Systèmes de régulation automatique de niveau

Une explication détaillée de la régulation automatique de niveau tout ou rien, modulante, à deux et trois éléments, avec une comparaison des avantages et inconvénients.

Régulation tout ou rien

Toutes les méthodes de détection de niveau décrites jusqu’à présent peuvent être utilisées pour produire un signal tout ou rien pour la régulation de niveau. La méthode la plus courante de régulation de niveau est simplement de démarrer la pompe d’alimentation à un niveau bas et de la laisser fonctionner jusqu’à ce qu’un niveau d’eau plus élevé soit atteint dans la chaudière.

Avec une régulation de niveau à flotteur, un commutateur magnétique avec une hystérésis intégrée ou une zone morte sera utilisé.
Avec des sondes de conductivité, deux sondes sont nécessaires (pompe en marche et pompe à l’arrêt) qui donneront des niveaux de commutation fixes.
Une sonde capacitive peut être utilisée pour donner des niveaux de commutation tout ou rien réglables. Au Royaume-Uni, la régulation tout ou rien est presque universelle sur les chaudières de moins d’environ 5 000 kg/h de production de vapeur car c’est l’option la moins coûteuse. (En Australie et en Nouvelle-Zélande, les normes stipulent que pour les chaudières dépassant 3 MW (typiquement 5 000 kg/h), une régulation modulante doit être installée). On peut cependant soutenir que ce type de régulation tout ou rien nest pas idéal pour la régulation de chaudière, car le débit relativement élevé d'eau d'alimentation 'froide lorsque la pompe fonctionne réduit la pression de la chaudière. Cela provoque une variation continue du taux de tirage du brûleur à mesure que la pompe s’allume et s’éteint. En prenant un exemple typique, on peut montrer par le calcul que même avec de l’eau d’alimentation à 80°C, le taux de tirage du brûleur peut devoir être 40% plus élevé avec la pompe d’alimentation en marche qu’avec la pompe d’alimentation à l’arrêt. Cette variation continue provoque :
L’usure des commandes du brûleur.
Le cyclage thermique de la chaudière.
Une réduction de l’efficacité.
Un débit de vapeur en ‘dent de scie’ comme le montre l’enregistreur de la figure 3.17.2. Si les charges de vapeur sont élevées, le débit de vapeur variable aura tendance à augmenter l’entraînement d’eau avec la vapeur, et aura tendance à rendre les niveaux d’eau de plus en plus instables avec le danger associé de verrouillage bas niveau d’eau, en particulier sur les installations multi-chaudières. Cependant, il reste que la régulation tout ou rien est très largement utilisée sur les chaudières de petite à moyenne production, comme défini ci-dessus, et que de nombreux problèmes associés aux chaudières à vapeur fonctionnant avec de grandes variations de charge sont dus en partie aux systèmes de régulation de niveau tout ou rien.

Résumé de la régulation de niveau tout ou rien

Avantages :

Simple.
Peu coûteux.
Bon pour les chaudières en veille. Inconvénients :
Chaque chaudière nécessite sa propre pompe d’alimentation.
Plus d’usure sur la pompe d’alimentation et les équipements de commande.
Pression et débit de vapeur variables.
Plus d’entraînement d’eau de chaudière.
Plus de chances de problèmes opérationnels quotidiens sous de grandes variations de charge.

Régulation modulante

Dans ce type de système, la pompe d’alimentation fonctionne en continu, et une vanne automatique (entre la pompe d’alimentation et la chaudière) contrôle le débit d’eau d’alimentation pour correspondre à la demande de vapeur. Lorsqu’elle fonctionne correctement, la régulation modulante peut lisser de manière spectaculaire le graphique de débit de vapeur et assurer une meilleure stabilité du niveau d’eau à l’intérieur de la chaudière. Pour la régulation de niveau modulante, les méthodes suivantes peuvent être utilisées pour détecter le niveau d’eau :

Flotteurs avec sortie de signal continu.
Sondes capacitives.
Cellules de pression différentielle.

Recirculation

Pour protéger la pompe d’alimentation contre la surchauffe lors du pompage contre une vanne modulante fermée, une ligne de recirculation ou de reflux est prévue pour assurer un débit minimum à travers la pompe. Cette recirculation peut être commandée par une vanne ou avec une plaque à orifice. La quantité d’eau à recirculer n’est pas grande, et les directives sont généralement disponibles auprès du fabricant de la pompe. À titre indicatif, la taille de l’orifice sera généralement entre 5 mm et 7 mm pour une chaudière typique. Régulation de niveau modulante par variation de la vitesse de la pompe d’alimentation de chaudière Dans ce type de système, un signal modulant représentant le niveau d’eau de la chaudière (par exemple, d’une sonde capacitive) est dirigé vers un contrôleur de fréquence électrique. Ce contrôleur à son tour varie la fréquence de la tension alternative vers le moteur de la pompe d’alimentation de chaudière, et donc varie sa vitesse.

Si beaucoup d’eau est nécessaire, la pompe fonctionne à grande vitesse.
Si moins d’eau est nécessaire, la vitesse de la pompe est réduite. De cette manière, la vitesse de la pompe est modulée pour fournir un débit d’eau d’alimentation qui correspond à la demande de la chaudière en eau d’alimentation. Il existe deux façons dont la technologie d’entraînement à vitesse variable est généralement appliquée : Avec recirculation - Lorsque la demande est satisfaite et que la vitesse du moteur est réduite à son minimum, une certaine recirculation de l’eau d’alimentation vers le réservoir d’alimentation est toujours nécessaire pour éviter la surchauffe de la pompe (voir figure 3.17.5). Sans recirculation - Dans ce cas, le contrôleur du moteur arrête la pompe d’alimentation à de très faibles charges de chaudière, la recirculation n’est donc pas nécessaire. Deux facteurs importants liés à l’arrêt et au démarrage de la pompe sont :
La pompe ne doit pas être démarrée et arrêtée dans une période donnée plus que ce qui est recommandé par le fabricant.
Au démarrage, le contrôleur de fréquence doit être monté progressivement à partir d’une faible vitesse, pour minimiser l’usure de la pompe. L’avantage principal des entraînements à vitesse variable est que la consommation d’énergie de la pompe varie avec sa vitesse, et, bien sûr, une réduction de la consommation d’énergie signifie des coûts de fonctionnement réduits. Cependant, les économies réalisées grâce aux entraînements à vitesse variable doivent être mises en rapport avec le coût plus élevé des équipements de commande. Cela n’est généralement viable que pour les grandes chaudières avec de larges variations de charge ou qui fonctionnent de manière principal/secours.

Régulation de niveau à un élément

Le système standard de régulation de niveau d’eau de chaudière à un élément, avec régulation proportionnelle, donne un excellent contrôle sur la majorité des installations de chaudières. Cependant, avec la régulation proportionnelle à un élément, le niveau d’eau doit baisser pour que la vanne de régulation d’eau d’alimentation s’ouvre. Cela signifie que le niveau d’eau doit être plus élevé à faible débit de vapeur et plus bas à débit de vapeur élevé : une caractéristique de régulation à niveau descendant. Cependant, lorsque des changements de charge très brusques se produisent, sur certains types de chaudières à tubes d’eau, la régulation à un élément a ses limites. Considérons la situation lorsqu’une chaudière fonctionne dans sa capacité nominale :

L’eau de la chaudière contiendra en réalité un mélange d’eau et de bulles de vapeur, qui sera moins dense que l’eau seule.
Si la demande en vapeur augmente, la pression dans la chaudière diminue initialement, et le système de commande augmentera le taux de tirage du brûleur. Le taux d’évaporation augmentera pour répondre à la demande accrue.
Le taux d’évaporation accru signifie que l’eau de la chaudière contiendra plus de bulles de vapeur et deviendra encore moins dense. Si une charge soudaine est maintenant appliquée à la chaudière :
La pression à l’intérieur de la chaudière est encore réduite, et une partie de l’eau de la chaudière se vaporisera. La vaporisation de l’eau de la chaudière, plus l’apport de chaleur accru à mesure que les brûleurs tournent au maximum, signifie que l’eau de la chaudière contiendra encore plus de bulles de vapeur, et sa densité sera encore réduite.
À mesure que la pression baisse, le volume spécifique de la vapeur augmente, et la vitesse plus élevée à laquelle la vapeur est extraite de la chaudière peut créer un ‘gonflement’ du mélange bulles de vapeur/eau, entraînant une élévation apparente du niveau d’eau.
Les régulateurs de niveau détecteront cette élévation apparente du niveau d’eau et commenceront à fermer la vanne de régulation d’eau d’alimentation, alors qu’en fait plus d’eau est nécessaire. La situation maintenant, c’est qu’il y a une forte demande en vapeur, et aucune eau n’est ajoutée à la chaudière pour maintenir le niveau.
Un point est atteint où le ‘gonflement dans l'eau s'effondrera, possiblement à un niveau inférieur aux alarmes de niveau bas, et la chaudière peut soudainement se 'verrouiller, mettant l’installation hors ligne. Régulation de niveau à deux éléments La régulation à deux éléments inverse la caractéristique de régulation à niveau descendant pour s’assurer que le niveau d’eau est amené à monter à des débits de vapeur élevés. Cela s’efforce d’assurer que la quantité d’eau dans la chaudière reste constante à toutes les charges, et que pendant les périodes de demande de vapeur accrue et soudaine, la vanne de régulation d’eau d’alimentation s’ouvre. Le système fonctionne en utilisant le signal d’un débitmètre de vapeur installé dans la tuyauterie de sortie de vapeur pour augmenter le point de consigne du contrôleur de niveau à des charges de vapeur élevées. Les deux éléments du signal sont :
Premier élément - Signal de niveau de l’eau dans la chaudière.
Deuxième élément - Signal de débit du débitmètre de vapeur dans la prise de vapeur de la chaudière.

Résumé de la régulation de niveau à deux éléments Toute installation de chaudière qui connaît des changements de charge fréquents et brusques peut fonctionner mieux avec un système de régulation d’eau d’alimentation à deux éléments. Lorsque les changements de charge de process sont sévères (les brasseries sont une application courante), la régulation à deux éléments devrait être considérée et semble nécessaire lorsqu’il y a des changements de charge de plus de 25% sur une chaudière.

Régulation de niveau à trois éléments La régulation à trois éléments comme le montre la figure 3.17.8, implique les deux éléments de signal mentionnés précédemment, plus un troisième élément, qui est le débit réel mesuré d’eau d’alimentation dans la chaudière. La régulation à trois éléments se retrouve plus souvent dans les salles de chaudières où plusieurs chaudières sont alimentées en eau d’alimentation depuis un anneau collecteur commun pressurisé. Dans ces circonstances, la pression dans l’anneau collecteur d’eau d’alimentation peut varier en fonction de la quantité d’eau prélevée par chacune des chaudières. Parce que la pression dans l’anneau collecteur varie, la quantité d’eau que la vanne de régulation d’eau d’alimentation laissera passer variera également pour une ouverture de vanne particulière. L’apport du troisième élément modifie le signal vers la vanne de régulation d’eau d’alimentation, pour prendre en compte cette variation de pression.

Résumé de la régulation de niveau modulante

Avantages :

Pression et débit de vapeur stables dans la capacité thermique de la chaudière.
Fonctionnement plus efficace du brûleur.
Moins de contraintes thermiques sur l’enveloppe de la chaudière.
Moins d’entraînement d’eau de chaudière.
Peut utiliser une station de pompe d’alimentation centralisée.
Moins d’usure sur la pompe d’alimentation et le brûleur. Inconvénients
Plus coûteux.
La pompe d’alimentation doit fonctionner en continu.
Moins adapté au fonctionnement en ‘veille’.
Possiblement une plus grande consommation d’électricité.