Applications de régulation de pression

Il y a de nombreuses bonnes raisons de réduire (et parfois de maintenir) la pression de vapeur. Ce tutoriel détaille les applications courantes des systèmes de régulation de pression à actionnement direct, par pilote, pneumatique, électrique et électropneumatique, y compris les avantages et inconvénients de chaque méthode de régulation différente.

Réducteur de pression auto-actionné à actionnement direct - type à soufflet

Description Avec ce type de régulateur de pression auto-actionné, la pression de sortie (de régulation) est équilibrée (via un soufflet) contre une force de ressort. Avantages :

• Peu coûteux.
• Petit.
• Facile à installer.
• Très robuste, donnant une longue durée de vie avec un minimum de maintenance.
• Tolérant aux conditions de vapeur imparfaites.
• Le principe auto-actionné signifie qu’aucune puissance externe n’est requise. Inconvénients :
• Régulation proportionnelle uniquement.
• La bande proportionnelle est de 30 % à 40 % de la pression amont.
• Une bande proportionnelle large signifie que le débit maximum n’est atteint que lorsque la pression d’aval a considérablement baissé. Cela signifie que la pression réduite variera en fonction du débit.
• Taille limitée.
• Débit limité.
• Une variation de la pression amont entraînera une variation de la pression d’aval. Applications : Applications non critiques, à charge modérée avec des débits de fonctionnement constants, par exemple :
• Petites poêles à double enveloppe.
• Lignes de traçage.
• Repasseuses.
• Petites cuves.
• Bains d’acide.
• Petits calorifères de stockage.
• Aérothermes unitaires.
• Petites batteries de chauffage.
• Équipements OEM. Points à noter :

1. Différentes versions pour la vapeur, l’air comprimé et l’eau.
2. Des versions à siège souple peuvent être disponibles pour une utilisation sur des gaz.
3. Une large gamme de matériaux de corps signifie que des normes, applications et préférences particulières peuvent être satisfaites.
4. Une bande proportionnelle large signifie que la prudence est nécessaire si la safety valve doit être réglée proche de la pression de service.

Réducteur de pression auto-actionné à actionnement direct - type à membrane

Avec ce type de régulateur de pression auto-actionné, la pression de sortie (de régulation) est équilibrée (via une membrane) contre une force de ressort. Avantages :

• Très robuste.
• Tolérant à la vapeur humide et sale.
• Disponible en grandes tailles, donc des débits élevés sont possibles.
• Facile à régler et à ajuster.
• Conception simple signifie maintenance facile.
• Le principe auto-actionné signifie qu’aucune puissance externe n’est requise.
• Capable de gérer des chutes de pression de 50:1 dans les petites tailles, et 10:1 dans les grandes tailles. Inconvénient :
• Une bande proportionnelle large signifie qu’un contrôle serré de la pression d’aval est improbable avec de grands changements de charge.
• Coût d’achat relativement élevé, mais le coût à vie est faible.
• Encombrant. Application :
• Réseaux de distribution.
• Chaufferies. Points à noter :

1. Parce que la membrane est soumise à des limitations de température assez basses, un joint hydraulique est requis pour les applications à vapeur. Cela ajoute légèrement au coût.
2. En raison de la large bande proportionnelle, ce type de vanne est mieux adapté à la réduction de la pression de vapeur vers des zones d’installation plutôt que vers des équipements individuels.
3. Une tige à joint par soufflet garantit une maintenance nulle et des émissions nulles.
4. Bien que la large bande proportionnelle fournisse une stabilité, la prudence est nécessaire si une safety valve doit être réglée proche de la pression de service de l’appareil.
5. Adapté aux applications liquides.
6. Plus coûteux qu’une vanne à pilote, mais moins coûteux qu’un système de régulation pneumatique.

Réducteur de pression auto-actionné à pilote

Description Ceux-ci ont une conception auto-actionnée plus complexe, et fonctionnent en détectant la pression d’aval via une vanne pilote, qui à son tour commande la vanne principale. L’effet est une bande proportionnelle très étroite, typiquement inférieure à 200 kPa. Ceci, combiné à une faible hystérésis, résulte en un contrôle de pression très serré et répétable, même avec des débits très variables. Avantages :

• Régulation de pression précise et constante, même à des débits élevés et variables.
• Une variété de vannes pilotes peuvent être utilisées sur une seule vanne principale. Les options de vannes pilotes comprennent le forçage électrique, multi-pilotes pour un choix de pressions de régulation, une option de trop-plein et le contrôle à distance, ainsi que différentes combinaisons de régulation température/pression.
• Le principe auto-actionné signifie qu’aucune puissance externe n’est requise.
• Tolérant aux variations de pression amont. Inconvénients :
• Plus coûteux que les régulations directes à soufflet.
• Des jeux réduits signifient que la vapeur doit être propre et sèche pour garantir la longévité, mais cela peut être réalisé en installant un filtre et un séparateur avant le réducteur de pression. Application :
• Un système nécessitant une régulation de pression précise et constante, et des installations ayant des débits variables et moyens. Par exemple : autoclaves, équipements hautement sollicités tels que les échangeurs de chaleur et les calorifères.
• Un système où l’espace d’installation est limité. Points à noter :

1. L’installation doit comprendre un filtre et un séparateur.
2. À taille égale, les vannes à pilote sont plus coûteuses que les régulations auto-actionnées à soufflet, mais moins coûteuses que les régulations auto-actionnées à membrane.
3. À taille égale, elles ont une capacité plus élevée que les régulations auto-actionnées à soufflet, mais inférieure aux régulations auto-actionnées à membrane.
4. Peuvent être installées avant les vannes de régulation de température pour maintenir une pression amont constante, et ainsi stabiliser la régulation.
5. Non adaptées aux applications liquides.
6. Ne pas utiliser si l’installation est sujette aux vibrations, ou si d’autres équipements provoquent des pulsations dans le débit.

Réduction de pression - pneumatique

Description Ces systèmes de régulation peuvent inclure :

• Des fonctions P + I + D pour améliorer la précision dans des conditions de charge variable.
• Des consignes pouvant être ajustées à distance. Avantages :
• Très précis et flexible.
• Pas de limite de taille de vanne dans les limites de la gamme de vannes.
• Modulation de débit acceptable de 50:1 (typiquement pour une vanne de régulation à pointeau).
• Adapté aux environnements dangereux.
• Aucune alimentation électrique requise.
• Un fonctionnement rapide signifie qu’ils répondent bien aux changements rapides de demande.
• Une actionneur très puissant capable de gérer des pressions différentielles élevées aux bornes de la vanne. Inconvénients :
• Plus coûteux que les régulations auto-actionnées.
• Plus complexe que les régulations auto-actionnées.
• Non directement programmable. Application : Un système nécessitant une régulation de pression précise et constante, et des installations ayant des débits variables et élevés et/ou une pression amont variable ou élevée. Par exemple : autoclaves, équipements hautement sollicités tels que les grands échangeurs de chaleur et les calorifères. Points à noter :

1. Une alimentation en air propre et sec est requise.
2. Une main-d’oeuvre qualifiée est requise pour installer l’équipement, et du personnel d’instrumentation est requis pour l’étalonnage et la mise en service.
3. La régulation est « autonome », et ne peut pas communiquer avec des PLC (automates programmables).
4. Le mode de défaillance peut être important. Par exemple, un ressort de fermeture en cas de coupure d’air est normal sur les systèmes à vapeur.

Réduction de pression - électropneumatique

Description Ces systèmes de régulation peuvent inclure :

• Des fonctions P + I + D pour améliorer la précision dans des conditions de charge variable.
• Des consignes pouvant être ajustées à distance, avec la possibilité de rampes entre les consignes. Avantages :
• Très précis et flexible.
• Ajustement et lecture à distance.
• Pas de limite de taille de vanne dans les limites de la gamme de vannes.
• Modulation de débit acceptable de 50:1 (typiquement pour une vanne de régulation à pointeau).
• Fonctionnement rapide - réponse rapide aux changements de demande.
• Un actionneur très puissant capable de gérer des pressions différentielles élevées aux bornes de la vanne. Inconvénients :
• Plus coûteux que les régulations auto-actionnées ou pneumatiques.
• Plus complexe que les régulations auto-actionnées ou pneumatiques.
• Signal de commande électrique requis. Coûteux pour les zones dangereuses. Application : Un système nécessitant une régulation de pression précise et constante, et des installations ayant des débits variables et élevés et/ou une pression amont variable ou élevée, y compris les autoclaves, les équipements hautement sollicités tels que les grands échangeurs de chaleur et les calorifères, et les stations de réduction de pression principales de l’installation. Points à noter :

1. Une alimentation en air propre et sec est requise.
2. Une main-d’oeuvre qualifiée est requise pour installer l’équipement, et du personnel d’instrumentation est requis pour l’étalonnage et la mise en service.
3. Peut faire partie d’un système de régulation sophistiqué impliquant des PLC, des enregistreurs graphiques et des systèmes SCADA.
4. Toujours considérer le mode de défaillance, par exemple, un ressort de fermeture en cas de coupure d’air est normal sur les systèmes à vapeur.

Réduction de pression - électrique

Description Ces systèmes de régulation peuvent inclure :

• Des fonctions P + I + D pour améliorer la précision dans des conditions de charge variable.
• Des consignes pouvant être ajustées à distance. Avantages :
• Le contrôleur et l’actionneur de la vanne peuvent tous deux communiquer avec un PLC.
• Aucune alimentation en air comprimé n’est requise. Inconvénients :
• Si un actionneur à ressort de rappel est requis, la pression de fermeture disponible peut être limitée.
• Vitesse d’actionneur relativement lente, donc adaptée uniquement aux applications où la charge change lentement. Application :
• Systèmes d’ouverture lente/mise en température avec un contrôleur à rampe et palier.
• Régulation de pression des grands autoclaves.
• Réduction de pression alimentant de grands systèmes de distribution de vapeur. Points à noter :

1. Sécurité : Si l’alimentation électrique est perdue, la position de la vanne ne peut pas changer sauf si un actionneur à ressort de rappel est utilisé.
2. Les actionneurs à ressort de rappel sont coûteux et encombrants, avec une capacité de fermeture limitée.

Réduction de pression (autres possibilités) - Stations de réduction de pression en parallèle

Description Les stations de réduction de pression peuvent être configurées comme ci-dessous pour l’une des deux raisons suivantes :

1. Les vannes desservent une application critique pour laquelle l’arrêt est inacceptable. L’équipement est exploité sur le principe « un en fonctionnement, un en veille » pour couvrir les situations de panne et de maintenance.
2. Le taux de modulation entre les débits maximum et minimum est très élevé. L’équipement est exploité sur le principe de séquence de pression avec une vanne réglée à la pression d’aval idéale, et l’autre à une pression légèrement inférieure. Lorsque la demande est au maximum, les deux vannes fonctionnent ; lorsque le débit est réduit, la vanne réglée à la pression inférieure se ferme en premier, laissant la deuxième vanne contrôler. Points à noter : Les vannes sélectionnées pour ce type d’application nécessiteront des bandes proportionnelles étroites (telles que les réducteurs de pression à pilote ou les systèmes de régulation électropneumatiques) pour éviter que la pression d’aval ne baisse trop à des débits élevés.

Réduction de pression (autres possibilités) - Stations de réduction de pression en série

Une station de réduction de pression peut être configurée de cette manière si le rapport entre la pression amont et la pression d’aval est très élevé, et que les systèmes de régulation sélectionnés ont une faible capacité de modulation. Un rapport de pression pratique maximum de 10:1 est recommandé pour ce type de réducteur. Considérons le besoin de réduire la pression de 25 bar g à 1 bar g. Le réducteur primaire pourrait réduire la pression de 25 bar g à 5 bar g, ce qui constitue un rapport de pression de 5:1. Le réducteur secondaire réduirait la pression de 5 bar g à 1 bar g, également 5:1. Les deux vannes en série fournissent un rapport de pression de 25:1. Il est important de vérifier le rapport de modulation de pression autorisé sur le réducteur sélectionné, celui-ci peut être de 10:1 sur une vanne auto-actionnée, mais peut être beaucoup plus élevé sur des vannes à commande électrique ou pneumatique. Soyez conscient que des chutes de pression élevées pourraient avoir tendance à créer des niveaux de bruit élevés. Référer au Module 6.4 pour plus de détails. Le point de purge entre les deux réducteurs (Figure 8.1.8) est pour empêcher une accumulation de condensat dans les conditions de charge nulle. Si celui-ci n’était pas installé, les pertes par rayonnement feraient que le condensat remplirait la conduite de raccordement, ce qui provoquerait des coups de bélier la prochaine fois que la charge augmenterait.

Désurchauffeurs

La désurchauffe est le processus par lequel la vapeur surchauffée est soit ramenée à son état saturé, soit sa température de surchauffe est réduite. Une couverture plus approfondie des désurchauffeurs est donnée dans le Bloc 15. Le système dans la Figure 8.1.9 illustre un arrangement d’une station de réduction de pression avec un désurchauffeur de pipeline à contact direct. Dans sa forme de base, de l’eau de bonne qualité (typiquement du condensat) est dirigée dans le flux de vapeur surchauffée, retirant la chaleur de la vapeur, provoquant une baisse de la température de la vapeur.

Il est impraticable de réduire la température de la vapeur à sa valeur de saturation, car le système de régulation est incapable de différencier la vapeur saturée de la vapeur humide à la même température.

En raison de cela, la température est toujours régulée à une valeur supérieure à la température de saturation correspondante, généralement à 5°C à 10°C au-dessus de la saturation. Pour la plupart des applications, le système de base montré dans la Figure 8.1.9 fonctionnera bien. Comme la pression d’aval est maintenue à une valeur constante par la boucle de régulation de pression, la consigne sur le contrôleur de température n’a pas besoin de varier ; elle doit simplement être réglée à une température légèrement au-dessus de la température de saturation correspondante. Cependant, parfois un système de régulation plus complexe est requis, et est montré dans la Figure 8.1.10. S’il y a un changement transitoire de la pression d’alimentation de vapeur surchauffée, ou un changement de la température d’alimentation en eau, le rapport eau/vapeur requis devra également changer. Un changement du rapport eau/vapeur sera également nécessaire si la pression d’aval change, comme c’est parfois le cas avec certains processus industriels. Le système montré dans la Figure 8.1.10 fonctionne en ayant le contrôleur de pression réglé à la pression d’aval requise et commandant la vanne de régulation de pression de vapeur en conséquence. Le signal 4-20 mA du transmetteur de pression est transmis au contrôleur de pression et à l’ordinateur de température de saturation, à partir duquel l’ordinateur calcule en continu la température de saturation pour la pression d’aval, et transmet un signal de sortie 4-20 mA au contrôleur de température en relation avec cette température. Le contrôleur de température est configuré pour accepter le signal 4-20 mA de l’ordinateur pour déterminer sa consigne à 5°C à 10°C au-dessus de la saturation. De cette façon, si la pression d’aval varie pour l’une des raisons mentionnées ci-dessus, la consigne de température variera également automatiquement. Cela maintiendra le rapport eau/vapeur correct dans toutes les conditions de charge ou de pression d’aval.

Réguler la pression pour contrôler la température

Description Ce sont des applications qui utilisent la relation prévisible entre la pression de vapeur saturée et sa température. Avantages :

• Le capteur de pression peut être situé dans l’espace vapeur, ou près de la vanne de régulation plutôt que dans le milieu de procédé lui-même. C’est un avantage lorsqu’il est difficile de mesurer la température du procédé.
• Cet arrangement peut être utilisé pour réguler un certain nombre d’éléments différents à partir d’un seul point. Inconvénient :
• La régulation est en « boucle ouverte », dans la mesure où le capteur ne mesure pas la température réelle du produit. Applications :
• Autoclaves et stérilisateurs
• Presses et calandres
• Installations à pression constante, par exemple, poêles à double enveloppe, aérothermes unitaires et tuyaux à double enveloppe de vapeur. Points à noter :
• Une bonne purge d’air est essentielle (référer au Module 11.12 pour plus de détails)

Régulation de pression différentielle

Description Dans ces applications, la vanne de régulation s’ouvre et se ferme pour maintenir une pression différentielle de consigne entre deux points. Avantages :

• Une pression de vapeur différentielle constante est maintenue dans le système.
• La pression différentielle garantit que le condensat est activement purgé du système d’échange de chaleur. Ceci est particulièrement important lorsque le condensat accumulé pourrait agir comme une barrière thermique, et créer un gradient de température à travers la surface de transfert thermique. Ce gradient de température pourrait, à son tour, entraîner un produit déformé ou mal chauffé.
• Des températures de fonctionnement différentes peuvent être obtenues. Inconvénient :
• Un système complexe est requis si l’efficacité doit être maintenue. Cela pourrait impliquer des récipients de flash et/ou des thermo-compresseurs, ainsi que des applications en aval utilisant la vapeur de soutirage à basse pression. Application :
• Cylindres de séchage à balayage dans une usine de papier. Points à noter : ****Un contrôleur spécial ou un transmetteur de pression différentielle est requis pour accepter deux entrées ; une depuis l’alimentation principale en vapeur et l’autre depuis le récipient de flash. De cette façon, le différentiel de pression entre le récipient de flash et l’alimentation principale en vapeur est maintenu dans toutes les conditions de charge.

Régulation de trop-plein

Description L’objectif est de maintenir la pression en amont de la vanne de régulation. Les vannes de trop-plein sont discutées plus en détail dans le Module 7.3, « Régulations de pression auto-actionnées et applications ». Application :

• Chaudières sur des installations où la charge peut changer d’une grande proportion sur une très courte période. La réduction soudaine de la pression de la chaudière peut entraîner une turbulence accrue et un flash rapide de l’eau de la chaudière, et de grandes quantités d’eau being entraînées dans le réseau de tuyauterie.
• Accumulateurs où la production excédentaire de la chaudière est utilisée pour chauffer une masse d’eau sous pression. Cette énergie stockée est ensuite libérée lorsque la chaudière n’a pas assez de capacité. Points à noter :

1. Une chute de pression minimale est généralement requise sur la vanne de régulation entièrement ouverte ; cela peut signifier qu’une vanne de « diamètre de canalisation » est nécessaire.
2. Toutes les régulations auto-actionnées ne conviennent pas à cette application et il est important de consulter le fabricant avant utilisation.

Régulation en cascade - Limiter la pression et la température avec une seule vanne

Description Lorsqu’il est nécessaire de réguler deux variables avec une seule vanne, il est nécessaire d’employer deux contrôleurs et capteurs séparés. Il est toujours le cas que la vanne de régulation accepte son signal de commande du contrôleur esclave. Le contrôleur esclave est configuré pour accepter deux signaux d’entrée, et sa consigne changera (dans des limites définies) en fonction du signal de sortie électrique du contrôleur maître. Cette forme de régulation est très importante lorsque la pression vers l’appareil doit être limitée, malgré la demande de chaleur. Application : L’échangeur de chaleur à plaques chauffé à la vapeur montré dans la Figure 8.1.19 chauffe l’eau circulant dans un système secondaire. L’échangeur de chaleur a une pression de service maximale, par conséquent celle-ci est limitée à cette valeur dans le contrôleur esclave. Pour réguler la température de l’eau secondaire, un contrôleur maître et un transmetteur de température surveillent la température de sortie de l’échangeur de chaleur et envoient un signal 4-20 mA au contrôleur esclave, qui est utilisé pour faire varier la consigne esclave, entre des limites prédéterminées. Points à noter :

1. Une marge de pression adéquate doit exister entre la consigne de la safety valve et la limitation de pression imposée par le contrôleur.
2. La safety valve ne doit pas être utilisée comme dispositif de limitation de pression dans l’échangeur de chaleur ; elle ne doit être utilisée que comme dispositif de sécurité.

Régulation en cascade - Combinaison réduction de pression et trop-plein avec une seule vanne

Description L’objectif est de réduire la pression de vapeur mais pas au détriment de surcharger la capacité d’alimentation disponible. Application : La tuyauterie amont est une canalisation de distribution haute pression provenant possiblement d’un collecteur de distribution ou d’une chaudière à vapeur alimentant une installation de nature non essentielle (Figure 8.1.20). Si la demande est supérieure à la capacité d’alimentation, la vanne se ferme et étrangle le flux de vapeur, maintenant la pression dans la tuyauterie amont. Le contrôleur maître est réglé à la pression d’alimentation normale attendue. Si le maître détecte une baisse de la pression amont en dessous de sa consigne (due à une augmentation de la demande), il réduit la consigne du contrôleur esclave, proportionnellement à des limites prédéterminées. L’esclave ferme la vanne jusqu’à ce que la demande de vapeur baisse pour permettre à la pression amont de se rétablir à la valeur requise. Lorsque cela est atteint, la consigne du contrôleur esclave est réglée à sa valeur originale. Réglages typiques La sortie du contrôleur maître est à action directe, c’est-à-dire que lorsque la pression amont est à ou au-dessus de sa bande proportionnelle, le signal de sortie du maître est maximum à 20 mA ; lorsqu’elle est au bas de, ou en dessous de la bande proportionnelle, le signal de commande est minimum à 4 mA. Lorsque le signal de commande est de 20 mA, la consigne esclave est la pression d’aval requise ; lorsque le signal est de 4 mA, la consigne esclave est à un minimum prédéterminé. Considérons la pression amont « normale » comme étant de 10 bar g, et la pression d’aval maximale admissible comme étant de 5 bar g. La pression amont minimale admissible est de 8,5 bar g, ce qui signifie que si cette pression est atteinte, la vanne est entièrement fermée. La pression réduite minimale est réglée à 4,6 bar g. Ces conditions sont enregistrées dans le Tableau 8.1.1

Régulation en cascade - Limiter et réguler la température avec une seule vanne

Description L’objectif principal est de limiter et de réguler la température pour un procédé particulier, où la vapeur est la source de chaleur disponible mais ne peut pas être utilisée directement pour chauffer le produit final pour des raisons opérationnelles. Application : Une application typique est un pasteurisateur de crème laitière nécessitant une température de pasteurisation de 50°C. En raison de la faible température de régulation, si la vapeur était appliquée directement à l’échangeur de chaleur de pasteurisation, il est possible que la quantité relativement importante de chaleur dans la vapeur rende la régulation difficile, provoquant des oscillations des températures du système, une surchauffe et une détérioration de la crème. Pour surmonter ce problème, le système dans la Figure 8.1.21 montre deux échangeurs de chaleur. Le pasteurisateur est chauffé par de l’eau chaude fournie par l’échangeur de chaleur primaire chauffé à la vapeur. Cependant, même avec cet arrangement, si seul le contrôleur maître commandait la vanne, un retard serait introduit dans le système, et une mauvaise régulation pourrait à nouveau en résulter. Deux contrôleurs sont donc utilisés, fonctionnant en cascade, chacun recevant un signal 4-20 mA de leurs transmetteurs de température respectifs. Le contrôleur esclave est utilisé pour réguler la température finale du produit dans des limites clairement définies (peut-être entre 49°C et 51°C). Ces valeurs sont modifiées par le contrôleur maître en fonction de la température du produit de sorte que, si la température du produit augmente, la consigne esclave diminue proportionnellement.