Régulations de pression auto-actionnées et applications

Divers types de régulations de pression auto-actionnées sont examinés dans ce tutoriel, y compris les vannes à actionnement direct à soufflet et à membrane, et les vannes à pilote, avec des directives sur la façon de les sélectionner et de les installer correctement. Les réducteurs de pression sont considérés avec les vannes de maintien de pression et les vannes de trop-plein, ainsi que quelques applications typiques.

Pourquoi réduire la pression de vapeur ?

La principale raison de réduire la pression de vapeur est assez fondamentale. Chaque équipement utilisant de la vapeur a une pression de service maximale admissible (MAWP). Si celle-ci est inférieure à la pression d’alimentation en vapeur, un réducteur de pression doit être employé pour limiter la pression d’alimentation à la MAWP. Dans le cas où le réducteur de pression viendrait à défaillir, une safety valve doit également être intégrée au système. Ce n’est cependant pas la seule occasion où un réducteur de pression peut être utilisé avantageusement.

La plupart des chaudières à vapeur sont conçues pour fonctionner à des pressions relativement élevées et ne doivent pas être exploitées à des pressions plus basses, car de la vapeur humide risque d’être produite. Pour cette raison, il est généralement plus économique à long terme de produire et de distribuer la vapeur à une pression plus élevée, et de réduire la pression en amont de tout équipement conçu pour fonctionner à une pression plus basse.

Ce type d’arrangement a l’avantage supplémentaire que des canalisations de distribution relativement plus petites peuvent être utilisées en raison du volume relativement petit occupé par la vapeur à haute pression.

Étant donné que la température de la vapeur saturée est étroitement liée à sa pression, la régulation de la pression peut être une méthode simple mais efficace pour fournir un contrôle précis de la température. Ce fait est utilisé à bon escient dans des applications telles que les stérilisateurs et les séchoirs à contact où le contrôle de la température de surface est difficile à réaliser avec des capteurs de température. Installation fonctionnant à basse pression de vapeur -

Peut tendre à réduire la quantité de vapeur produite par la chaudière en raison de l’enthalpie de vaporisation plus élevée dans la vapeur à basse pression.
Réduira la perte de flash de vapeur produite par les évacuations ouvertes des cuves de collecte du condensat. La plupart des réducteurs de pression actuellement disponibles peuvent être divisés en deux groupes principaux suivants -
Vannes à actionnement direct.
Vannes à pilote.

Vannes à actionnement direct

Réducteurs de pression auto-actionnés à plus faible capacité (Figure 7.3.1) Méthode de fonctionnement Au démarrage et avec le ressort de réglage relâché, la pression amont, aidée par un ressort de rappel, maintient la tête de vanne contre le siège en position fermée. La rotation de la molette dans le sens horaire provoque un mouvement vers le bas, qui comprime le ressort de commande et étend le soufflet pour régler la pression d’aval. Ce mouvement vers le bas est transmis via une tige de poussée, qui provoque l’ouverture de la vanne principale. La vapeur passe alors à travers la vanne ouverte dans la tuyauterie d’aval et entoure le soufflet. À mesure que la pression d’aval augmente, elle agit à travers le soufflet pour contrer la force du ressort de réglage, et ferme la vanne principale lorsque la pression de consigne est atteinte. Le clapet module dans une tentative d’atteindre une pression constante. Pour fermer la vanne, il doit y avoir une accumulation de pression autour du soufflet. Cela nécessite une augmentation de la pression d’aval au-dessus de la pression de consigne proportionnelle au débit de vapeur. La pression d’aval augmentera à mesure que la charge diminue et sera la plus élevée lorsque la vanne est fermée. Ce changement de pression par rapport à un changement de charge signifie que la pression d’aval n’égale la pression de consigne qu’à une seule charge. La pression d’aval réelle comparée à la consigne est l’offset proportionnel ; elle augmentera proportionnellement à la charge, et on parle parfois de « dérive ». La pression totale disponible pour fermer la vanne se compose de la pression d’aval agissant sur la face inférieure du soufflet plus la pression d’entrée agissant sur la face inférieure de la vanne principale elle-même et la petite force produite par le ressort de rappel. La force du ressort de commande doit donc être supérieure à la pression réduite et à la pression d’entrée et au ressort de rappel pour que la pression d’aval puisse être réglée. Toute variation de la pression d’entrée modifiera la force qu’elle produit sur la vanne principale et affectera donc la pression d’aval. Ce type de réducteur de pression a deux inconvénients principaux en ce sens que -

Il souffre d’offset proportionnel lorsque le débit de vapeur change
Il a une capacité relativement faible. Il est néanmoins parfaitement adéquat pour une gamme substantielle d’applications simples où un contrôle précis n’est pas essentiel et où le débit de vapeur est assez faible et raisonnablement constant. Réducteurs de pression auto-actionnés à plus grande capacité (Figure 7.3.2) ****Des réducteurs de pression auto-actionnés à plus grande capacité sont également disponibles pour une utilisation sur des installations de plus grande capacité, ou sur les réseaux de distribution de vapeur. Ils diffèrent légèrement des vannes à plus faible capacité en ce que la force de l’actionneur est fournie par la pression agissant contre une membrane flexible à l’intérieur de l’actionneur plutôt qu’un soufflet. Comme ils ne sont pas à pilotage, ils subiront un changement de pression d’aval lorsque le débit de vapeur change, et cela doit être pris en compte avec soin lors de la sélection et du dimensionnement de la vanne. Ce type de vanne est installé avec l’actionneur sous le tuyau lorsqu’il est utilisé avec de la vapeur, et a un pot à joint hydraulique pour empêcher les températures élevées de la vapeur d’atteindre et d’endommager la membrane flexible de l’actionneur, qui est couramment fabriquée en néoprène. Une installation typique pour la réduction de la pression des réseaux de vapeur est montrée dans la Figure 7.3.3.

Vannes à pilotage

Lorsqu’un contrôle précis de la pression ou une grande capacité de débit est requise, un réducteur de pression à pilote peut être utilisé. Une telle vanne est schématisée dans la Figure 7.3.4. Un réducteur de pression à pilote sera généralement plus petit qu’une vanne à actionnement direct de même capacité. Un réducteur de pression à pilote fonctionne en équilibrant la pression d’aval via un tube de détection de pression contre un ressort de commande de réglage de pression. Cela déplace une vanne pilote pour moduler une pression de commande. La pression de commande transmise via la vanne pilote est proportionnelle à l’ouverture de la vanne pilote, et est dirigée, via le tube de commande vers la face inférieure de la membrane de la vanne principale. La membrane déplace la tige de poussée et la vanne principale proportionnellement au mouvement de la vanne pilote. Bien que la pression d’aval et la position de la vanne pilote soient proportionnelles (comme dans la vanne à actionnement direct), l’avantage mécanique donné par le rapport des surfaces de la membrane principale à la membrane pilote offre une précision avec un faible offset proportionnel. Dans des conditions de charge stables, la pression sous la membrane pilote équilibre la force réglée sur le ressort de réglage. Cela stabilise la vanne pilote, permettant une pression constante sous la membrane principale. Cela garantit que la vanne principale est également stabilisée, donnant une pression d’aval stable. Lorsque la pression d’aval augmente, la pression sous la membrane pilote est supérieure à la force créée par le ressort de réglage et la membrane pilote se déplace vers le haut. Cela ferme la vanne pilote et interrompt la transmission de la pression de vapeur à la face inférieure de la membrane principale. Le dessus de la membrane principale est soumis à la pression d’aval en permanence et, comme il y a maintenant plus de pression au-dessus de la membrane principale qu’en dessous, la membrane principale se déplace vers le bas poussant la vapeur en dessous dans la tuyauterie d’aval via le tube de commande et l’orifice de surpression. La pression de chaque côté de la membrane principale est équilibrée, et un léger excès de force créé par le ressort de rappel de la vanne principale ferme la vanne principale. Toute variation de charge ou de pression sera immédiatement détectée sur la membrane pilote, qui agira pour ajuster la position de la vanne principale en conséquence, garantissant une pression d’aval constante. La conception à pilote offre un certain nombre d’avantages par rapport à la vanne à actionnement direct. Seule une très petite quantité de vapeur doit s’écouler à travers la vanne pilote pour pressuriser la chambre de la membrane principale et ouvrir complètement la vanne principale. Ainsi, seuls de très petits changements de pression de commande sont nécessaires pour produire de grands changements de débit. La baisse de la pression d’aval par rapport aux changements de débit de vapeur est donc faible, typiquement moins de trois centièmes de bar (3 kPa ; 0,5 psi) de entièrement ouverte à entièrement fermée. Bien que toute augmentation de la pression amont appliquera une force de fermeture accrue sur la vanne principale, la même augmentation de pression agira sur la face inférieure de la membrane principale et équilibrera l’effet. Le résultat est une vanne qui donne un contrôle serré de la pression d’aval indépendamment des variations du côté amont.

Dans certains types de vannes à pilote, un piston remplace la membrane principale. Cela peut être avantageux dans les plus grandes vannes, qui nécessiteraient des membranes principales de très grande taille. Cependant, des problèmes avec le piston coincé dans son cylindre sont courants, en particulier dans les plus petites vannes. Il est important qu’un filtre et un séparateur soient installés immédiatement avant toute vanne de régulation à pilote, car de la vapeur propre et sèche prolongera sa durée de vie.

Sélection et installation des réducteurs de pression

Le premier impératif est de sélectionner le meilleur type de vanne pour une application donnée. Les petites charges où un contrôle précis n’est pas vital doivent être satisfaites en utilisant de simples vannes à actionnement direct. Dans tous les autres cas, la vanne à pilote est le meilleur choix, en particulier s’il y a des périodes sans demande où la pression d’aval ne doit pas être autorisée à monter. Le surdimensionnement doit être évité avec tous les types de vannes de régulation et cela est également vrai pour les réducteurs. Un clapet fonctionnant près de son siège lors du passage de vapeur humide peut souffrir d’érosion par détente et d’usure prématurée. De plus, tout petit mouvement du clapet surdimensionné produira un changement relativement important du débit à travers la vanne, rendant plus difficile pour la vanne de contrôler avec précision. Un réducteur plus petit, correctement dimensionné, sera moins sujet à l’usure et fournira un contrôle plus précis. Lorsqu’il est nécessaire de faire de grandes réductions de pression ou de faire face à de larges fluctuations de charge, il peut être préférable d’utiliser deux ou plusieurs vannes en série ou en parallèle. Bien que la fiabilité et la précision dépendent d’une sélection et d’un dimensionnement corrects, les réducteurs de pression dépendent également d’une installation correcte. La Figure 7.3.5 illustre un arrangement idéal pour l’installation d’un réducteur de pression à pilote. De nombreux problèmes de réducteurs sont causés par la présence d’humidité ou de saleté. Un séparateur de vapeur et un filtre avec tamis à mailles fines, s’ils sont installés avant la vanne, aideront à prévenir de tels problèmes. Le filtre est installé sur le côté pour empêcher le corps de se remplir d’eau et pour s’assurer que la pleine surface du tamis est efficace. Les grandes vannes d’isolement bénéficieront également d’être installées sur le côté pour la même raison. Toute la tuyauterie et les raccords en amont et en aval doivent être correctement dimensionnés pour s’assurer que la seule perte de charge appréciable se produit à travers le réducteur lui-même. Si les vannes d’isolement sont de la même taille que les raccordements du réducteur, elles subiront une perte de charge plus importante que si elles sont dimensionnées pour correspondre aux diamètres correctement dimensionnés, plus grands, de la tuyauterie amont et aval.

Si la tuyauterie d’aval ou tout équipement connecté est incapable de supporter la pression amont maximale possible, alors une safety valve ou une soupape de décharge doit être installée du côté d’aval. Cette vanne doit être réglée à, ou en dessous de, la pression de service maximale admissible de l’équipement, mais avec une marge suffisante au-dessus de sa pression de fonctionnement normale. Elle doit être capable de gérer le plein volume de vapeur qui pourrait passer à travers le réducteur entièrement ouvert, à la pression amont maximale possible.

Le pilotage permet également au réducteur d’être relativement compact par rapport à d’autres vannes de capacité et précision similaires, et permet une variété d’options de régulation, telles que le fonctionnement marche-arrêt, la double régulation de pression, la régulation de pression et de température, la réduction de pression et le trop-plein, et l’ajustement manuel à distance. Trois de ces variations sont visibles dans la Figure 7.3.6.

Les vannes de régulation à actionnement direct et à pilote peuvent être utilisées pour réguler les pressions amont ou d’aval. Les vannes de maintien de pression (et les vannes de trop-plein) détectent la pression amont, tandis que les réducteurs de pression détectent la pression d’aval.

Résumé des réducteurs de pression

Une vanne qui détecte et régule la pression d’aval est souvent appelée vanne de « réduction » ou « réducteur de pression » (PRV). De telles vannes peuvent être utilisées pour maintenir une pression de vapeur constante sur une vanne de régulation, un débitmètre de vapeur, ou directement sur un procédé. Les réducteurs de pression sont sélectionnés sur la capacité et le type d’application.

Vannes de maintien de pression

Certaines applications nécessitent que la pression amont soit détectée et régulée et ce type de vanne est souvent appelé « vanne de maintien de pression » ou « PMV ». Les vannes de maintien de pression sont également connues sous le nom de vannes de trop-plein ou vannes de décharge dans certaines applications. Un exemple d’application de PMV serait là où l’installation de génération de vapeur est sous-dimensionnée, et pourtant le débit de vapeur est critique pour le procédé. Si la demande de vapeur est supérieure à la production de la chaudière, ou augmente soudainement lorsque le brûleur de la chaudière est éteint, la pression de la chaudière baissera ; de la vapeur de plus en plus humide sera fournie à l’installation et le fonctionnement de la chaudière peut être compromis. Si la chaudière peut fonctionner à sa pression de dimensionnement, une qualité de vapeur optimale sera maintenue. Cela peut être réalisé en installant des PMV sur chaque application non critique (peut-être une installation de chauffage ou une installation d’eau chaude sanitaire), introduisant ainsi une diversité contrôlée à l’installation. Celles-ci se fermeront alors progressivement si la pression amont baisse, donnant la priorité aux services essentiels. Si toutes les alimentations sont considérées comme essentielles, une variété d’options est disponible, chacune ayant une incidence sur le coût différente. La solution la moins chère pourrait être d’installer une PMV à la sortie de vapeur de la chaudière (voir PMV 1 dans la Figure 7.3.7). Cela maintiendra une pression de vapeur minimale dans la chaudière, régulera le débit maximum de la chaudière et, ce faisant, conservera une vapeur de bonne qualité à l’installation. S’il est possible de couper les équipements non essentiels pendant les périodes de charge de pointe, des PMV peuvent être installées dans les lignes de distribution ou les lignes de branchement alimentant ces zones de l’installation. Lorsque la chaudière à vapeur devient surchargée, les alimentations non essentielles sont progressivement coupées par la PMV 2 permettant à la chaudière de maintenir le débit de vapeur vers l’installation « essentielle » à la pression appropriée. Il faut reconnaître qu’une PMV ne résoudra pas toujours les problèmes causés par une capacité insuffisante de la chaudière. Parfois, lorsqu’il y a peu de diversité d’installation, une seule véritable alternative est disponible, qui est d’augmenter la capacité de génération en ajoutant une autre chaudière. Cependant, il y a des occasions où l’alternative moins chère d’un accumulateur de vapeur est possible. Cela permet à l’énergie excédentaire de la chaudière d’être stockée pendant les périodes de faible charge. Lorsque la chaudière est surchargée, l’accumulateur complète la production de la chaudière en permettant une libération contrôlée de vapeur à l’installation (voir Figure 7.3.8). Dans la Figure 7.3.8, la chaudière est conçue pour générer de la vapeur à 10 bar g, qui est distribuée à la fois à 10 bar g et 5 bar g au reste de l’installation. Le PRV 1 est un réducteur de pression, et est dimensionné pour débiter la capacité de la chaudière moins la charge de vapeur haute pression. Pour le dimensionnement, la capacité du réducteur de pression PRV 2 doit être égale au taux de décharge maximum et au temps pendant lequel l’accumulateur a été conçu pour fonctionner, tandis que la pression différentielle pour le dimensionnement doit être la différence entre la pression de fonctionnement minimale de l’accumulateur et la pression de distribution BP (basse pression). Dans cet exemple, le PRV 2 serait probablement réglé pour s’ouvrir à environ 4,8 bar g. Le PMV est une vanne de maintien de pression dont la taille est déterminée par le temps de recharge requis par l’accumulateur et la capacité excédentaire disponible de la chaudière pendant la recharge. Lors de la recharge, la perte de charge à travers le PMV sera probablement relativement faible, donc le PMV sera probablement assez grand, typiquement de la même taille que la conduite dans laquelle il est installé. Le PMV est généralement réglé pour fonctionner juste en dessous du réglage de pression maximum de la chaudière. Lorsque la charge totale de l’installation est dans la capacité de la chaudière, le PRV 2 est fermé et la chaudière alimente la charge de vapeur BP via le PRV 1 qui est réglé pour contrôler légèrement plus haut que le PRV 2. Tout excédent de vapeur disponible dans la chaudière fera monter la pression de la chaudière au-dessus de la consigne du PMV, et le PMV s’ouvrira pour recharger l’accumulateur. La rechargement continuera jusqu’à ce que la pression de l’accumulateur soit égale à la pression de la chaudière, ou jusqu’à ce que la charge de l’installation soit telle que la pression de la chaudière redescende en dessous de la consigne du PMV. Si la charge de vapeur BP continue d’augmenter, provoquant une baisse de la pression BP en dessous de la consigne du PRV 2, le PRV 2 s’ouvrira pour fournir de la vapeur depuis l’accumulateur, complétant ainsi la vapeur s’écoulant à travers le PRV 1. Il y a plus d’une façon de concevoir une installation d’accumulateur ; chacune dépendra des circonstances impliquées, et aura une incidence sur le coût. Le sujet des accumulateurs est discuté plus en détail dans le Module 3.22 « Accumulateurs de vapeur ».

Vannes de trop-plein de pression

La capacité de détecter la pression amont peut être utilisée pour libérer la pression excédentaire d’un système de vapeur de manière contrôlée et sûre. La vanne de trop-plein est essentiellement la même qu’une PMV, s’ouvrant lorsqu’une augmentation de la pression amont est détectée. La vanne de trop-plein est parfois appelée vanne de « décharge » lorsqu’elle libère la vapeur vers l’atmosphère. Une « vanne de trop-plein » est souvent utilisée pour réguler la pression maximale dans un système de récupération de flash. Si la demande de flash de vapeur est inférieure à l’offre disponible, la pression de flash augmentera et la vanne de trop-plein s’ouvrira pour libérer tout excédent de vapeur vers l’atmosphère. La vanne de trop-plein sera réglée pour fonctionner à une pression inférieure au réglage de la safety valve. Important : Bien que cela permette la libération contrôlée de vapeur vers l’atmosphère, cela ne remplace pas le besoin d’une safety valve, si les conditions de l’installation le nécessitent. Dans la Figure 7.3.9, le PRV complète toute insuffisance de flash de vapeur générée par le condensat haute pression (HP), et la vanne de trop-plein libère tout excédent de flash de vapeur vers un condenseur ou vers l’atmosphère. La safety valve est dimensionnée sur la pleine capacité du PRV plus la capacité des steam traps et de toute autre source alimentant le récipient de flash.

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