Accumulateurs de vapeur

Un apercu complet de la necessite de stocker la vapeur pour repondre aux demandes de pointe dans des industries specifiques, y compris la conception, la construction et l’exploitation d’un steam accumulator, avec des calculs.

Le but d’un steam accumulator est de liberer de la vapeur lorsque la demande est superieure a la capacite du boiler a ce moment-la, et d’accepter de la vapeur lorsque la demande est faible. Les steam accumulators sont parfois consideres comme des reliques de l’ere de la vapeur avec peu d’applications dans l’industrie moderne.

Conception du boiler

Les boilers contemporains sont nettement plus petits que leurs homologues d’il y a seulement 30 ans. Cette reduction de la taille des boilers a ete provoquee par les utilisateurs, qui exigent que les boilers soient :

• Plus efficaces en termes de rapport entre l’entree de combustible et la sortie de vapeur.
• Plus reactifs aux variations de la demande.
• Plus petits, et donc occupant moins d’espace au sol.
• Moins chers a acheter et a installer. Ces objectifs ont ete en partie atteints grace aux controles/bruleurs plus sophistiques d’aujourd’hui qui repondent plus vite et plus precisement aux variations de la demande que ceux des annees passees. Cependant, la reponse d’un boiler aux variations de la demande est egalement affectee par les lois de la nature, par exemple : la quantite d’eau a chauffer et la surface de transfert de chaleur disponible pour transferer cette chaleur de la flamme du bruleur a l’eau. Les temps de reponse ont ete ameliores en reduisant physiquement les dimensions externes du boiler pour une puissance donnee, et en garnissant l’interieur de tubes pour augmenter la surface de transfert de chaleur. Cela signifie que le boiler moderne contient moins d’eau, et la surface de transfert de chaleur par kg d’eau est plus grande. Considerons la situation actuelle :

1. La demande de vapeur de l’installation augmente, et la pression dans le boiler chute jusqu’au point de consigne du controle du bruleur.
2. Le controle du bruleur purge la chambre de combustion, et le bruleur est allume.
3. La grande surface de transfert de chaleur et la masse d’eau plus faible combinent pour evaporer rapidement l’eau dans le boiler afin de satisfaire la demande de vapeur. Comme couvert dans le Module 3.7, ‘Accessoires et garnitures de boiler’, l’energie stockee dans un boiler est contenue dans l’eau qui est maintenue a la temperature de saturation. Plus la quantite d’eau dans un boiler est grande, plus la quantite d’energie stockee pour faire face aux variations de demande/charge est importante. Le Tableau 3.22.1 compare un ancien boiler Lancashire des annees 1950 avec un boiler empaquete moderne. Notez que le boiler empaquete moderne ne contient que 20 % de l’eau contenue dans un boiler Lancashire de puissance equivalente. Il en decoule que la reserve d’energie contenue dans le boiler empaquete moderne n’est que de 20 % de celle du boiler Lancashire. Cela suggere que le boiler empaquete moderne ne peut pas faire face aux demandes de pointe de la maniere dont un ancien boiler Lancashire pouvait le faire. Notez egalement du Tableau 3.22.1 que le ‘taux de liberation de vapeur’ de la surface de l’eau dans le boiler empaquete moderne a augmente d’un facteur de 2,7. Cela signifie que la vapeur n’a que 1/2,7 (40 %) du temps disponible dans un boiler Lancashire pour se separer de l’eau. Aux heures de pointe de demande, cela peut signifier que de la vapeur humide est exportee du boiler empaquete moderne, et possiblement a une pression inferieure a celle pour laquelle il a ete concu - Couvert dans le Module 3.12 ‘Controle du TDS dans l’eau du boiler’. L’eau entrainee avec la vapeur sera salee (environ 3 000 ppm de TDS), et contaminera les vannes de controle et les surfaces de transfert de chaleur. Elle pourrait meme bloquer certains des plus petits orifices dans les dispositifs de mesure de pression, les purgeurs de vapeur, etc. Note : Les informations pour creer le Tableau 3.22.1 ont ete fournies par Thermsave. Les unites impériales sont egalement presentees dans le tableau pour donner un apercu des facteurs appliques dans la conception des boilers dans le passe.

Demandes de pointe

Les demandes de vapeur sur toute installation de processus sont rarement stables, mais la taille et le type de fluctuations dependent de l’application et de l’industrie. Les pointes peuvent survenir une fois par semaine ou meme une fois par jour pendant le demarrage. Les plus gros problemes causes par les demandes de pointe sont generalement associes aux industries de traitement par lots :

• Brasserie.
• Textile.
• Nettoyage a sec.
• Mise en conserve.
• Fabricants de blocs de beton leger.
• Domaines specialises de l’industrie siderurgique.
• Industries du caoutchouc avec de grandes autoclaves. Pour ces processus, les pointes peuvent etre lourdes et de longue duree, mesurees en fractions d’heure. Alternativement, les cycles de charge peuvent consister en des pointes frequentes de courte duree mais avec un debit instantane tres eleve :
• Finition de bonneterie.
• Caoutchouc.
• Moulage de plastique et de polystyrene.
• Pelage a la vapeur.
• Sterilisation hospitaliere et industrielle. La Figure 3.22.1 montre que dans chaque cas, les demandes sont presque instantanees et les pointes sont bien superieures a la charge moyenne. Le resultat d’une demande soudaine sur l’installation de boiler est une chute de pression dans le boiler, car le boiler et son equipement de combustion associe sont incapables de generer de la vapeur au rythme auquel elle est prelevee. Les demandes de pointe et les chutes de pression subsequentes peuvent avoir des consequences assez serieuses sur la production de l’usine. Au pire, le resultat est un ‘verrouillage’ du boiler, en raison de l’elevation du niveau d’eau causee par une ebullition rapide, suivie de son effondrement. Ceci est percu comme une alarme de niveau d’eau bas par les controles de niveau. Au mieux, la vapeur produite est humide et contaminee. Cela, combine a une reduction de pression, peut conduire a :
• Des temps de processus augmentes.
• Une reduction de la qualite du produit, voire des dommages ou des pertes du produit.
• Des coups de belier dans les conduites principales de vapeur causant des contraintes sur les tuyauteries et les raccords, et un danger potentiel pour le personnel. Pour l’installation de boiler, les demandes de pointe sont responsables de :
• Un niveau de maintenance plus eleve.
• Une duree de vie reduite du boiler.
• Une efficacite energetique reduite. C’est parce que l’equipement de passe continuellement d’un feu bas a un feu eleve, et meme s’arrete pendant les periodes de tres faible demande, pour se rallumer quelques minutes plus tard, avec tous les effets de refroidissement pre et post-purge. Plusieurs boilers de taille surdimensionnee peuvent etre utilises dans une tentative de faire face aux demandes de pointe (et aux creux de demande subsequents) qui entrainent inevitablement de faibles efficacites. Pour illustrer ce point, on peut supposer que :
• Pour un boiler a vapeur moyen, moins de 1 % des pertes sont dues au rayonnement thermique de l’enveloppe du boiler (par exemple : 1 % de la puissance nominale continue maximale (MCR) du boiler).
• Si un boiler produit alors 50 % de sa MCR, les pertes dues au rayonnement sont de 2 % par rapport a son taux de production.
• Si un boiler produit 25 % de sa MCR, les pertes sont de 4 % de son taux de production. Et ainsi de suite, jusqu’a ce qu’un boiler soit simplement maintenu a une pression sans exporter de vapeur a l’usine. A ce stade, 1 % de sa MCR represente une perte de 100 % par rapport a son taux de production de vapeur. Si l’installation de boiler est dimensionnee pour les charges de pointe, des problemes surviennent en raison du surdimensionnement par rapport a la demande moyenne. En pratique, un boiler peut s’arreter pendant une periode de faible demande. Si cela est suivi d’une augmentation soudaine de la demande et que le boiler ne fonctionne pas, une situation d’alarme peut survenir. Les alarmes sonneront, le boiler peut se verrouiller et la reprise de vapeur sera lente et penible. En bref, les pointes sont responsables de :
• Pertes de production.
• Reduction de la qualite du produit.
• Augmentation des temps de production.
• Vapeur de mauvaise qualite du boiler.
• Faible efficacite energetique.
• Couts de maintenance eleves.
• Duree de vie reduite du boiler.

Techniques de nivellement des charges

Les boilers modernes sont tres efficaces lorsqu’ils sont correctement charges et repondent rapidement aux augmentations de charge, a condition que le boiler fonctionne. Cependant, les boilers a corps conventionnels sont generalement incapables de repondre aux grandes demandes de pointe de maniere satisfaisante et devraient etre proteges contre les grandes charges fluctuantes. Diverses methodes sont utilisees dans le but de creer un modele de charge stable pour proteger l’installation de boiler contre les effets des grandes charges fluctuantes.

Methodes d’ingenierie :

Les vannes de maintien de pression (egalement appelees vannes de surplus) peuvent etre utilisees comme dispositifs de delestage en isolant les parties non essentielles de l’installation et en donnant ainsi la priorite a l’equipement essentiel, un arrangement typique est montre a la Figure 3.22.2. Le succes de cette methode depend a nouveau de la severite des pointes et de l’hypothese que le boiler fonctionne lorsque la pointe se developpe. Les vannes de surplus peuvent egalement etre installees directement sur le boiler ou sur la conduite principale de vapeur vers l’usine, comme le montre la Figure 3.22.3. La pression de consigne devrait etre :

• Inferieure a la pression de controle du ‘feu eleve’, pour eviter toute interference du controle de surplus avec les controles du bruleur.
• Suffisamment elevee pour maintenir la pression dans le boiler a un niveau sur. En termes de dimensionnement de la vanne de surplus, l’exigence est une perte de pression minimale. En indication generale, une vanne de taille nominale devrait etre envisagee. Controle de niveau d’eau a deux elements ou trois elements. Ceux-ci peuvent etre efficaces tant que les pointes ne sont pas violentes et que le boiler fonctionne lorsque la pointe se developpe ; le boiler doit egalement avoir une capacite suffisante. Le controle a deux elements utilise les entrees des controles de niveau d’eau du boiler et du debit de vapeur pour positionner la vanne de controle d’eau d’alimentation. Le controle a trois elements utilise les deux elements ci-dessus plus une entree d’un dispositif de mesure du debit d’eau d’alimentation pour controler le debit d’eau d’alimentation entrant, plutot que seulement la position de la vanne de controle d’eau d’alimentation. (Ce troisieme element n’est approprié que sur les boilers utilisant un controle de niveau modulant dans les salles de boilers avec une conduite annulaire d’eau d’alimentation.) Exemple 3.22.1 Un boiler est rated a 5 000 kg/h ‘From and At’ Les reglages de pression feu haut/bas sont de 11,3/12,0 bar g respectivement (12,3/13,0 bar a). Le reglage de la vanne de surplus est de 11,0 bar g (12,0 bar a).

1. Base sur une vitesse d’environ 25 m/s, une conduite principale de vapeur de 100 mm serait selectionnee.
2. Le Kvs d’une vanne de controle de surplus DN100 standard est de 160 m³/h
3. En utilisant l’equation de debit massique suivante pour la vapeur saturee, la pression en aval de la vanne de surplus (P2) peut etre calculee : Dans cet exemple, en regime de feu bas, la pression du boiler est de 12 bar g (13 bar a). On peut calculer a partir de l’Equation 3.21.2 que la pression apres la vanne de surplus completement ouverte est de 11,89 bar g (12,89 bar a). En consequence, la perte de pression est faible (0,11 bar) et ne serait pas significative en fonctionnement normal. Cependant, si la pression devait tomber a 11,0 bar g, la vanne de surplus commencera a se fermer pour maintenir la pression en amont. La bande proportionnelle du controleur devrait etre reglee aussi etroitement que possible sans que la vanne ne ‘chasse’ autour du point de consigne. Les deux methodes d’application des vannes de maintien de pression peuvent fournir une protection a l’installation de boiler, mais elles ne surmonteront pas le besoin fondamental de plus de vapeur pour le processus.

Methodes de gestion

Celles-ci comprennent, par exemple, des demarrages echelonnes sur les processus pour maintenir les charges de pointe aussi basses que possible. Cette methode de lissage des pointes peut etre benefique pour l’installation de boiler mais peut etre prejudiciable et restrictive pour la production, ayant a peu pres le meme effet que la vanne de maintien de pression. Il est cependant impossible de lisser les pointes a court terme en utilisant uniquement des methodes de gestion. Dans une usine ou il y a de nombreux processus individuels imposant de telles pointes, il est possible que cela ait un effet de nivellement sur la charge, mais de maniere egale, il est egalement possible que les nombreux processus individuels atteignent leur pointe simultanement, avec des effets desastreux. Si les methodes ci-dessus ne fournissent pas la stabilite requise de la demande, il est peut-etre temps d’envisager un moyen de stocker la vapeur.

Le steam accumulator

Le moyen le plus approprié pour fournir de la vapeur seche propre instantanement, pour repondre a une demande de pointe, est dutiliser une methode de stockage de vapeur pour qu'elle puisse etre 'liberee lorsque necessaire. Stocker de la vapeur sous forme gazeuse sous pression n’est pas pratique en raison de l’énorme volume de stockage requis aux pressions normales du boiler. Ceci est mieux explique dans un exemple : Dans l’exemple utilise plus loin dans ce Module, un recipient d’un volume de 52,4 m³ est utilise.

• La pression de charge est de 10 bar g (volume specifique = 0,177 m³/kg).
• La pression de decharge est de 5 bar g (volume specifique = 0,315 m³/kg). Base sur ces parametres, l’energie stockee resultant et prete pour une liberation instantanee vers l’installation est contenue dans 130 kg de vapeur. Cela ne represente que 5,2 % de l’energie stockee et prete a l’utilisation, par rapport a un accumulateur rempli d’eau. En pratique, il y a deux manieres de generer de la vapeur :
• En ajoutant de la chaleur a l’eau bouillante, indirectement via un tube de combustion et un bruleur, comme dans un boiler conventionnel.
• En reduisant la pression sur l’eau stockee a sa temperature de saturation. Cela resulte en un excedent d’energie dans l’eau, ce qui provoque une proportion de l’eau a se transformer en vapeur. Ce phenomene est connu sous le nom de ‘flash’, et l’equipement utilise pour stocker l’eau sous pression est appele steam accumulator. Il y a, en principe, deux types de systemes disponibles pour le stockage de vapeur ; l’accumulateur a chute de pression et l’accumulateur a pression constante. Ce module ne considere que le premier type. Un steam accumulator est, essentiellement, une extension de la capacite de stockage d’energie du/des boiler(s). Lorsque la demande de vapeur de l’installation est faible, et que le boiler est capable de generer plus de vapeur que necessaire, la vapeur excedentaire est injectee dans une masse d’eau stockee sous pression. Sur une certaine periode, le contenu en eau stockee augmentera en temperature et en pression jusqu’a ce qu’il atteigne finalement la temperature de saturation pour la pression a laquelle le boiler fonctionne. La demande depassera la capacite du boiler lorsque :
• Une charge est appliquee plus rapidement que la capacite du boiler a repondre - par exemple, le(s) bruleur(s) peut/peuvent etre eteint(s) et un cycle de purge doit etre complete avant que le bruleur puisse etre allume en toute securite. Cela peut prendre jusqu’a 5 minutes, et plutot que d’ajouter de la chaleur au boiler, le cycle de purge aura en fait un leger effet de refroidissement sur l’eau du boiler. Ajoutez a cela le fait que le flash de l’eau du boiler provoquera une chute du niveau d’eau, et le systeme de controle de niveau du boiler compensera automatiquement en introduisant de l’eau d’alimentation a, par exemple, 90°C. Cela aura un effet de trempe sur l’eau deja a la temperature de saturation, et aggravera la situation.
• Une forte demande se produit sur une periode plus longue que la normale. Dans les deux cas, le resultat est une chute de pression dans le steam accumulator, et en consequence une partie de l’eau chaude se transformera en vapeur. Le rythme auquel l’eau se transforme en vapeur est fonction de la pression de stockage, et du rythme auquel la vapeur est requise par le systeme alimente. Charging Le steam accumulator a chute de pression consiste en un recipient sous pression cylindrique partiellement rempli d’eau, a un point entre 50 % et 90 % de remplissage selon l’application. La vapeur est chargee sous la surface de l’eau par un collecteur de distribution, qui est equipe d’une serie d’injecteurs de vapeur, jusqu’a ce que tout le contenu en eau soit a la pression et la temperature requises. Il est naturel que le niveau d’eau monte et baisse pendant la charge et la decharge. Si le steam accumulator est charge avec de la vapeur saturee (ou humide), il peut y avoir un petit gain d’eau en raison des pertes de rayonnement du recipient. Normalement, une masse de vapeur legerement superieure est dechargee que celle qui est admise. Un purgeur de vapeur (type flotteur a balle) est installe au niveau de fonctionnement et agit comme un limiteur de niveau, evacuant la petite quantite d’eau excedentaire vers le systeme de retour de condensat. Cependant, si le steam accumulator etait charge avec de la vapeur surchauffee, ou si les pertes de rayonnement sont tres faibles, il y aurait une perte graduelle d’eau due a l’evaporation, et une vanne d’alimentation ou une pompe, sous le controle de sondes de niveau, serait necessaire pour compenser le deficit. Decharge Lorsquune chute de pression se produit dans un steam accumulator avec l'eau stockee a la temperature de saturation, du flash steam sera genere au rythme demande par toute charge superieure a la capacite du boiler ; par consequent, la condition de surcharge sera satisfaite. Lorsque la surcharge est suivie d'une demande inferieure a la capacite du boiler, le steam accumulator est charge en utilisant la vapeur excedentaire du boiler. Ce cycle de charge et decharge explique le nom de 'steam accumulator et permet continuellement au boiler de fonctionner jusqu’a sa puissance nominale continue maximale. Le cycle charge/decharge L’accumulateur doit etre completement charge au debut de sa periode de decharge, pour fonctionner correctement. Pour permettre cela, deux evenements principaux doivent etre satisfaits :

1. Assez de temps doit etre disponible entre la fin d’une periode de surcharge et le debut de la suivante, pour recharger l’eau stockee dans l’accumulateur.
2. La demande de vapeur hors charge moyenne doit etre inferieure a la capacite du boiler (la puissance nominale continue maximale ou MCR), de sorte qu’une capacite excedentaire suffisante du boiler soit disponible pour recharger l’eau stockee dans l’accumulateur pendant les heures creuses. D’autres criteres sont egalement importants pour s’assurer que l’accumulateur a assez de capacite, et ceux-ci doivent etre satisfaits par la conception :
3. Assez d’eau doit etre stockee pour fournir la quantite requise de flash steam pendant la periode de decharge. Cela peut etre satisfait en s’assurant que le volume de l’accumulateur est assez grand.
4. Des taux de liberation de vapeur plus eleves produiront de la vapeur humide. La vitesse et le debit auxquels le flash steam est libere de la surface de l’eau doivent etre inferieurs a une valeur predeterminee. Cela peut etre satisfait en s’assurant que la surface de l’eau est assez grande, ce qui, a son tour, depend de la taille de l’accumulateur.
5. La capacite d’evaporation doit etre suffisante. Cela depend de la pression a laquelle l’eau est stockee lorsqu’elle est completement chargee (la pression du boiler) et de la pression minimale a laquelle l’accumulateur fonctionnera a la fin de la periode de decharge (la pression de conception de l’accumulateur). Plus le differentiel entre ces deux pressions est grand, plus de flash steam sera produit.
6. La pression de conception de l’accumulateur doit etre superieure a la pression de distribution en aval. C’est necessaire pour creer un differentiel de pression a travers la vanne de reduction de pression (PRV) en aval, pour permettre le flux requis de l’accumulateur vers l’installation. Plus la pression de l’accumulateur est proche de la pression de distribution, plus l’accumulateur est petit, mais cela donne egalement un differentiel de pression plus petit a travers la PRV. Cela necessite une PRV plus grande ; assez grande pour debiter la demande de surcharge maximale lorsque l’accumulateur est a sa pression de conception (la pression minimale dans l’accumulateur a la fin de la periode de decharge).

Dimensionnement d’un steam accumulator

Un steam accumulator dans le systeme de vapeur donne une capacite de stockage accrue. La conception correcte du steam accumulator garantit que tout debit peut etre pris en charge. Il n’y a pas de limites theoriques a la taille d’un steam accumulator, mais bien sur des considerations pratiques imposeront des restrictions. En pratique, le volume du steam accumulator est base sur le stockage necessaire pour repondre a une demande de pointe, avec une chute de pression admissible, tout en fournissant de la vapeur seche propre a une vitesse de liberation de vapeur appropriee de la surface de l’eau. L’Exemple 3.22.2 ci-dessous est utilise pour calculer le potentiel de capacite de vapeur dans un steam accumulator horizontal. Exemple 3.22.2 Boiler : Puissance nominale continue maximale = 5 000 kg/h Pression de travail normale = 10 bar g (hf = 781 kJ/kg, d’apres les tables de vapeur) Differentiel de commutation du bruleur = 1 bar (0,5 bar de chaque cote de 10 bar g) Besoins de l’installation : Surcharge instantanee maximale = 12 000 kg/h Pression de distribution = 5 bar g Bien que la surcharge instantanee maximale soit de 12 000 kg/h, la valeur moyenne de la surcharge doit etre utilisee pour dimensionner l’accumulateur. Cela evite le surdimensionnement inutile de laccumulateur. De maniere egale, il est necessaire de determiner et d'utiliser la charge moyenne 'hors pointe dans le calcul de dimensionnement. La charge hors pointe est toute charge inferieure a la MCR du boiler. Trouver la valeur moyenne de la surcharge et de la charge hors pointe Il y a trois methodes possibles pour etablir les charges moyennes pour l’installation de boiler existante :

1. Estimer, base sur l’experience.
2. Interroger les graphiques de sortie de vapeur du boiler existant pour etablir les charges moyennes et les periodes sur lesquelles elles se produisent.
3. Programmer l’ordinateur d’un compteur de vapeur pour integrer la charge de vapeur sur les periodes de surcharge et de charge hors pointe. La methode 1 pourrait s’averer plutot risquee, si un accumulateur cher se retrouvait trop petit.

Cependant, si l’installation de boiler est encore au stade de la conception, une estimation eclairee sera la seule option. De la connaissance du concepteur de l’installation, il devrait etre possible de donner une estimation raisonnable de la charge maximale de l’installation, de la diversite des charges, et des periodes sur lesquelles elles se produisent.

La methode 2 est assez facile a executer, et devrait donner un resultat raisonnablement precis.

La methode 3 fournirait les resultats les plus precis, et le cout du compteur de vapeur est faible par rapport au cout global d’un projet d’accumulateur.

La procedure suivante montre comment determiner les charges de vapeur moyennes a partir d’un graphique existant enregistrant le modele de charge. La procedure est construite a partir de la Figure 3.22.4, qui montre le modele de debit pour l’Exemple 3.22.2.

Controles et accessoires du steam accumulator

Ce qui suit est un examen de l’equipement necessaire pour une installation de steam accumulator, avec quelques conseils sur le dimensionnement et la selection de l’equipement approprié. En utilisant les chiffres de l’Exemple 3.22.2 : Boiler : Puissance nominale continue maximale = 5 000 kg/h Pression de travail normale = 10 bar g Accumulateur : Masse d’eau necessaire pour le stockage de vapeur = 65 920 kg (completement charge et 90 % du volume du recipient) P1 (pression du boiler) = 10 bar g (completement charge) P2 (pression de decharge) = 6 bar g (completement decharge) Besoins de l’installation : Pression = 5 bar g Plus grande surcharge moyenne = 10 300 kg/h pendant 30 minutes toutes les 95 minutes, dont 5 000 kg/h sont fournis par le boiler. De ces chiffres, on peut deduire que 65 920 kg d’eau doivent etre chauffes de la temperature de saturation a 6 bar g a la temperature de saturation a 10 bar g en 95 minutes. Tuyauterie La tuyauterie entre le boiler et le steam accumulator doit etre dimensionnee, selon la pratique normale, sur une vitesse de vapeur de 25 a 30 m/s et la sortie maximale du boiler. Dans le cas de l’Exemple 3.22.2, cela necessiterait une conduite DN100 du boiler a l’accumulateur, pour transporter la puissance nominale continue maximale (MCR) du boiler de 5 000 kg/h @ 10 bar g. La tuyauterie de l’accumulateur a la PRV en aval doit etre dimensionnee sur la surcharge instantanee maximale et une vitesse de pas plus de 20 m/s. Cela necessiterait un tuyau de diametre nominal DN250 pour cet exemple, avec une pression de conception de l’accumulateur de 6 bar g. Vanne d’arret Une vanne d’arret de taille nominale est requise en plus de la vanne couronne du boiler. Une vanne d’arret correctement dimensionnee, de preference en acier moulé, serait approprié. Clapet de non-retour Un clapet de non-retour de taille nominale est requis pour empecher le flux inverse de vapeur vers le boiler en cas d’arret intentionnel du boiler, ou peut-être, de verrouillage du boiler. Un clapet a disque serait un choix approprié. Vannde de surplus La vanne de surplus est essentielle pour garantir que le rythme auquel la vapeur circule du boiler a l’accumulateur est dans la capacite du boiler. L’Exemple 3.22.1 montre comment la vanne serait dimensionnee. Des vannes de surplus auto-actionnees pilotees peuvent etre utilisees dans les plus petites installations, a condition que la bande proportionnelle etroite (et non reglable) soit acceptable. Un controleur pneumatique et une vanne de controle sont plus appropriés pour les installations plus grandes, et offrent l’avantage d’une bande proportionnelle reglable. Pour cette application, une vanne de controle DN100 a commande pneumatique avec une capacite de fonctionnement et de fermeture appropriee serait selectionnee.

Equipement d’injection de vapeur

Une conduite d’entree de vapeur correctement dimensionnee doit alimenter bien en dessous du niveau de la surface de l’eau et dans un systeme de collecteur/rampe de distribution de vapeur tel que celui montre a la Figure 3.22.6. La vapeur est injectee dans l’eau. Il est important de rappeler que la capacite de l’injecteur diminuera a mesure que la pression dans le recipient augmente, car la pression differentielle entre la vapeur injectee et la pression du recipient est reduite. A des debits tres faibles, la vapeur aura tendance a sortir des injecteurs les plus proches de la conduite d’entree de vapeur. La conception de(s) conduite(s) d’entree et du systeme de collecteur, ainsi que le placement des injecteurs, doivent fournir une injection uniforme de vapeur sur toute la longueur de l’accumulateur, quel que soit le debit reel de vapeur. La decharge des injectors sera de l’eau tres chaude et de la vapeur, avec possiblement des bulles de vapeur condensante, a une vitesse tres elevee, favorisant la turbulence et le melange dans la masse d’eau. Ils ne devraient pas se decharger directement contre, ou pres des, parois du recipient. Une installation anglee peut donc etre recommandee. Ideallement, ils devraient egalement etre angles dans differentes directions pour aider a une distribution plus uniforme. Un arrangement nominal est montre a la Figure 3.22.6. Dans les recipients tres longs, une distribution plus reguliere peut etre obtenue si deux ou plusieurs conduites d’entree sont utilisees. Dans de tels cas, il est tres important que les conduites d’entree soient soigneusement assemblees ensemble depuis la conduite d’alimentation principale. Tous les injecteurs devraient etre installes aussi bas que possible dans l’accumulateur pour assurer la hauteur de liquide maximale possible au-dessus d’eux. Il peut egalement etre approprié d’installer les injecteurs avec un leger angle pour eviter l’erosion du recipient. Les tableaux de dimensionnement des fabricants donneront la valeur Kvs des injecteurs de vapeur (voir Tableau 3.22.2) En utilisant les donnees du Tableau 3.22.2 et en se referant a la Figure 3.22.8, un extrait du tableau de dimensionnement de la vapeur saturee Figure 3.22.9 :

1. Tracez une ligne horizontalement vers la droite depuis l’axe ‘x’ a 11 bar a (10 bar g) jusqu’a ce qu’elle croise la ligne de chute de pression critique, point (A).
2. Tracez une ligne verticalement vers le bas du graphique depuis le point (A) jusqu’a ce qu’elle croise la valeur Kvs de l’injecteur, point (B), (Par exemple Kvs 5,8 pour un injecteur IM25M).
3. Tracez une ligne horizontalement vers la gauche, jusqua ce qu'elle croise l'axe 'y, point (C). La valeur affichee sera la capacite de l’injecteur. (Environ 760 kg/h pour cet exemple).

Dimensionnement et quantification des injecteurs

L’exercice ci-dessus donne une capacite de 760 kg/h pour un injecteur ; mais cela ne concerne que le debut de la periode de charge, lorsque la pression du recipient est a son niveau le plus bas, et la capacite de l’injecteur a son niveau le plus eleve. Il faut se rappeler que, a mesure que plus de vapeur est injectee dans le recipient, la pression du recipient augmentera, reduisant effectivement les capacites des injecteurs, jusqu’a ce que la pression du recipient puisse eventuellement s’egaliser avec la pression du boiler, et aucun flux ne peut se produire. A cause de cela, il n’est pas pratique d’utiliser le debit (le plus eleve) unique, 760 kg/h dans cet exemple. Au lieu de cela, il est necessaire de trouver le taux d’injection moyen sur la periode de charge. Cela peut etre fait en utilisant l’Equation 3.21.2 pour calculer le debit a differentes pressions du recipient. Dans cet exemple, la pression du recipient variera entre 6 bar g et 10 bar g. Plus le nombre de pressions prises est grand, plus la precision est grande, mais en general, prendre des increments a 10 % de la difference entre la pression du boiler et la pression d’accumulation donnera une valeur moyenne fiable. Le Tableau 3.22.3 montre les calculs pour un injecteur IN25 (1”) avec un Kv de 5,8. Le debit total de 6 076 kg/h est divise par le nombre d’entrees. Il faut se rappeler d’inclure l’entree zero egalement ; d’ou il y a onze entrees a considerer. On peut voir que le debit moyen de 553 kg/h est quelque peu inferieur a la capacite maximale de 759 kg/h. Si la capacite maximale etait utilisee pour quantifier le nombre d’injecteurs, alors pas assez d’injecteurs seraient choisis. Le nombre d’injecteurs requis peut etre determine en divisant le debit de vapeur par la quantite qu’un seul injecteur peut fournir. Note : Un certain nombre de plus petits injecteurs seraient preferables a un grand injecteur pour assurer un melange correct dans le steam accumulator. Ce tableau de dimensionnement est empirique et ne devrait pas etre utilise pour les applications critiques

Calcul du temps necessaire pour recharger le recipient

D’apres les modeles de charges montrés a la Figure 3.22.4, il a ete demontre que le temps minimum entre les cycles de charge est de 95 minutes. Il est maintenant necessaire de verifier que le recipient peut etre recharge en moins de temps que cela. Il a ete demontre que la quantite de vapeur utilisee pendant la periode de decharge est de 2 650 kg. Le flux surplus moyen de vapeur disponible pendant la periode de recharge a ete calcule a partir de la Figure 3.22.4 a 2 916 kg/h. Le temps necessaire pour la recharge est proportionnel au rapport de la masse de vapeur utilisee pendant la decharge au taux de vapeur excedentaire circulant pendant la periode hors pointe : Comme le temps de recharge requis est inferieur au temps entre le cycle de surcharge le plus court de 95 minutes, l’equilibre entre le temps de surcharge et le temps de recharge peut etre satisfait par l’accumulateur.

Par consequent, la taille de l’accumulateur de 7 metres de long sur 4 metres de diametre fournit une capacite suffisante pour cet exemple particulier.

Manometre

Un manometre avec une gamme appropriee est requis pour montrer la pression dans le steam accumulator. Ideallement, il devrait etre marque pour montrer :

• La pression minimale (pression de vapeur de l’installation).
• La pression maximale (pression de vapeur du boiler).
• La pression de travail maximale du recipient.

Soupape de securite

Si la pression de travail maximale de l’accumulateur est egale ou superieure a celle du boiler, alors une ou plusieurs soupapes de securite peuvent ne pas etre necessaires. Cependant, l’utilisateur peut etre preoccupé par d’autres scenarios moins evidents. Par exemple, en cas d’incendie dans l’installation, si l’accumulateur etait completement charge et que toutes les entrees et sorties etaient fermees, la pression dans l’accumulateur pourrait augmenter. Une discussion avec l’inspecteur d’assurance serait essentielle avant de prendre une decision. Comme pour toutes les installations de soupapes de securite, la decharge devrait etre vers une zone sure a travers un tuyau de ventilation adequatement dimensionne, qui est correctement draine.

Purgeur d’air et briseur de vide

Lorsque le steam accumulator demarre a froid, l’espace vapeur est plein d’air. Cet air n’a pas de valeur thermique, en fait il affectera negativement les performances de l’installation de vapeur (comme demontre par la loi de Dalton) et aura egalement l’effet de couvrir les surfaces d’echange de chaleur. L’air provoquera egalement de la corrosion dans le systeme de condensat. L’air peut etre purge en utilisant un robinet simple, normalement laisse ouvert jusqu’a ce que le steam accumulator soit sous pression a environ 0,5 bar. Une alternative au robinet est un purgeur d’air a pression equilibree, qui non seulement libere l’operateur de l’installation de boiler de la tache de purger manuellement l’air (et donc de s’assurer que cela est effectivement fait), mais est egalement plus fiable pour purger tout autre gaz qui s’accumule dans le recipient pendant l’utilisation. Inversement, lorsque le steam accumulator est mis hors ligne, la vapeur dans l’espace vapeur se condense et laisse un vide. Ce vide exerce une pression sur le recipient depuis l’exterieur, et peut provoquer des fuites d’air a travers les portes d’inspection. Un briseur de vide evitera cette situation.

Robinet de vidange

Cette vanne serait utilisee pour vider le recipient pour les travaux de maintenance et d’inspection. Une vanne DN40 serait appropriee pour la taille de l’accumulateur dans l’Exemple 3.22.2.

Trop-plein

Un purgeur a flotteur a balle avec purgeur d’air thermostatic integre doit etre installe comme dans la Figure 3.22.10. Lorsqu’il est installe comme indiqué, le niveau d’eau dans l’accumulateur ne depassera pas ce point parce que le purgeur fonctionnera comme une vanne de trop-plein automatique. Lorsque le niveau d’eau baisse, c’est-a-dire lorsque la vapeur est prelevee a un rythme plus rapide qu’elle n’est remplacee, le purgeur se fermera automatiquement pour empecher l’echappement de la vapeur. L’utilisation d’un purgeur a flotteur avec capsule thermostatique integree comme dispositif de limitation de niveau, offre l’avantage supplementaire de la purge d’air. Le purgeur devrait etre installe pres du tube indicateur de niveau. La decharge du purgeur devrait etre dirigee vers le feedtank du boiler, en veillant a eviter une contre-pression excessive ou une elevation. La taille du purgeur a flotteur/thermostatique variera selon la taille de l’accumulateur, et serait generalement de taille DN32 ou DN40 pour l’Exemple 3.22.2.

Indicateur de niveau d’eau

La variation de niveau dans le steam accumulator ne sera pas grande car seulement environ 5 % de la masse d’eau se transformera en vapeur, cependant, un moyen de visualiser le niveau d’eau est essentiel. Evidemment, l’indicateur devrait etre dimensionne pour fonctionner a la pression de travail maximale du steam accumulator. Cependant, du point de vue du stockage et de la standardisation de l’installation, il y a un interet a utiliser un indicateur identique a celui du boiler. Seul un seul tube indicateur de niveau est requis.

Station de reduction de pression

Une station de reduction de pression est installee sur la decharge. A mesure que la vanne de reduction de pression s’ouvre pour maintenir la pression en aval, une reduction de pression se produit dans le steam accumulator provoquant la transformation d’une partie de l’eau en vapeur. La vanne de reduction de pression devrait etre dimensionnee sur les donnees suivantes : P1 = Pression de l’accumulateur (6 bar g dans l’exemple) P2 = Pression de l’installation (5 bar g dans l’exemple) ΔP = 6 - 5 = 1 bar Debit = Debit de surcharge maximal (12 000 kg/h dans l’exemple) Une vanne appropriee peut maintenant etre selectionnee soit a partir des tableaux de dimensionnement du fabricant, soit en utilisant le tableau de dimensionnement de la vapeur saturee montre a la Figure 3.22.9. Pour les tailles jusqu’a DN80, une vanne auto-actionnee pilotee serait appropriee, tandis qu’une vanne de controle a commande pneumatique est appropriee pour les tailles plus grandes.

Tuyauterie

Il est approprié a ce stade de verifier que la tuyauterie entre la station de reduction de pression du steam accumulator et l’installation est correctement dimensionnee. Ce tuyau devrait etre dimensionne selon la pratique normale sur une vitesse de vapeur de 25 a 30 m/s, mais en utilisant le debit de pointe du steam accumulator a la pression de l’installation, dans ce cas 5 bar g.

Dispositions typiques des steam accumulators :

La Figure 3.22.11 montre toute la vapeur generee par l’installation de boiler passant par le steam accumulator. C’est la disposition la plus moderne generalement preferee. La disposition montree a la Figure 3.22.12 etait plus couramment utilisee dans le passe et est toujours utile lorsque le steam accumulator doit etre situe a une certaine distance de la conduite principale de vapeur. Cependant, les clapets de non-retour devraient etre verifies regulierement, car une combinaison de vannes ‘collees’ et ‘fuyantes’ peut entrainer que de la vapeur soit chargee dans le steam accumulator au-dessus de la surface de vapeur, ce qui n’apporte aucun avantage. La Figure 3.22.13 montre une disposition ou de la vapeur a la pression du boiler est requise ainsi que de la vapeur a une pression inferieure. Certaines applications de processus ne peuvent pas tolerer la vapeur basse pression, et de la vapeur a la pression du boiler peut etre requise en tout temps (generalement pour un processus de sechage). Si une charge de pointe est causee par les utilisateurs haute pression, la vanne de maintien de pression dans la Figure 3.22.13 detecterait une chute de pression, et modulerait vers son siege, reservant ainsi la vapeur haute pression aux utilisateurs haute pression, laissant ainsi le steam accumulator fournir la demande basse pression pendant cette periode. De cette maniere, le systeme fournit une charge fluctuante basse pression via le steam accumulator et le debit maximum possible pour la charge haute pression est assure par l’action de la vanne de maintien de pression. Dans la Figure 3.22.14, le boiler produit de la vapeur a sa pression de conception normale, par exemple 10 bar, et la vapeur circule vers des charges variables qui ne necessitent pas plus de, par exemple 5 bar. La vanne de reduction de pression A reduit la pression entre le collecteur du boiler et la conduite principale de distribution dans l’installation, repondant a la pression detectee dans la conduite 5 bar. Si la demande de vapeur devait depasser la capacite de cette alimentation du boiler, et que la pression dans la conduite principale basse pression tombe en dessous de, par exemple 4,8 bar, la vanne B commencera a s’ouvrir et a completer l’alimentation. Cela preleve de la vapeur du steam accumulator, et sur une periode prolongee, la pression du steam accumulator baissera. La vanne B repond a la pression en aval dans la conduite de distribution, agissant ainsi egalement comme une vanne de reduction de pression. Sa capacite devrait correspondre au taux de decharge permis pour le steam accumulator, et elle sera plus petite que la vanne de reduction de pression A. La vanne C est une vanne de maintien de pression, repondant a la pression du boiler. Si la pression augmente en raison d’une demande reduite de l’installation, la vanne de maintien de pression C s’ouvre. La vapeur est alors admise dans le steam accumulator qui est recharge vers sa pression maximale, un peu en dessous de la pression du boiler. La vanne de reduction de pression B sera fermee a ce moment parce que l’installation recoit suffisamment de vapeur a travers la vanne de reduction de pression (partiellement fermee) A.

Considerations pratiques pour les steam accumulators

By-pass Dans toute installation, le directeur technique doit s’efforcer de fournir au moins un service minimal dans le cas ou le steam accumulator et son equipement associe necessite une maintenance ou tombe en panne. Cela comprendra la mise en place d’une isolation adequate et sure de l’accumulateur avec des vannes, et peut-etre un moyen de proteger le boiler contre la surcharge si les grands changements de demande ne peuvent pas etre evites. La solution la plus evidente ici est une vanne de maintien de pression de secours.

Conclusion

Les steam accumulators ne sont pas des reliques du passe. En effet, bien au contraire. Les steam accumulators ont ete installes dans toute l’industrie moderne, y compris la bio-technologie, la sterilisation hospitaliere et industrielle, les bancs d’essai de produits, l’imprimerie et la fabrication alimentaire, ainsi que des industries plus traditionnelles telles que les brasseries et les teintureries. Les boilers modernes sont devenus plus petits et il y a egalement une augmentation de l’utilisation de petits boilers a tubes d’eau, boilers a serpentin et boilers annulaires, tous efficaces, mais qui reduisent la capacite thermique du systeme et le rendent vulnerable aux problemes de charge de pointe. Il existe de nombreuses autres applications pour les steam accumulators. Pour les pointes a long terme que l’installation de boiler doit finalement gerer, un steam accumulator peut etre utilise pour stocker, par exemple, 5 minutes du debit de pointe, laissant le temps a l’installation d’atteindre la production appropriee en toute securite. Les steam accumulators peuvent egalement etre utilises avec des boilers a electrodes ou a elements chauffants immerges de sorte que la vapeur puisse etre generee en heures creuses, stockee, et utilisee pendant les heures de pointe. Les possibilites sont infinies. En resume, le steam accumulator est un outil efficace, car il pourrait bien fournir la maniere la plus rentable de fournir de la vapeur a un processus par lots. Remerciement Spirax Sarco remercie l’aide et les informations fournies par : Wilson Steam Storage Ltd., Chesterfield, Derbyshire, S41 8NG