Modélisation des transferts thermiques dans les dépôts d'encrassement des générateurs de vapeur

Heat transfer modeling in fouling deposits of steam generators

• Auteur / Autrice : Thibaut Dupuy
• Direction : Marc Jaeger, Marcel Lacroix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 18/10/2019
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence) - Laboratoire de Mécanique- Modélisation et Procédés Propres / M2P2
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Quintard, Thomas Prusek, Michel Belliard, Laurence Bergougnoux, Nadia Caney, Rachid Bennacer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Quintard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaudières à vapeur

Mots clés libres

Générateur de vapeur

Encrassement

Ébullition

Milieu poreux

Fractal

Steam generator

Fouling

Heat transfer boiling

Porous media

Fractal

Résumé

La majorité des produits de corrosion transportés par le circuit secondaire se déposent sur la paroi externe des tubes des Générateurs de Vapeur (GV) pour former des dépôts d’encrassement. Sur le parc nucléaire EDF, le suivi de l’évolution de l’encrassement repose, en partie, sur l’évolution de la pression de vapeur dans le dôme du GV. L’effet de l’encrassement sur cet indicateur reste encore difficile à prédire. Sur le long terme, le suivi de cette mesure a mis en évidence des évolutions généralement à la baisse, mais avec des cinétiques variables selon les tranches nucléaires. Par ailleurs, différents événements de la vie d’une tranche (les arrêts en cours de cycle ou les nettoyages chimiques par exemple) engendrent des évolutions encore mal maîtrisées de la pression dôme. L’ensemble de ces éléments rend difficile une prédiction de l’évolution de la pression dôme sur le long, voire le moyen terme. Or celle-ci est essentielle à l’exploitant pour mieux maîtriser le pilotage des marges en pression, et ajuster, si besoin, la stratégie de maintenance du GV. L’objectif de ces travaux de thèse est de disposer d’une méthodologie globale multi-échelle prédisant l’évolution de cette pression vapeur au cours du temps. La méthodologie repose sur quatre modèles complémentaires : (1) un logiciel de thermohydraulique tri-dimensionnel qui modélise l’écoulement diphasique dans le GV; (2) son module de dépôt de matière qui modélise la croissance des dépôts; (3) un modèle de caractérisation qui modélise la microstructure poreuse des dépôts; et (4) un modèle thermique monodimensionnel qui modélise les transferts thermiques dans ces dépôts. Le modèle de caractérisation, basé sur une approche fractale statistique innovante, reproduit avec précision la distribution statistique des pores, la conductivité thermique et la perméabilité des dépôts. A partir de ces paramètres, le modèle de transfert thermique modélise la conduction thermique et les mécanismes d’ébullition dans la structure poreuse des dépôts. Les caractéristiques les plus influentes des dépôts sur ces mécanismes sont évidemment l’épaisseur mais également son profil de porosité. Les estimations du modèle thermique sont en accord avec les résultats expérimentaux disponibles, et en diffèrent par une erreur moyenne en valeur absolue de 12%. La méthodologie globale simule l’évolution des dépôts et leur morphologie au cours des années d’exploitation du GV, ainsi que leur impact sur la pression dôme. Les prédictions sont proches des observations réalisées sur des GV en exploitation : après une phase d’amélioration ou de stagnation de la pression dôme durant les premières années, celle-ci tend à diminuer au cours de la croissance du dépôt. Par une approche simplifiée, la méthodologie peut également tenir compte des effets des nettoyages chimiques et des arrêts de tranche. Si les premiers résultats sont encourageants, des travaux sont encore à mener pour démontrer le caractère prédictif de la méthodologie. Les limites de la méthodologie sont détaillées et des perspectives sont proposées.

Most corrosion products carried by the feed water in the steam generators (SG) of nuclear power plants ultimately settle down on the surface of the tubes and become fouling deposits. These fouling deposits affect the performance of the SGs. It is therefore imperative to understand and to predict their behavior. At EDF, the fouling of SGs is monitored by measuring the drum steam pressure. This strategy enables EDF operators to control the pressure margins and to plan the maintenance and the cleaning of the SGs during outages. However, the complex and intertwined phenomena that lead to the fouling of the SGs make it difficult to predict the evolution of the drum steam pressure. The present thesis remedies this situation by proposing an overarching computational methodology that simulates the time-varying fouling deposits and ultimately predicts the evolution of the steam pressure at the secondary side of the steam generators. The methodology rests on four complementary models of different space and time scales: (1) a three-dimensional thermal-hydraulic model that mimics the thermal-hydraulics behaviour of the entire SG; (2) a three-dimensional deposition model that simulates the time-varying fouling deposits on the SG-tubes; (3) a multi-layer statistical-fractal model that depicts the porous microstructure of the fouling deposits; and (4) a one-dimensional thermal-hydraulic model that exemplifies the thermal effect of fouling deposits. The statistical-fractal model captures and predicts the pore-size distribution, the thermal conductivity and the permeability of the fouling deposits. The thermal-hydraulic model simulates the thermal conduction and the boiling phenomena of the deposits porous structure. The overall computational strategy is thoroughly validated and shows good agreement with experimental data. It is found that the most influential parameters obviously are the deposit thicknesses but also their porosity profiles. The methodology is also employed to simulate the deposit morphology over several years of SG operation and to examine the effect of the steam pressure. The simulations reveal that the fouling deposits tend to increase the drum steam pressure during the first few years of operation. Afterwards, the drum steam pressure diminishes as the fouling deposits grow. The effect of chemical cleanings and reactor shutdowns on the drum steam pressure is also examined. The limits of the methodology are discussed and future improvements are proposed.