Conduites principales de steam et évacuation du condensat

Problèmes liés à la structure, à la disposition et au fonctionnement d’un système de distribution de steam, notamment les points de purge du condensat et les lignes de dérivation, la prévention du coup de bélier et l’utilisation de séparateurs et de crépines pour le conditionnement du steam.

Introduction aux conduites principales de steam et à l’évacuation du condensat

Sur toute la longueur d’une conduite principale de steam chaud, une certaine quantité de chaleur sera transférée à l’environnement, et cela dépendra des paramètres identifiés dans le Bloc 2 - « Principes d’ingénierie du steam et transfert de chaleur », et rassemblés dans l’Équation 2.5.1.

Avec les systèmes de steam, cette perte d’énergie représente une inefficacité, et les conduites sont donc isolées pour limiter ces pertes. Quelle que soit la qualité ou l’épaisseur de l’isolant, il y aura toujours un certain niveau de perte de chaleur, et cela provoquera la condensation du steam le long de la conduite principale.

L’effet de l’isolant est discuté dans le Module 10.5. Ce Module se concentrera sur l’évacuation du condensat inévitable, qui, s’il n’est pas éliminé, s’accumulera et entraînera des problèmes tels que la corrosion, l’érosion et le coup de bélier.

De plus, le steam deviendra humide en absorbant des gouttelettes d’eau, ce qui réduit son potentiel de transfert de chaleur. Si l’eau est autorisée à s’accumuler, la section transversale effective de la conduite est réduite, et la vitesse du steam peut dépasser les limites recommandées.

Disposition des conduites

C’est une bonne pratique d’ingénierie que, dans la mesure du possible, la conduite principale soit installée avec une pente d’au moins 1:100 (1 m de chute pour 100 m de parcours), dans le sens de l’écoulement du steam. Cette pente garantira que la gravité, ainsi que l’écoulement du steam, aideront à déplacer le condensat vers les points de purge où le condensat peut être évacué de manière sûre et efficace (voir Figure 10.3.1).

Points de purge

Le point de purge doit garantir que le condensat peut atteindre le purgeur de steam. Une attention particulière doit donc être accordée à la conception et à l’emplacement des points de purge.

Il faut également tenir compte du condensat restant dans une conduite principale de steam à l’arrêt, lorsque l’écoulement du steam cesse. La gravité fera en sorte que l’eau (condensat) s’écoulera le long des conduites inclinées et s’accumulera aux points bas du système. Des purgeurs de steam doivent donc être installés à ces points bas.

La quantité de condensat formée dans une grande conduite principale de steam dans des conditions de démarrage est suffisante pour nécessiter l’installation de points de purge à des intervalles de 30 m à 50 m, ainsi qu’aux points bas naturels tels qu’au bas des conduites montantes.

En fonctionnement normal, le steam peut s’écouler le long de la conduite principale à des vitesses allant jusqu’à 145 km/h, entraînant le condensat avec lui. La Figure 10.3.2 montre une conduite de purge de 15 mm raccordée directement au bas d’une conduite principale.

Bien que la conduite de 15 mm ait une capacité suffisante, il est peu probable qu’elle capte une grande partie du condensat se déplaçant à grande vitesse le long de la conduite principale. Cet arrangement sera inefficace.

Une solution plus fiable pour l’élimination du condensat est présentée à la Figure 10.3.3. La conduite du purgeur doit être à au moins 25 à 30 mm du bas du collecteur pour les conduites principales de steam jusqu’à 100 mm, et à au moins 50 mm pour les conduites plus grandes. Cela laisse un espace en dessous pour que la saleté et le tartre puissent se déposer.

Le fond du collecteur peut être équipé d’une bride amovible ou d’une valve de purge pour le nettoyage.

Les dimensions recommandées des collecteurs de purge sont indiquées dans le Tableau 10.3.1 et à la Figure 10.3.4.

Tableau 10.3.1 Dimensions recommandées des collecteurs de purge

Coup de bélier et ses effets

Le coup de bélier est le bruit provoqué par des bouchons de condensat percutant à haute vitesse les raccords de tuyauterie, les équipements et les installations. Cela a un certain nombre de conséquences :

• Comme la vitesse du condensat est plus élevée que la normale, la dissipation d’énergie cinétique est plus importante que ce que l’on pourrait attendre normalement.
• L’eau est dense et incompressible, de sorte que l’effet d’« amortissement » observé lorsque les gaz rencontrent des obstacles est absent.
• L’énergie contenue dans l’eau est dissipée contre les obstacles du système de tuyauterie tels que les vannes et les raccords.

Les signes du coup de bélier comprennent un bruit de cognement et éventuellement un mouvement de la conduite.

Dans les cas graves, le coup de bélier peut fracturer les équipements de la canalisation avec un effet presque explosif, avec pour conséquence une perte de steam vif au point de fracture, créant une situation extrêmement dangereuse.

Une bonne conception, installation et maintenance d’ingénierie permettront d’éviter le coup de bélier ; c’est une bien meilleure pratique que de tenter de le contenir par le choix des matériaux et des pressions nominales des équipements.

Les sources de coup de bélier se produisent généralement aux points bas de la tuyauterie (voir Figure 10.3.6). Ces zones sont dues à :

• Un affaissement de la ligne, peut-être dû à une défaillance des supports.
• L’utilisation incorrecte de réducteurs concentriques (voir Figure 10.3.7) - Utilisez toujours des réducteurs excentriques avec la partie plate vers le bas.
• Une installation incorrecte des crépines - Elles doivent être installées avec le panier sur le côté.
• Un drainage insuffisant des conduites de steam.
• Un fonctionnement incorrect - Ouverture des vannes trop rapidement au démarrage lorsque les conduites sont froides.

En résumé, la possibilité de coup de bélier est minimisée par :

• L’installation des conduites de steam avec une pente progressive dans le sens de l’écoulement, avec des points de purge installés à intervalles réguliers et aux points bas.
• L’installation de clapets anti-retour après tous les purgeurs de steam qui, sans cela, permettraient au condensat de refluer dans la conduite de steam ou l’installation pendant l’arrêt.
• L’ouverture lente des vannes d’isolement pour permettre à tout condensat pouvant se trouver dans le système de s’écouler doucement à travers les purgeurs, avant d’être entraîné par le steam à haute vitesse. Ceci est particulièrement important au démarrage.

Les lignes de dérivation sont normalement beaucoup plus courtes que les conduites principales de steam. En règle générale, à condition que la ligne de dérivation ne dépasse pas 10 mètres de longueur, et que la pression dans la conduite principale soit adéquate, il est possible de dimensionner la conduite sur une vitesse de 25 à 40 m/s, sans se soucier de la chute de pression.

Le Tableau 10.2.4 « Capacités des conduites de steam saturé pour différentes vitesses » dans le Module 10.2 sera utile pour cet exercice.

Raccordements des lignes de dérivation

Les raccordements des lignes de dérivation pris en haut de la conduite principale transportent le steam le plus sec (Figure 10.3.8). Si les raccordements sont pris sur le côté, ou pire encore en bas (comme dans la Figure 10.3.9 (a)), ils peuvent recevoir le condensat et les débris de la conduite principale de steam. Le résultat est un steam très humide et sale atteignant l’équipement, ce qui affectera les performances à court et à long terme.

La vanne de la Figure 10.3.9 (b) doit être positionnée aussi près que possible de la prise pour minimiser le condensat restant dans la ligne de dérivation, si l’installation risque d’être arrêtée pendant de longues périodes.

Descenderie

Des points bas se produiront également dans les lignes de dérivation. Le plus courant est une descenderie à proximité d’une vanne d’isolement ou d’une vanne de régulation (Figure 10.3.10). Le condensat peut s’accumuler en amont de la vanne fermée, puis être propulsé vers l’avant avec le steam lorsque la vanne s’ouvre à nouveau - par conséquent, un point de purge avec un purgeur de steam installé est une bonne pratique juste avant la crépine et la vanne de régulation.

Terrain en pente et drainage

Il y a de nombreuses occasions où une conduite principale de steam doit traverser un terrain en pente, ou des applications où les contours du site rendent impraticable l’installation de la conduite avec la pente de 1:100 proposée précédemment. Dans ces situations, le condensat doit être encouragé à s’écouler vers le bas et contre le sens d’écoulement du steam. La bonne pratique consiste à dimensionner la conduite sur une faible vitesse de steam ne dépassant pas 15 m/s, à installer la ligne avec une pente d’au moins 1:40, et à installer les points de purge à des intervalles ne dépassant pas 15 mètres (voir Figure 10.3.11).

L’objectif est d’empêcher le film de condensat au fond de la conduite d’augmenter en épaisseur jusqu’au point où les gouttelettes peuvent être entraînées par l’écoulement du steam.

Séparateurs de steam

Les chaudières de steam industrielles modernes ont une grande capacité d’évaporation par rapport à leur taille et une capacité limitée pour faire face aux charges à variation rapide. De plus, comme discuté dans le Bloc 3 « La chaufferie », d’autres circonstances, telles que …

• Un traitement chimique incorrect de l’eau d’alimentation et/ou un contrôle des TDS
• Des charges de pointe transitoires dans d’autres parties de l’installation … peuvent provoquer un entraînement d’eau de chaudière dans les conduites principales de steam.

Des séparateurs, comme le montre la coupe de la Figure 10.3.12, peuvent être installés pour éliminer cette eau.

En règle générale, à condition que les vitesses dans la tuyauterie restent dans des limites raisonnables, les séparateurs auront la même taille que la conduite. (Les séparateurs sont discutés en détail dans le Module 12.5)

Un séparateur éliminera à la fois les gouttelettes d’eau des parois des conduites et le brouillard suspendu entraîné dans le steam lui-même. La présence et les effets du coup de bélier peuvent être éliminés en installant un séparateur dans une conduite principale de steam, et cela peut souvent être moins coûteux que d’augmenter la taille de la conduite et de fabriquer des collecteurs de purge.

Un séparateur est recommandé avant les vannes de régulation et les débitmètres. Il est également judicieux d’installer un séparateur là où une conduite principale de steam pénètre dans un bâtiment depuis l’extérieur. Cela garantira que tout condensat produit dans le système de distribution extérieur sera éliminé et que le bâtiment recevra toujours du steam sec. Ceci est tout aussi important lorsque la consommation de steam dans le bâtiment est surveillée et facturée.

Crépines

Lorsque de nouvelles conduites sont installées, il n’est pas rare que des fragments de sable de moulage, de garniture, de joints, de copeaux, d’électrodes de soudure et même d’écrous et de boulons soient accidentellement déposés à l’intérieur de la conduite. Dans le cas de conduites plus anciennes, il y aura de la rouille, et dans les régions d’eau dure, un dépôt de carbonate. Occasionnellement, des morceaux se détacheront et circuleront le long de la tuyauterie avec le steam pour se loger à l’intérieur d’un équipement utilisant le steam. Cela peut, par exemple, empêcher une vanne de s’ouvrir/fermer correctement. Les équipements utilisant le steam peuvent également subir des dommages permanents par érosion de détente - l’action de coupe du steam et de l’eau à haute vitesse passant à travers une vanne partiellement ouverte. Une fois que l’érosion de détente s’est produite, la vanne ne donnera jamais une fermeture étanche, même si la saleté est éliminée.

Il est donc judicieux d’installer une crépine de même taille que la conduite devant chaque purgeur de steam, débitmètre, vanne de réduction et vanne de régulation. L’illustration de la Figure 10.3.13 montre une coupe d’une crépine typique.

Le steam s’écoule de l’entrée « A » à travers le tamis perforé « B » vers la sortie « C ». Alors que le steam et l’eau passent facilement à travers le tamis, la saleté ne le peut pas. Le capuchon « D » peut être retiré, permettant au tamis d’être retiré et nettoyé à intervalles réguliers. Une valve de purge peut également être installée sur le capuchon « D » pour faciliter le nettoyage régulier.

Les crépines peuvent cependant être une source de steam humide comme mentionné précédemment. Pour éviter cette situation, les crépines doivent toujours être installées dans les conduites de steam avec leurs paniers sur le côté.

Les crépines et les détails des tamis sont discutés dans le Module 12.4.

Comment drainer les conduites principales de steam

Les purgeurs de steam sont la méthode la plus efficace et la plus efficiente pour évacuer le condensat d’un système de distribution de steam.

Les purgeurs de steam sélectionnés doivent convenir au système en termes de :

• Pression nominale
• Capacité
• Adéquation Pression nominale

La pression nominale est facile à déterminer ; la pression de service maximale possible au niveau du purgeur de steam sera soit connue, soit devra être établie.

Capacité

La capacité, c’est-à-dire la quantité de condensat à évacuer, doit être divisée en deux catégories : la charge de réchauffement et la charge en fonctionnement.

Charge de réchauffement

En premier lieu, la tuyauterie doit être amenée à la température de fonctionnement. Cela peut être déterminé par calcul, connaissant la masse et la chaleur spécifique de la tuyauterie et des raccords. Alternativement, le Tableau 10.3.2 peut être utilisé.

• Le tableau montre la quantité de condensat générée lors du réchauffement de 50 m de conduite principale de steam jusqu’à la température de fonctionnement ; 50 m étant la distance maximale recommandée entre les points de purge.
• Les valeurs indiquées sont en kilogrammes. Pour déterminer le taux de condensation moyen, le temps nécessaire au processus doit être pris en compte. Par exemple, si le processus de réchauffement nécessitait 50 kg de steam et devait durer 20 minutes, alors le taux de condensation moyen serait :

• Lors de l’utilisation de ces capacités pour dimensionner un purgeur de steam, il convient de rappeler que la pression initiale dans la conduite principale sera à peine supérieure à la pression atmosphérique lorsque le processus de réchauffement commencera. Cependant, les charges de condensat seront généralement bien dans la capacité d’un purgeur de steam DN15 de « faible capacité ». Ce n’est que dans de rares applications à très hautes pressions (supérieures à 70 bar g), combinées à de grandes tailles de conduites, qu’une plus grande capacité de purgeur sera nécessaire.

Charge en fonctionnement

Une fois que la conduite principale de steam est à la température de fonctionnement, le taux de condensation est principalement une fonction de la taille de la conduite et de la qualité et de l’épaisseur de l’isolant.

Pour des moyens précis de calcul des pertes en fonctionnement des conduites principales de steam, reportez-vous au Module 2.12 « Consommation de steam des conduites et des aérothermes ». Alternativement, pour des approximations rapides de la charge en fonctionnement, le Tableau 10.3.3 peut être utilisé, qui montre les quantités typiques de steam condensé chaque heure pour 50 m de conduite principale de steam isolée à diverses pressions.

Tableau 10.3.2 Quantité de steam condensé pour réchauffer 50 m de conduite schedule 40 (kg) Note : Les chiffres sont basés sur une température ambiante de 20 °C et une efficacité d’isolation de 80 %

Tableau 10.3.3 Taux de condensation du steam dans 50 m de conduite schedule 40 - à la température de fonctionnement (kg/h) Note : Les chiffres sont basés sur une température ambiante de 20 °C et une efficacité d’isolation de 80 %

Adéquation

Un purgeur de drainage de conduite principale doit prendre en compte les contraintes suivantes :

• Température d’évacuation - Le purgeur de steam doit évacuer à ou très près de la température de saturation, à moins que des jambes de refroidissement soient utilisées entre le point de purge et le purgeur. Cela signifie que le choix se porte sur un purgeur de type mécanique (tel qu’un purgeur à flotteur, à seaux inversés, ou un purgeur thermodynamique).
• Dommages dus au gel - Lorsque la conduite principale de steam est située à l’extérieur d’un bâtiment et qu’il existe une possibilité de température ambiante inférieure à zéro, le purgeur de steam thermodynamique est idéal, car il n’est pas endommagé par le gel. Même si l’installation laisse de l’eau dans le purgeur à l’arrêt et qu’un gel se produit, le purgeur thermodynamique peut être décongéli sans subir de dommages lors de sa remise en service.
• Coup de bélier - Dans le passé, sur les installations mal conçues où le coup de bélier était fréquent, les purgeurs à flotteur n’étaient pas toujours idéaux en raison de leur vulnérabilité aux dommages du flotteur. Les techniques de conception et de fabrication modernes produisent désormais des unités extrêmement robustes pour le drainage des conduites principales. Les purgeurs à flotteur sont certainement le premier choix pour les séparateurs propriétaires car de grandes capacités sont facilement atteintes, et ils sont capables de répondre rapidement aux augmentations rapides de charge. Les purgeurs de steam utilisés pour drainer le condensat des conduites principales de steam sont présentés à la Figure 10.3.14. Le purgeur thermostatique est inclus car il est idéal lorsqu’il n’y a d’autre choix que d’évacuer le condensat dans un tuyau de retour noyé.

Le sujet du drainage par purgeurs de steam est traité en détail dans le Bloc 11, « Purgeurs de steam ».

Fuites de steam

Les fuites de steam provenant de la tuyauterie sont souvent ignorées. Les fuites peuvent être coûteuses tant sur le plan économique qu’environnemental et nécessitent donc une attention rapide pour garantir que le système de steam fonctionne à son efficacité optimale avec un impact minimal sur l’environnement.

La Figure 10.3.15 illustre la perte de steam pour différentes tailles de trous à diverses pressions. Cette perte peut être facilement convertie en économie de carburant sur la base des heures de fonctionnement annuelles.

Résumé

Un alignement et un drainage corrects des conduites signifient l’observation de quelques règles simples :

• Les conduites de steam doivent être disposées pour descendre dans le sens de l’écoulement, d’au moins 100 mm pour 10 mètres de conduite (1:100). Les conduites de steam montant dans le sens de l’écoulement doivent avoir une pente d’au moins 250 mm pour 10 mètres de conduite (1:40).
• Les conduites de steam doivent être drainées à des intervalles réguliers de 30-50 m et à tous les points bas du système.
• Lorsque le drainage doit être assuré dans des longueurs droites de conduite, un collecteur de grand diamètre doit être utilisé pour recueillir le condensat.
• Si des crépines doivent être installées, elles doivent être installées sur le côté.
• Les raccordements de dérivation doivent toujours être pris en haut de la conduite principale, d’où le steam le plus sec est prélevé.
• Des séparateurs doivent être envisagés avant tout équipement utilisant le steam pour garantir que du steam sec est utilisé.
• Les purgeurs sélectionnés doivent être suffisamment robustes pour résister aux dommages du coup de bélier et du gel.