Introduction à la distribution de steam

Un système de distribution de steam efficace est essentiel pour fournir un steam de qualité et de pression appropriées, en quantité suffisante, aux équipements utilisateurs de steam. Ce tutoriel examine un circuit typique.

Introduction à la distribution de steam

Le système de distribution de steam constitue le lien essentiel entre le générateur de steam et l’utilisateur de steam. Ce module examine les méthodes permettant d’acheminer le steam depuis une source centrale jusqu’au point d’utilisation. La source centrale peut être une chaufferie ou la sortie d’une installation de cogénération. Les chaudières peuvent brûler un combustible primaire, ou être des chaudières à chaleur récupérée utilisant les gaz d’échappement de processus à haute température, des moteurs ou même des incinérateurs. Quelle que soit la source, un système de distribution de steam efficace est essentiel pour fournir un steam de qualité et de pression appropriées, en quantité suffisante, aux équipements utilisateurs de steam. L’installation et la maintenance du système de steam sont des questions importantes qui doivent être prises en compte dès la phase de conception.

Fondamentaux du système de steam

Dès le départ, une compréhension du circuit de steam de base, ou « boucle steam et condensat », est requise – voir Figure 10.1.1. Lorsque le steam se condense dans un processus, un flux est induit dans la canalisation d’alimentation. Le condensat a un volume très faible comparé au steam, ce qui provoque une chute de pression qui amène le steam à circuler dans les canalisations.

Le steam généré dans la chaudière doit être acheminé par des canalisations jusqu’au point où son énergie thermique est requise. Initialement, il y aura un ou plusieurs conduits principaux, ou « collecteurs de steam », qui transportent le steam depuis la chaudière dans la direction générale de l’installation utilisatrice de steam. Des canalisations secondaires plus petites peuvent ensuite acheminer le steam vers les différents équipements individuels.

Lorsque la vanne d’isolement principale de la chaudière (communément appelée vanne « couronne ») est ouverte, le steam passe immédiatement de la chaudière dans les collecteurs de steam et s’écoule jusqu’aux points de pression inférieure.

Les canalisations sont initialement plus froides que le steam, de sorte que la chaleur est transférée du steam vers la tuyauterie.

L’air entourant les canalisations est également plus froid que le steam, de sorte que la tuyauterie commence à transférer de la chaleur à l’air.

Le steam au contact des canalisations plus froides commence à se condenser immédiatement. Au démarrage du système, le taux de condensation est à son maximum, car c’est le moment où l’écart de température entre le steam et la tuyauterie est le plus important. Ce taux de condensation est communément appelé « charge de démarrage ». Une fois que la tuyauterie est réchauffée, l’écart de température entre le steam et la tuyauterie est minimal, mais une certaine condensation se produit car la tuyauterie continue de transférer de la chaleur à l’air ambiant. Ce taux de condensation est communément appelé « charge en service ».

La condensation résultante (condensat) tombe au fond de la canalisation et est entraînée par le flux de steam, assistée par la gravité, grâce à la pente du collecteur de steam qui doit être orientée dans le sens de l’écoulement du steam. Le condensat devra ensuite être évacué depuis différents points stratégiques du collecteur de steam.

Lorsque la vanne sur la canalisation desservant un équipement utilisateur de steam est ouverte, le steam circulant depuis le système de distribution pénètre dans l’entre et entre à nouveau en contact avec des surfaces plus froides. Le steam transfère alors son énergie pour réchauffer l’équipement et le produit (charge de démarrage), et, une fois à température, continue de transférer de la chaleur au processus (charge en service).

Il y a maintenant un approvisionnement continu en steam depuis la chaudière pour satisfaire la charge connectée et, pour maintenir cet approvisionnement, davantage de steam doit être généré. Pour ce faire, plus d’eau (et de combustible pour chauffer cette eau) est fournie à la chaudière pour compenser l’eau précédemment évaporée en steam.

Le condensat formé tant dans la tuyauterie de distribution de steam que dans les équipements de processus constitue une source pratique d’eau d’alimentation de chaudière chaude et utilisable. Bien qu’il soit important d’évacuer ce condensat de l’espace steam, c’est une ressource précieuse qui ne doit pas être gaspillée. Le retour de l’ensemble du condensat vers le bac d’alimentation de la chaudière permet de boucler la boucle de steam de base, et doit être pratiqué chaque fois que possible. Le retour du condensat à la chaudière est traité plus en détail dans le Bloc 13, « Évacuation du condensat », et le Bloc 14, « Gestion du condensat ».

La pression de service

La pression de distribution du steam est influencée par un certain nombre de facteurs, mais est limitée par :

• La pression de service maximale admissible de la chaudière.
• La pression minimale requise à l’installation. Lorsque le steam traverse la tuyauterie de distribution, il perdra inévitablement de la pression en raison de :
• La résistance par friction à l’intérieur de la tuyauterie (détail dans le Module 10.2).
• La condensation à l’intérieur de la tuyauterie due au transfert de chaleur vers l’environnement. Par conséquent, cette perte de pression doit être prise en compte lors du choix de la pression initiale de distribution. Un kilogramme de steam à une pression plus élevée occupe un volume moindre qu’à une pression plus basse. Il s’ensuit que, si le steam est généré dans la chaudière à haute pression et également distribué à haute pression, la taille des collecteurs de distribution sera plus petite que celle d’un système à basse pression pour la même charge thermique. La Figure 10.1.2 illustre ce point.

La génération et la distribution de steam à pression plus élevée offrent trois avantages importants :

• La capacité de stockage thermique de la chaudière est augmentée, ce qui l’aide à gérer plus efficacement les charges fluctuantes, minimisant le risque de produire un steam humide et sale.
• Des collecteurs de steam de diamètre plus petit sont nécessaires, ce qui réduit le coût d’investissement pour les matériaux tels que les tuyaux, les brides, les supports, l’isolation et la main-d’œuvre.
• Les collecteurs de steam de diamètre plus petit coûtent moins cher à isoler. Après avoir distribué à haute pression, il sera nécessaire de réduire la pression du steam pour chaque zone ou point d’utilisation du système afin de correspondre à la pression maximale requise par l’application. La réduction locale de pression pour s’adapter à chaque installation individuelle produira également un steam plus sec au point d’utilisation. (Le Module 2.3 fournit une explication à ce sujet). Remarque : On pense parfois que faire fonctionner une chaudière à vapeur à une pression inférieure à sa pression nominale permettra d’économiser du combustible. Cette logique est basée sur le fait que davantage de combustible est nécessaire pour élever le steam à une pression plus élevée. Bien qu’il y ait une part de vérité dans cette logique, il convient de rappeler que c’est la charge connectée, et non la production de la chaudière, qui détermine le taux de consommation d’énergie. La même quantité d’énergie est utilisée par la charge que la chaudière produise du steam à 4 bar g, 10 bar g ou 100 bar g. Les pertes à vide, les pertes par les fumées et les pertes en service sont augmentées par un fonctionnement à des pressions plus élevées, mais ces pertes sont réduites par l’isolation et des systèmes de retour de condensat appropriés. Ces pertes sont marginales comparées aux avantages de distribuer le steam à haute pression.

Réduction de pression

La méthode courante pour réduire la pression au point où le steam doit être utilisé consiste à utiliser une vanne de réduction de pression, similaire à celle illustrée dans le poste de réduction de pression Figure 10.1.3.

Un séparateur est installé en amont de la vanne de réduction pour éliminer l’eau entraînée du steam humide entrant, garantissant ainsi un steam de haute qualité à traverser la vanne de réduction. Ce sujet est abordé plus en détail dans le Module 9.3 et le Module 12.5.

L’installation en aval de la vanne de réduction de pression est protégée par une safety valve. En cas de défaillance de la vanne de réduction de pression, la pression en aval peut dépasser la pression de service maximale admissible de l’équipement utilisateur de steam. Cela peut, à son tour, endommager définitivement l’équipement et, plus important encore, constituer un danger pour le personnel. Avec une safety valve installée, tout excès de pression est évacué par la vanne, ce qui empêche cette situation de se produire (les safety valves sont traitées dans le Bloc 9). Les autres composants inclus dans le poste de vanne de réduction de pression sont :

• La vanne d’isolement principale – Pour arrêter le système pour maintenance.
• Le manomètre principal – Pour surveiller l’intégrité de l’alimentation.
• Le filtre – Pour maintenir la propreté du système.
• Le manomètre secondaire – Pour régler et surveiller la pression en aval.
• La vanne d’isolement secondaire – Pour faciliter le réglage de la pression en aval à vide.