheater without the advantage. an expansion of this steam in the high pressure turbine.
The present invention allows for the desuperheating of spray steam by minimizing or avoiding the use of spray desuperheating in the heater while concurrently providing optimum control of both the temperature of the high pressure superheated steam and of the high pressure superheated steam. the temperature of the heated steam.
The present invention comprises the method of controlling the temperature of the superheated steam and the temperature of the reheated steam in a steam generating group provided with a convection superheater and a convection heater, according to which part of a heating gas stream is passed through the superheater operating by convection and the remaining part of the current through the heater operating by convection, the flow rate of this remaining part of the gas stream is adjusted in order to adjust the temperature of Reheating the superheated steam is desuperheated by direct contact between the desuperheating water and the steam and the desuperheating is adjusted to control the superheat temperature.
The invention also comprises a high pressure steam generator and superheater of the type comprising a hearth cooled by circulating fluid provided with an outlet for the high temperature heating gases, in which a series of paths parallel gases flow from the outlet, a high pressure steam superheater being disposed in a gas path and a low pressure steam heater being disposed in a second gas path, while butterflies or the like are provided for regulate the gas flow in the second gas path in order to regulate the final temperature of the reheated low pressure steam and that a spray desuperheater associated with the high pressure superheater is provided to set the final temperature of the high pressure steam pressure.
The invention will be described below by way of example, with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a schematic view of a superheated steam generator group and of the components of a motive force installation directly associated with this group;
Fig. 2 is a schematic plan view partially in horizontal section taken along line 2-2 of FIG. 1;
Fig. 3 is a schematic view showing measuring instruments and hand-operated devices associated with the corresponding constituent elements of the steam generator group shown in Figs.
1 and 2, and
Figa 4 is a graph of the mode of operation, horizontal ordinates representing the load on the steam generator set in thousands of pounds per hour and vertical ordinates representing steam temperatures in degrees Fahrenheit.
In the steam generator group shown in Fig. @
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the steam is produced in wall tubes delimiting the combustion chamber or hearth 10. This hearth is heated by horizontal rows of burners 12 to 15 arranged in a wind box 18 which receives secondary air heated by a duct 20 provided with a regulating damper or throttle 22. This throttle can be actuated by a motor shown schematically at 24 in FIG. 3 as being connected to an electrical switch 26 with pushbuttons 28, 29 and 30 for the forward and reverse running of the motor and for stopping the latter.
The burners 12 to 15 are supplied with primary air and with atomized fuel through the conduits 32 to 35 coming from one or more grinders or pulverizers. The flow of primary air and fuel supplied to ducts 32 to 35 and thence to burners 12 to 15 can be regulated by a butterfly valve 40 shown in FIG. 3, this throttle being capable of being actuated by an appropriate motor 42, the control of which is effected by means of the forward, reverse and stop pushbuttons 44, 45 and 46 of the electric switch. 48, suitably connected by conductors 50 to the motor.
All the walls of the combustion chamber 10 include vaporizing tubes such as the wall tubes 52 and 54 connected at their upper ends to the cylindrical body of vapor and water 56 and at their lower ends to suitable manifolds 58 and 60 respectively. , the collectors being suitably connected by descending columns to the water chamber of the cylindrical body 56.
The saturated steam passes through suitable connecting conduits from the cylindrical body 56 to the inlet manifold 62 of a primary superheater. This comprises several coils 64-67 connected in series which are connected to the outlet manifold 70. There are two sections of such primary superheaters. These sections are each mounted in one of the different vertical gas paths 72 and 74 (Fig. 2), arranged symmetrically with respect to the walls 75, 76 and 77 of the group and also symmetrically with respect to the vertical gas path 80. of the heater placed between the gas paths 72 and 74 of the primary superheaters. A dividing wall 82 separates the gas paths 74 and 80 and a similar vertical wall 84 separates the gas paths 72 and 80.
Below each primary superheater section is an economizer 90 and in the outlet of the gas path 72 are throttles 94 for regulating the gas flow, these throttles being operable by a 94 A motor which is controlled by pushbuttons 96, 97 and 98 for forward, reverse and stop, these buttons being suitably connected to motor 94A, as indicated by line 100.
Likewise, throttles 102 are disposed in the outlet of gas path 74 of the remaining section of the primary superheater, these throttles being operable by motor 102A under the control of push buttons 104, 105 and 106.
In the gas path 80, between the gas paths 72 and 74, there is a convection heater, comprising tube bundles similar to the superheater tube bundles 64 to 67. The inlets of these tubes are connected to the manifold of. heater inlet 110 and their outlet ends to a heater manifold 112.
The adjustment of the gas flow to the heater is effected by a series of butterflies 114 placed in a position similar to that of the butterflies 94 shown in FIG. 1. Butterflies 114 are shown schematically in FIG. 2 as being connected to a motor 114A. These elements are also shown in the schematic view of Fig. 3, the motor being connected by conductors such as 116 to the push button switches 118, 119 and 120 for forward, reverse and stop.
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Fig. 1 shows that the steam from the outlet manifold 70 of the primary superheater is fed through the conduits 122 to a direct contact desuperheater 124, preferably constructed and arranged as is disclosed in patent no. 475,434. This desuperheater comprises a water spray nozzle 126 communicating with a water line 128 in which is mounted a valve 130 operable by a motor 132 by means of the forward, reverse and reverse push buttons. stop 134, 135 and 136, suitably connected to the motor by conductors 138 (Fig. 3).
Desuperheated steam from the primary superheaters passes from desuperheater 124, through line 140, into inlet manifold 142 of a secondary superheater comprising vertical tube bundles 144, 145 and 146, the outlet ends of which are connected to the heat manifold. output 148 of the secondary superheater. These tube bundles extend entirely across the path of the gas stream between the outlet 150 of the combustion chamber at the top of the group and the gas deflection chamber 152 above the primary superheater and heater sections.
From the secondary superheater outlet manifold 148, steam passes through line 154 into the inlet of a high pressure turbine 156. In this, the steam expands by actuating the turbine and passes from the last stage of the turbine. the latter via a line 158 in the desuperheater 160 of the heater. The spray water line 162 for this steam de-superheater comprises a valve 164 capable of being actuated by a motor 166 controlled by suitable conductors 168 connected to the push-button switches 170, 171 and 172 for operation. forward, reverse and stop (Fig. 3).
From this steam desuperheater 160, the steam passes through line 170 to the inlet manifold 110 of the heater and from there to manifold 112 through the tubes of the heater mounted in the gas path 80, to then proceed through other heater tubes 172 in the heater outlet manifold 174. From this manifold the steam passes through line 176 into the inlet of low pressure turbine 178 which is coupled to condenser 180.
The hand control station shown in Fig. 3 is preferably arranged in such a way that the various measuring instruments can be seen by the operator from this position. These instruments include a vapor pressure meter 200 which, as shown in FIG. 1 of the drawings, is connected by a steam line 154 to superheated steam to the inlet of the high pressure turbine 156.
Another such measuring instrument is the temperature indicator 202 for the final superheat temperature. This instrument is indicated in Fig, 1 as being connected by a line 204 to a thermostat 206 mounted in the steam line 154 going to the high pressure turbine 1560.
Another instrument is the steam flow meter 210 which communicates by tubes with the steam line 154 on either side of an orifice 212 to use the difference in pressures prevailing on both sides thereof, as an indication of the steam flow.
The final reheating temperature is indicated by a thermometric apparatus 216 connected by a conduit 218 to a thermostatic element 220 mounted in the reheated steam line 176 going from the manifold 174 to the low pressure turbine 1780.
Measuring instruments visible from control station 222 also include an air flow meter 224 set up in a suitable manner to measure the total air flow in combustion chamber 10 (the flow rate
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of recirculated gas not included).
The secondary air flow is regulated by the pushbutton control (28, 29 and 30) of the secondary air throttle 22 for a given steam flow, ensuring the desired ratio of fuel and air for the gas. desired combustion efficiency. The fuel flow is regulated by the throttle control 40 by means of the motor 42, carried out using the push buttons
44, 45 and 46.
The operation of the group shown will be described with reference to a load corresponding to the set point. The temperature set point load, considered from the point of view of vapor temperatures in a multiple gas path group, could be defined as the load at which the gas flow rate from the combustion chamber, in the case where the furnace equipment, i.e. the burners, are operating at maximum efficiency, contain the total amount of heat required to ensure the superheating of the high pressure steam and the reheating of the low pressure steam at the optimum predetermined temperatures, no positive action such as gas recirculation being taken to alter the degree of heat absorption in the combustion chamber.
In a multiple-path generator group, the gas coming from the combustion chamber is distributed between the paths at the rate corresponding to the load at the set point, so that the optimum temperature for superheating and reheating is ensured. At loads between this set point load and a predetermined minimum load, advantageously an increase in the amount of heat contained in the gases is caused to maintain the final superheat temperature, and this relates to gases. which pass first through the secondary superheater and then through the two sections of the primary superheater.
In the embodiment shown, this increase in heat content is obtained by a gas recirculation system which draws heating gas from an opening 230 in the flue 232 leading from the outlet. gas paths 72, 74 and 80. This system comprises a vertical duct 231 and an associated duct 234 connected to the inlet of a fan 236. The outlet of this fan is connected by a network of pipes 238 and 240 to a series of openings 242 formed in one or more walls of the combustion chamber 10 near the bottom of the latter.
The register or throttle 244 established in the vertical duct 231 is in a wide open position at a predetermined minimum load and as the load increases from this point to the set point, the throttle 244 gradually closes under the pressure. action of the motor 246 controlled by the forward, reverse and stop pushbuttons 248, 249 and 250 which are connected to the motor 246 by the conductors 252.
The throttle valve 244 is controlled taking into account the indications given by the instrument 202 on the final superheating temperature.
As noted above, the amount of heat contained in the gases passing through the superheater is increased by the gas recirculation system in a lower load range. It has also been said that the flow of recirculated gas is regulated according to the indication of the final superheat temperature. In the group described, this action occurs from a minimum load of the order of 500,000 pounds of steam to the set point limiting recirculation, indicated by the line TU in FIG. 4 where the lines MO and PR respectively represent the characteristic curves of the superheating temperature and of the reheating temperature.
During this portion of operation the heater throttles 114 are wide open, while the primary superheater throttles 94 and 102 are actuated along with the rear recirculating throttle 244 by the relevant elements of the control. taken from an irisual indication of the final reheating temperature given by the instrument 216. When a point corresponding to the point specific to the @ de
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heater considered, for example a load of 950,000 pounds per hour indicated by the YZ line is reached, the superheater throttle is wide open and it remains wide open in the range of loads above and beyond this point.
Thus, line A indicates a range of loads above which the heater throttle set 114 is covered and the superheater throttle sets 94 and 102 are actuated to adjust, while line B indicates a range of loads. above which the superheater throttle sets are open and the heater throttle set is actuated to adjust.
Above the set point shown in Fig. 4 through line TU, the temperature of the superheated steam is controlled by the spray desuperheater 124 to maintain the temperature of the superheated steam at the predetermined value. To achieve this result, the operator observes the final temperature of the steam indicated by the instrument 202 and accordingly actuates the push buttons 134 to 136 to put the spray water valve 130 in the desired position so as to adjust the water flow to the quantity necessary to limit the final steam temperature to the desired value.
In a range of higher loads exceeding the point specific to the type of heater employed YZ, the butterflies of the heater 114 are partially closed by the operator acting on the pushbuttons 118 to 120, according to the visual indications of the instrument 216 on the final reheat temperature. It is therefore not necessary to admit water to desuperheat the steam exiting the heater by spraying water between the heater set point and a point W at a load of approximately 1,050,000 pounds of steam per. hour.
Above this load and in the range of overloads up to 1,100,000 pounds of steam per hour, it may be necessary to use spray water to lower the temperature of the reheated steam to the degree. to which it is considered desirable to limit the heat input to the superheater when taking into account various factors, among which may be mentioned the temperature of the metal of the superheater, the pressure drop of the superheater steam and the loss superheater draft. When some of these factors limit the load at which all of the desuperheating control is limited to superheater steam desuperheating, then reheater steam desuperheating is only initiated under overload conditions. higher.
Although a considerable amount of spray water has been used for desuperheating the superheated steam between the set point defined by the TU line and point W, this use for desuperheating has no effect. detrimental to the thermodynamic efficiency of the installation, as would be the case if a similar quantity of spray water were used for the desuperheating of the reheated steam.
In the graph of FIG. 4, the XW line from a load of 550,000 pounds of steam per hour to 1,050,000 pounds of steam per hour, represents the steam temperature setting above this scale. The MO curve represents the unregulated superheating temperature which would be obtained for the heat absorption surfaces considered, if the invention were not applied, and the PR line represents the unregulated reheating temperature that would obtain without applying the invention.
The hatched area designated as SA which includes the more heavily hatched area RA represents the extent of the load range over which the superheated steam desuperheating is performed, the ordinates of the hatched area above the XW line indicating increasing spray desuperheating with increasing load.
The smaller hatched area RA represents the extent of the overload range over which the reheated steam desuperheating @
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is performed and the ordinates of the RA surface above the line level
XW indicate the increase in the amount of spray water used in this way. The reheated steam is desuperheated by the operator acting on pushbuttons 170, 171 and 172 (Fig. 3), according to the reheating temperature indications given by instrument 216.
Note that the area RA is relatively small compared to the area SA and although the use of spray water is required in the overload range it is of minor importance from the point of view of the load. total thermal efficiency of the installation which is usually operated at a load of less than 1,050,000 pounds per hour.
The installation of a spray desuperheater associated with the heater, if measures are taken to bring it automatically into action if the temperature becomes excessive at the outlet of the heater, is advantageous from a safety point of view because it provides complete protection against high temperatures which could otherwise damage the steam turbine.
In the considered operation of the exemplary group and apparatus, during several phases each comprising a different range of loads, the following events occur as the load increases from a minimum to a maximum.
In phase I, the recirculation of the gases reaches its maximum degree and the amplitude of the throttling of the paths of the superheater is greater at low loads, the path of the gases of the heater not being throttled. When the load increases during phase 1 until the start of phase II, the gas recirculation is reduced to zero, the throttling of the gas path of the superheater is reduced such that when phase II is initiated, the superheater is still throttled to some extent and the heater path is not subject to any throttling. The set point load is between phases 1 and II.
In phase II, the heater gas path is kept unthrottled and there is a gradual reduction in the throttling of the gas flow in the superheater path with concurrent introduction and gradual increase in the spray desuperheating of the heater. overheated steam.
There is no throttling or reduction in the gas flow in the superheater path during phase III, but a throttling of the gas flow in the heater gas path is initiated and gradually increased and the desuperheating of the steam from the superheater is gradually increased as the load increases.
In phase IV, (range of overloads) the superheater gas path is not throttled, the throttling of the gas flow in the heater gas path which is obtained at the end of phase III is extended, while that the desuperheating of the superheated steam is gradually increased and the desuperheating of the reheated steam is initiated and gradually increased.