Collecteurs et prises de vapeur

Ce tutoriel examine les dispositions des collecteurs de vapeur et autres considerations de conception necessaires pour un rechauffage efficace, une bonne qualite de vapeur et une distribution correcte de la vapeur depuis la salle des boilers.

Collecteurs et prises de vapeur

Les boilers a corps sont fabriques pour des capacites allant jusqu’a environ 27 000 kg/h de vapeur. Lorsque des charges superieures a cela sont requises, deux boilers ou plus sont connectes en parallele, avec une installation de quatre boilers ou plus n’etant pas rare. La conception du collecteur de vapeur interconnecteur est tres importante. La Figure 3.8.1 montre une methode courante de connexion de quatre boilers : une methode qui est frequemment source de problemes. En se referant a la Figure 3.8.1, avec tous les boilers fonctionnant a la meme pression, la pression au point A doit etre inferieure a celle au point B pour que la vapeur circule du point B vers l’installation. Par consequent, il doit y avoir une plus grande perte de pression entre le boiler numero 4 et le point A que le boiler numero 3 et le point B, tandis que la difference entre ces deux pertes de pression se produit entre A et B.

Le debit depend de la perte de pression, il s’ensuit que le boiler numero 4 evacuera plus de vapeur dans le collecteur commun que le boiler numero 3. De meme, le boiler numero 3 evacuera plus que le numero 2, et ainsi de suite. L’effet net est que si le boiler numero 1 est pleinement charge, les autres boilers sont progressivement surcharges, l’effet s’aggravant au plus pres de la prise finale.

On peut montrer que, typiquement, si le boiler numero 1 est pleinement charge, le numero 2 sera surcharge d’environ 1 %, le numero 3 d’environ 6 %, et le numero 4 d’environ 15 %. Bien que les boilers a corps puissent faire face a des conditions de surcharge occasionnelles de 5 %, une surcharge de 15 % est indesirable.

La vitesse de sortie de vapeur augmente depuis le boiler et cree une surface d’eau extremement volatile, et le systeme de controle de niveau pourrait ne pas parvenir a controler.

A des charges elevees, dans cet exemple, le boiler numero 4 se verrouillerait, projetant un systeme deja instable sur les trois boilers restants, qui se verrouilleront bientot egalement.

L’observation principale est que cette conception de collecteur de distribution ne permet pas aux boilers de partager la charge de maniere egale.

L’objectif devrait etre que les pertes de pression entre chaque sortie de boiler et la prise du collecteur vers l’installation soient dans les 0,1 bar. Cela minimisera l’entrainement et aidera a prevenir la surcharge et le verrouillage des boilers.

La disposition montree a la Figure 3.8.2 montre une conception amelioree d’un nouveau collecteur. Le collecteur est concu pour se decharger depuis le centre, plutot qu’a une extremite. De cette maniere, aucun boiler ne sera surcharge par le collecteur de plus de 1 %, a condition que la tuyauterie du collecteur soit correctement dimensionnee.

Une meilleure disposition est montree a la Figure 3.8.3 pour une installation de quatre boilers ou plus, un peu comme un arbre genealogique, ou la charge sur chaque boiler est repartie de maniere egale. Cette disposition est recommandee pour les boilers lourdement charges, avec un controle de sequencage ou un ou plusieurs sont regulierement hors ligne.

Il est souligne qu’une conception correcte du collecteur evitera beaucoup de problemes et de depenses plus tard. Une conception correcte du collecteur de boiler sur les applications multi-boilers aboutira toujours a un fonctionnement bien equilibre.

Prises de vapeur

Apres avoir examine la disposition generale du collecteur de vapeur, les conditions suivantes doivent etre assurees :

• Que de la vapeur seche est exportee vers l’installation.
• Que l’operation de rechauffage est correctement controlee.
• Que la vapeur est correctement distribuee a l’installation.
• Qu’un boiler ne peut pas accidentellement mettre un autre sous pression.

Entrainement d’eau

Lorsqu’un boiler bien concu genere de la vapeur dans des conditions de charge stables, la fraction de secheresse de la vapeur sera elevee, approximativement de 96 a 99 %. Les changements de charge qui se produisent plus vite que le boiler ne peut repondre affecteront negativement la fraction de secheresse. Un mauvais controle du TDS de l’eau du boiler, ou une contamination de l’eau d’alimentation du boiler, entrainera l’evacuation de vapeur humide du boiler. Un certain nombre de problemes sont associes a cela :

• Les gouttelettes d’eau dans les conduites de vapeur auront tendance a eroder l’interieur de la conduite, et tout autre raccord et vanne, en particulier si les vitesses sont elevees.
• L’eau dans un systeme de vapeur cree un potentiel de coups de belier dangereux.
• L’eau dans la vapeur ne contient pas l’enthalpie d’evaporation pour laquelle l’installation a ete concue, donc la transporter vers l’installation est inefficace.
• L’eau entrainee avec la vapeur d’un boiler contiendra inevitablement des solides dissous et en suspension, qui peuvent contaminer les controles, les surfaces de transfert de chaleur, les purgeurs de vapeur et le produit. Pour ces raisons, un separateur pres du boiler est recommande. Les separateurs fonctionnent en forcant la vapeur a changer rapidement de direction. Cela resulte en la separation des particules d’eau beaucoup plus denses de la vapeur en raison de leur inertie, puis encouragees a graviter vers le bas du corps du separateur, ou elles s’accumulent et sont evacuees via un purgeur de vapeur.

Rechauffage

Il est essentiel que lorsqu’un boiler est mis en ligne, cela soit fait de maniere lente, sure et controlee pour eviter :

• Les coups de belier - Ou de grandes quantites de condensat se trouvent a l’interieur de la conduite et sont ensuite poussees le long de la conduite a des vitesses de vapeur. Cela peut entrainer des dommages lorsque l’eau frappe une obstruction dans la conduite, par exemple une vanne de controle.
• Le choc thermique - Ou la tuyauterie est chauffee si rapidement que l’expansion est non controlee, creant des contraintes dans la tuyauterie et provoquant de grands mouvements sur les supports de conduites.
• **Lamorcage** - Ou une reduction soudaine de la pression de vapeur causee par une grande charge appliquee soudainement peut entrainer que l'eau du boiler soit aspiree dans la tuyauterie. Non seulement cela est mauvais pour le fonctionnement de l'installation, le boiler peut souvent se 'verrouiller et il faudra un certain temps pour remettre le boiler en etat de fonctionnement. L’eau dechargee peut egalement provoquer des coups de belier dans la tuyauterie. La periode de rechauffage pour chaque installation sera differente et dependra de nombreux facteurs. Un petit boiler basse pression dans une installation compacte telle qu’une blanchisserie, par exemple, pourrait etre amene a la pression de fonctionnement en moins de 15 minutes. Un grand complexe industriel peut prendre plusieurs heures. Le point de depart, lorsqu’on met en service en toute securite un petit boiler, est la vanne d’arret principale, qui devrait etre ouverte lentement.

Sur les installations plus grandes, cependant, le rythme de rechauffage est difficile a controler en utilisant la vanne d’arret principale. C’est parce que la vanne d’arret principale est concue pour fournir une bonne isolation ; elle a un siege plat qui signifie que toute la force exercee en tournant la poignee agit directement sur le siege, assurant ainsi une bonne etancheite sous pression. Cela signifie egalement que la vanne n’est pas caratcterisee et passera approximativement 80 % de sa capacite dans les 10 premiers pourcents de son mouvement.

Pour cette raison, c’est une bonne pratique d’installer une vanne de controle apres la vanne d’arret principale. Une vanne de controle a un obturateur profile, ce qui signifie que la relation entre une augmentation du debit et le mouvement de l’obturateur est beaucoup moins severe. Par consequent, le debit, et donc le rythme de rechauffage, est mieux controle.

Un exemple de vanne de controle installee apres la vanne d’arret principale du boiler est montre a la Figure 3.8.4.

Un arrangement typique de rechauffage pourrait etre que la vanne de controle est fermee jusqu’a ce que le boiler soit requis.

A ce stade, un temporisateur a impulsions ouvre lentement la vanne de controle sur une periode predeterminee. Cet arrangement a egalement l’avantage de ne pas necessiter de main-d’oeuvre (sauf si le boiler est rechauffe a froid) pendant la periode de rechauffage du boiler, qui peut etre pendant les heures creuses. Le sujet de la mise en service des boilers est couvert par les directives du HSE au Royaume-Uni. Sur les grands systemes de distribution, une vanne de controle de taille nominale de conduite est encore souvent trop grossiere pour fournir le rechauffage lent requis. Dans ces circonstances, une petite vanne de controle dans une boucle autour d’une vanne d’isolation pourrait etre utilisee. Cela a egalement l’avantage que lorsque des vannes a glissiere parallele sont utilisees pour l’isolation, la pression peut etre egalisee de chaque cote de la vanne avant l’ouverture. Cela les rendra plus faciles a ouvrir, et reduit l’usure. Empecher un boiler d’en mettre un autre sous pression D’apres la BS 2790, Section 8.8.3. Lorsque deux boilers ou plus sont connectes a un collecteur commun, en plus de la vanne d’arret principale du boiler, une deuxieme vanne doit etre incorporee dans la connexion de vapeur, et cette vanne doit pouvoir etre verrouillee en position fermee. Cela permet une meilleure protection pour un boiler hors service lorsqu’il est isole du collecteur de distribution. A moins qu’un clapet de non-retour separe soit installe dans la connexion de vapeur, l’une des deux vannes d’arret doit incorporer une fonction de non-retour. L’objectif de cette section de la Norme britannique est de fournir des conditions de travail sures lorsque le boiler est arrete pour reparation ou inspection. Les clapets de non-retour a volet simple ne sont pas adaptees a cet objectif, car de petits changements dans les pressions du boiler peuvent les faire osciller, placant une charge excessive sur un boiler ou l’autre alternativement. Cela peut, dans des conditions severes, provoquer une surcharge cyclique des boilers. De nombreux cas d’instabilite avec des installations a deux boilers sont causes de cette maniere. Les vannes d’arret principales avec clapets de non-retour integres tendent a moins souffrir de ce phenomene. Alternativement, les clapets de non-retour a disque a ressort peuvent fournir un effet d’amortissement qui tend a reduire les problemes causes par l’oscillation (Figure 3.8.5). La BS 2790 stipule qu’un clapet de non-retour doit etre installe dans cette conduite avec la vanne d’arret principale, alternativement, la vanne d’arret principale doit incorporer un clapet de non-retour integre.

Normes liees aux boilers (Royaume-Uni)

Instrument statutaire 1989 No. 2169 (Les reglementations sur les systemes sous pression et les recipients a gaz transportables 1989) avec le guide associe et le code de pratique approuve. Assurer une distribution correcte de la vapeur Le point de depart du systeme de distribution est la salle des boilers, ou il est souvent pratique que les conduites de vapeur du boiler convergent vers un collecteur de vapeur generalement appele collecteur de distribution principal. La taille du collecteur dependra du nombre et de la taille des boilers et de la conception du systeme de distribution. Dans une grande installation, l’approche la plus pratique est de distribuer la vapeur via une conduite principale haute pression autour du site. La distribution haute pression est generalement preferee car elle reduit les tailles de conduites par rapport aux capacites et aux vitesses. Les pertes de chaleur peuvent egalement etre reduites en raison de diametres de conduites globaux plus faibles. Cela permet de prelever des alimentations en vapeur de la conduite principale, soit directement vers les utilisateurs haute pression, soit vers des stations de reduction de pression fournissant de la vapeur aux utilisateurs locaux a pression reduite. Un collecteur de vapeur dans la salle des boilers fournit un point de depart centralise utile. Il fournit une fonction de separation supplementaire si le separateur du boiler est surcharge, et un moyen de permettre aux boilers connectes de partager la charge du systeme de distribution. Pression de fonctionnement Le collecteur devrait etre concu pour la pression de fonctionnement du boiler et pour se conformer aux Reglementations des systemes sous pression. Il est important de rappeler que les normes de brides sont basees sur la temperature et la pression et que la pression admissible diminue a mesure que la temperature de fonctionnement augmente.

Par exemple, une classification PN16 est de 16 bar a 120°C, mais n’est adaptée que jusqu’a 13,8 bar de vapeur saturee (198°C).

Diametre Le diametre du collecteur devrait etre calcule avec une vitesse de vapeur maximale de 15 m/s dans des conditions de pleine charge. Une faible vitesse est importante car elle aide toute humidite entrainee a se deposer.

Prises Celles-ci devraient toujours etre depuis le haut du collecteur de distribution.

La gravite et la faible vitesse garantiront que tout le condensat tombe au fond du collecteur et en soit evacuate. Cela garantit que seule de la vapeur seche est exportee.

Purge de condensat Il est important que le condensat soit retire du collecteur des qu’il se forme. Pour cette raison, un purgeur mecanique, par exemple un purgeur a flotteur, est le meilleur choix. Si le collecteur est le premier point de purge apres les prises du boiler, le condensat peut contenir des particules d’entrainement et il peut etre utile de drainer ce purgeur de vapeur vers le recipient de blowdown du boiler, plutot que vers le feedtank du boiler.

Lectures connexes :

1. La boucle vapeur et condensat, Bloc 11, ‘Purge de vapeur’

2. La boucle vapeur et condensat, Bloc 10, ‘Distribution de vapeur’