Controle du TDS dans l'eau du boiler

La necessite de mesurer et de controler les solides dissous totaux (TDS) dans l’eau du boiler, ainsi que les methodes utilisees pour ce faire, y compris le controle electronique en boucle fermee avec des capteurs de conductivite.

Controle du TDS dans l’eau du boiler

A mesure que le boiler produit de la vapeur, les impuretes presentes dans l’eau d’alimentation du boiler qui ne s’evaporent pas avec la vapeur se concentrent dans l’eau du boiler. A mesure que les solides dissous deviennent de plus en plus concentres, les bulles de vapeur ont tendance a devenir plus stables, ne crevant pas lorsqu’elles atteignent la surface de l’eau du boiler. Il arrive un point (selon la pression, la taille et la charge de vapeur du boiler) ou une partie substantielle de l’espace vapeur du boiler se remplit de bulles et de mousse qui est entrainee dans la conduite principale de vapeur. Ceci est evidemment indesirable non seulement parce que la vapeur est excessivement humide en sortant du boiler, mais elle contient de l’eau du boiler avec un niveau eleve de solides dissous et peut-etre en suspension. Ces solides contamineront les vannes de controle, les echangeurs de chaleur et les purgeurs de vapeur. Bien que la mousse puisse etre causee par des niveaux eleves de matieres en suspension, une alcalinite elevee ou une contamination par des huiles et des graisses, la cause la plus courante d’entrainement (a condition que ces autres facteurs soient correctement controles) est un niveau eleve de solides dissous totaux (TDS). Un controle attentif du niveau de TDS de l’eau du boiler, associe a une attention portee a ces autres facteurs, devrait minimiser les risques de mousse et d’entrainement. Le TDS peut etre exprime dans differentes unites, et le Tableau 3.12.1 donne quelques conversions approximatives du TDS en ppm vers d’autres unites. Les degres Baume et les degres Twaddle (egalement orthographie Twaddell) sont des echelles d’hydrometre alternatives.

Echantillonnage de l’eau du boiler

Le TDS de l’eau du boiler peut etre mesure soit en :

• Prelevant un echantillon et en determinant le TDS a l’exterieur du boiler, soit en
• Utilisant un capteur a l’interieur du boiler fournissant un signal a un moniteur externe. Echantillonnage pour analyse externe Lors du prelevement d’un echantillon d’eau du boiler, il est important de s’assurer qu’il est representatif. Il n’est pas recommande de prelever l’echantillon dans les jauges de niveau ou les chambres de controle externes ; l’eau ici est un condensat relativement pur forme par la condensation continue de la vapeur dans le verre/la chambre externe. De meme, les echantillons preleves pres de l’entree d’eau d’alimentation du boiler donneront probablement une lecture fausse. De nos jours, la plupart des fabricants de boilers installent un raccord pour le blowdown TDS, et il est generalement possible d’obtenir un echantillon representatif a cet endroit. Si l’eau est simplement prelevee du boiler, une proportion se transformera violemment en vapeur flash a mesure que sa pression diminue. Non seulement cela est potentiellement tres dangereux pour l’operateur, mais toute analyse subsequent sera egalement tout a fait erroneue, en raison de la perte de vapeur flash qui concentre l’echantillon. Comme un echantillon refroidi est necessaire pour l’analyse, un refroidisseur d’echantillon egalement gagnera un temps considerable et encouragera des tests plus frequents. Un refroidisseur d’echantillon est un petit echangeur de chaleur qui utilise l’eau froide du reseau pour refroidir l’echantillon d’eau de blowdown.

Methode de densite relative

La densite relative de l’eau est liee a sa teneur en solides dissous. Pour l’eau brute, l’eau d’alimentation et le condensat, la densite relative est si proche de celle de l’eau pure qu’elle ne peut etre mesuree de maniere satisfaisante a l’aide d’un hydrometre. Pour l’eau du boiler, cependant, un hydrometre peut etre utilise pour obtenir une mesure approximative des solides dissous, car pour l’eau du boiler, chaque augmentation de 0,000 1 de la densite relative a 15,5°C est approximativement egale a 110 ppm. Un hydrometre tres sensible est necessaire, qui necessite une manipulation et une utilisation soignees si une mesure satisfaisante du TDS doit etre obtenue. La procedure est generalement la suivante :

• Filtrer l’echantillon d’eau du boiler refroidi pour eliminer les matieres en suspension, qui donneraient autrement une lecture fausse.
• Refroidir a 15,5°C
• Ajouter quelques gouttes d’un agent mouillant pour aider a empecher les bulles d’adherer a l’hydrometre.
• Placer l’hydrometre dans l’echantillon et le faire tourner doucement pour eliminer les bulles.
• Lire la densite relative.
• Lire le TDS a partir d’un tableau fourni avec l’hydrometre ou calculer le TDS en ppm en utilisant l’Equation 3.12.1 :

L’hydrometre est un instrument delicat, qui peut facilement etre endommage. Pour eviter d’obtenir de fausses lectures, il doit etre regulierement verifie avec de l’eau distillee. Methode de conductivite La conductivite electrique de l’eau depend egalement du type et de la quantite de solides dissous qu’elle contient. L’acidite et l’alcalinite ayant un effet important sur la conductivite electrique, il est necessaire de neutraliser l’echantillon d’eau du boiler avant de mesurer sa conductivite. La procedure est la suivante :

• Ajouter quelques gouttes de solution indicatrice de phenolphtaleine a l’echantillon refroidi (< 25°C).
• Si l’echantillon est alcalin, une couleur violette intense est obtenue.
• Ajouter de l’acide acetique (generalement 5 %) goutte a goutte pour neutraliser l’echantillon, en melangeant jusqu’a ce que la couleur disparaisse. Le TDS en ppm est alors approximativement celui indique dans l’Equation 3.12.2 : Alternativement, le conductimetre a piles avec compensation de temperature presente a la Figure 3.12.2 est adapte a une utilisation jusqu’a une temperature de 45°C.

Mesure de conductivite dans le boiler

Il est necessaire de mesurer la conductivite de l’eau du boiler a l’interieur du boiler ou dans la conduite de blowdown. Evidemment, les conditions sont tres differentes de celles de l’echantillon obtenu via le refroidisseur d’echantillon qui sera refroidi et ensuite neutralise (pH = 7). Les principaux aspects sont la grande difference de temperature et le pH eleve. Une augmentation de la temperature entraine une augmentation de la conductivite electrique. Pour l’eau du boiler, la conductivite augmente d’environ 2 % (de la valeur a 25°C) pour chaque augmentation de 1°C de la temperature. Ceci peut s’ecrire : Exemple 3.12.3 Un echantillon d’eau du boiler a une conductivite non neutralisee de 5 000 μS/cm a 25°C. Quelle est la conductivite de l’eau du boiler a 10 bar g ? Cela signifie que les effets de la temperature doivent etre pris en compte dans le controleur de blowdown, soit par compensation automatique de temperature, soit en supposant que la pression (et donc la temperature) du boiler est constante. Les petites variations de pression du boiler pendant les variations de charge n’ont qu’un effet relativement faible, mais si des lectures precises du TDS sont necessaires sur des boilers fonctionnant a des pressions tres variables, alors la compensation automatique de temperature est essentielle. Constante de cellule Une sonde utilisee pour mesurer la conductivite d’un liquide a une ‘constante de cellule’. La valeur de cette constante depend de la disposition physique de la sonde et du trajet electrique a travers le liquide. Plus la pointe de la sonde est eloignee de toute partie du boiler, plus la constante de cellule est elevee. Toute difference de constante de cellule est prise en compte lors du ‘calibrage’ du controleur. La conductivite et la resistance sont liees par la constante de cellule, comme le montre l’Equation 3.12.4 :

Bien que la conductivite de l’eau du boiler soit convertie en resistance par la sonde, elle ne peut pas etre mesuree a l’aide d’un simple ohmmetre a courant continu. Si une tension continue est appliquee a la sonde, de minuscules bulles d’hydrogene ou d’oxygene se forment a la surface en raison de l’electrolyse de l’eau. Cet effet, appele polarisation electrolytique, provoque une resistance beaucoup plus elevee a la mesure. Il est donc necessaire d’utiliser une tension alternative pour mesurer la resistance de la sonde et c’est la methode toujours preferee dans les controleurs de blowdown. Une frequence relativement elevee (par exemple 1 000 Hz) est necessaire pour eviter la polarisation aux conductivites elevees de l’eau du boiler.

Determination du TDS requis dans l’eau du boiler

La concentration reelle de solides dissous a laquelle la mousse peut commencer variera d’un boiler a l’autre. Les boilers a corps conventionnels fonctionnent normalement avec un TDS dans la plage de 2 000 ppm pour les tres petits boilers, et jusqu’a 3 500 ppm pour les grands boilers, a condition que :

• Le boiler fonctionne pres de sa pression de conception.
• Les conditions de charge de vapeur ne soient pas trop severes.
• Les autres conditions de l’eau du boiler soient correctement controlees. Le blowdown du boiler pour maintenir ces niveaux de TDS devrait aider a garantir qu’une vapeur raisonnablement propre et seche soit fournie a l’installation. Le Tableau 3.12.2 fournit quelques directives generales sur les niveaux maximaux admissibles de TDS de l’eau du boiler dans certains types de boilers. Au-dela de ces niveaux, des problemes peuvent survenir. Remarque : Les chiffres du Tableau 3.12.2 sont donnes uniquement comme guide general. Le fabricant du boiler doit toujours etre consulte pour des recommandations specifiques. Calcul du debit de blowdown Les informations suivantes sont necessaires :
• Le TDS requis de l’eau du boiler en parties par million (Tableau 3.12.1).
• Le TDS de l’eau d’alimentation en parties par million. Une valeur moyenne peut etre obtenue en examinant les dossiers de traitement de l’eau, ou un echantillon d’eau d’alimentation peut etre obtenu et sa conductivite mesuree. Comme pour la mesure du TDS de l’eau du boiler, conductivite (μS/cm) x 0,7 = TDS en parties par million (a 25°C). Remarque : l’echantillon d’eau d’alimentation requis provient de la conduite d’alimentation du boiler ou du feedtank et n’est pas un echantillon de l’eau de replenish alimentant le feedtank.
• La quantite de vapeur que le boiler produit, generalement mesuree en kg/h. Pour la selection d’un systeme de blowdown, le chiffre le plus important est generalement la quantite maximale de vapeur que le boiler peut produire en pleine charge. Lorsque les informations ci-dessus sont disponibles, le debit de blowdown requis peut etre determine a l’aide de l’Equation 3.12.5 :

Controle du debit de blowdown Il existe plusieurs manieres differentes de controler le debit de blowdown. Le dispositif le plus simple est une plaque orifice (Figure 3.12.3). La taille de l’orifice peut etre determinee sur la base de :

• Debit - Un moyen de calculer le debit est indique ci-dessus.
• Perte de charge - Theoriquement, ce serait de la pression du boiler a la pression atmospherique. Cependant, le frottement dans la tuyauterie et la contre-pression sont inevitables, donc pour les besoins de ce module, on suppose que la pression du cote aval de l’orifice est de 0,5 bar g. Il y a un probleme : un orifice n’est pas reglable et ne peut donc etre correct que pour un ensemble de circonstances specifiques. Si le debit de vapeur devait :
• Augmenter - L’orifice ne laisserait pas passer suffisamment d’eau. Le niveau de TDS du boiler augmenterait, et l’amorcage et l’entrainement se produiraient.
• Diminuer - L’orifice laisserait passer trop d’eau. Le debit de blowdown serait trop eleve et de l’energie serait gaspillee. Vaporisation flash L’eau evacuee du boiler est a la temperature de saturation, et il y a une chute de pression a travers l’orifice presque egale a toute la pression du boiler. Cela signifie qu’une proportion substantielle de l’eau se transformera en vapeur flash, augmentant son volume d’un facteur superieur a 1 000. Ce changement d’etat et de volume rapide et agressif a travers l’orifice peut provoquer l’erosion et l’usure de l’orifice. Cela augmente a la fois la taille et la caracteristique d’ecoulement (coefficient de debit) de l’orifice, entrainant une augmentation progressive du debit de blowdown. La vapeur, etant un gaz, peut voyager beaucoup plus vite que l’eau (liquide). Cependant, la vapeur et l’eau n’ont pas la possibilite de se separer correctement, ce qui provoque des gouttelettes d’eau se deplacant a tres haute vitesse avec la vapeur dans la tuyauterie. Cela entraine une erosion supplementaire et possiblement un coup de belier dans la tuyauterie et les equipements en aval. Le probleme de vaporisation flash augmente avec la pression du boiler. Il faut egalement se rappeler que l’eau evacuee du boiler est sale et qu’il ne faut pas beaucoup de salete pour restreindre ou meme boucher un petit trou.

Vannes de blowdown

Vannes de blowdown continu Dans sa forme la plus simple, il s’agit d’une vanne a pointeau. En vue en plan, il y a un anneau avec :

• La circonference exterieure definie par le siege de la vanne.
• La circonference interieure definie par le pointeau. Si une augmentation du debit est requise, le pointeau est ajuste hors du siege et le jeu entre le pointeau et le siege est augmente. Pour garantir une vitesse raisonnable a travers l’orifice, la taille d’orifice necessaire pour le debit de blowdown de 1 111 kg/h (de l’Exemple 3.12.5) serait d’environ 3,6 mm. En prenant le diametre du siege de la vanne a 10 mm, il est possible de calculer le diametre du pointeau au point ou il est regle pour donner le debit requis de 1 111 kg/h, comme suit : Par consequent : la resolution de l’equation montre que le diametre du pointeau au reglage correct est de 9,33 mm. Le jeu est la moitie de la difference des diametres. C’est une faiblesse fondamentale des vannes de blowdown continu ; le jeu est si petit que le blocage par de petites particules est difficile a eviter. En outre, le probleme de vaporisation flash au-dessus du siege de la vanne doit encore etre resolu. Les faibles jeux signifient qu’un melange vapeur/eau a haute vitesse circule pres des surfaces du pointeau et du siege. L’erosion (usure) est inévitable, entrainant des dommages et une incapacite subsequente a fermer. Les vannes de blowdown continu ont ete developpees au fil des nombreuses annees a partir de simples vannes a pointeau, et incorporent maintenant plusieurs etages, pouvant prendre la forme de trois ou quatre sieges progressivement plus grands dans la vanne, et incluant meme des passages helicoidaux. L’objectif est de dissiper l’energie progressivement par etages plutot que tout d’un coup. Ce type de vanne a ete initialement concu pour un fonctionnement manuel, et etait equipe d’une echelle et d’un pointeur attaches a la poignee. Dans un environnement operationnel, un echantillon d’eau du boiler etait preleve, le TDS determine, et un ajustement approprie etait effectue sur la position de la vanne. Pour suivre la technologie moderne et les demandes du marche, certaines de ces vannes de blowdown continu ont ete equipees d’actionneurs electriques ou pneumatiques. Cependant, le probleme fondamental des faibles jeux, de la vaporisation flash et de l’usure existe toujours, et les dommages au siege de la vanne sont inevitables. Malgre l’utilisation d’un systeme de controle en boucle fermee, un blowdown excessif se produira. Vannes de blowdown du boiler tout ou rien ****Il y a un avantage a utiliser un dispositif de controle plus grand avec des jeux plus importants, mais en ne l’ouvrant que pendant une partie du temps. Evidemment, une moderation est necessaire si le TDS du boiler doit etre maintenu entre des valeurs raisonnables, et les vannes DN15 et 20 sont les tailles les plus courantes. Une disposition typique serait de regler le controleur pour ouvrir la vanne a, par exemple, 3 000 ppm, puis de fermer la vanne a 3 000 - 10 % = 2 700 ppm. Cela donnerait un bon equilibre entre une vanne de taille raisonnable et un controle precis.
• Le type de vanne selectionnee est egalement important :
• Pour les petits boilers avec un faible debit de blowdown et des pressions inferieures a 10 bar g, une vanne solenoide de classement approprie fournira une solution economique. Pour les grands boilers avec des debits de blowdown plus eleves, et certainement pour les boilers avec des pressions de fonctionnement superieures a 10 bar g, une vanne plus sophistiquee est necessaire pour eloigner la vaporisation flash du siege de la vanne afin de le proteger contre les dommages. Les vannes de ce type peuvent egalement avoir une course reglable pour permettre a l’utilisateur la flexibilite de choisir un debit de blowdown approprie au boiler et a tout equipement de recuperation de chaleur utilise.

Systemes de controle electronique en boucle fermee

Ces systemes mesurent la conductivite de l’eau du boiler, la comparent a une consigne, et ouvrent une vanne de controle de blowdown si le niveau de TDS est trop eleve. Un certain nombre de types differents sont disponibles sur le marche, qui mesureront la conductivite soit a l’interieur du boiler, soit dans une chambre d’echantillonnage externe purgee a intervalles reguliers pour obtenir un echantillon representatif de l’eau du boiler. La selection reelle dependra de facteurs tels que le type de boiler, la pression du boiler et la quantite d’eau a evacuer. Ces systemes sont concus pour mesurer la conductivite de l’eau du boiler a l’aide d’une sonde de conductivite. La valeur mesuree est comparee a une consigne programmee dans le controleur par l’utilisateur. Si la mesure est superieure a la consigne, la vanne de controle de blowdown est ouverte jusqu’a ce que la consigne soit atteinte. En general, l’utilisateur peut egalement ajuster la ‘zone morte’. Comme mentionne precedemment, une augmentation de la temperature de l’eau entraine une augmentation de la conductivite electrique. Evidemment, si un boiler fonctionne sur une large plage de temperature/pression, par exemple lorsque les boilers sont en mode de reduction nocturne, ou meme un boiler avec une large plage de controle du bruleur, alors une compensation est necessaire, car la conductivite est le facteur de controle. Les avantages du controle automatique du TDS

• Les avantages en economie de main-d’oeuvre de l’automatisation.
• Un controle plus precis des niveaux de TDS du boiler.
• Des economies potentielles grace a un systeme de recuperation de chaleur du blowdown (s’il est installe). Le calcul d’economies supplementaires dues a une reduction du debit de blowdown est decrit dans le texte suivant et dans l’Exemple 3.12.6. La ou la methode actuelle est uniquement le blowdown de fond manuel, il peut etre possible, en examinant les archives de traitement de l’eau, d’obtenir une idee de la variation du TDS du boiler sur une periode de plusieurs semaines. Par inspection, une valeur moyenne de TDS peut etre etablie. La ou le maximum reel est inferieur au chiffre maximal admissible, la moyenne est telle qu’indiquee. La ou le maximum reel depasse le maximum admissible, la moyenne obtenue devrait etre reduite proportionnellement, car il est souhaitable que le chiffre maximal de TDS admissible ne soit jamais depasse. Exemple 3.12.6 La Figure 3.12.8 montre que le TDS moyen avec un blowdown de fond manuel bien gere est significativement inferieur au maximum admissible. Par exemple, le TDS maximal admissible peut etre de 3 500 ppm et le TDS moyen seulement de 2 000 ppm. Cela signifie que le debit de blowdown reel est bien superieur a celui requis. Sur la base d’un TDS d’eau d’alimentation de 200 ppm, le debit de blowdown reel est : En installant un systeme de controle automatique du TDS, le TDS moyen de l’eau du boiler peut etre maintenu a un niveau presque egal au TDS maximal admissible comme le montre la Figure 3.12.9 ; Evaluation des economies par reduction du debit de blowdown Si un boiler doit fournir une quantite donnee de vapeur, l’eau evacuee par blowdown doit etre en plus de cette quantite. L’energie perdue dans le blowdown est l’energie fournie a la quantite supplementaire d’eau qui est chauffee a la temperature de saturation, puis evacuee par blowdown. Une approximation proche peut etre obtenue en utilisant les tables de vapeur. En utilisant les chiffres de l’Exemple 3.12.5, si le boiler fonctionnait a 10 bar g, avec un debit de vapeur de 5 000 kg/h et une temperature d’eau d’alimentation de 80°C (hf = 335 kJ/kg), le changement de besoin energetique pourrait etre calcule comme suit : Condition 1, controle manuel du TDS : Debit de blowdown = 11,1 % Exemple 3.12.7 Condition 2, controle automatique du TDS :