Le feedtank et le conditionnement de l'eau d'alimentation

Tous les aspects de la conception, de la construction et de l’exploitation des feedtanks et semi-deaerators, y compris les calculs.

L’importance du feedtank du boiler, ou l’eau d’alimentation du boiler et l’eau de appoint sont stockees et dans lequel le condensat est retourne, est souvent sous-estimee. La plupart des equipements de l’installation dans la salle des boilers sont dupliques, mais il est rare d’avoir deux feedtanks et cet element crucial est souvent le dernier a etre pris en compte dans le processus de conception. Le feedtank est le principal point de rencontre pour l’eau de appoint froide et le retour de condensat. Il est preferable que les deux, ainsi que le flash steam du systeme de blowdown, circulent a travers des tuyaux de distribution installes bien en dessous de la surface de l’eau dans le feedtank. Les tuyaux de distribution doivent etre en acier inoxydable et etre correctement supports.

Temperature de fonctionnement

Il est important que l’eau dans le feedtank soit maintenue a une temperature suffisamment elevee pour minimiser la teneur en oxygene dissous et autres gaz. La correlation entre la temperature de l’eau et sa teneur en oxygene dans un feedtank peut etre vue a la Figure 3.11.1. Si une proportion elevee d’eau de appoint est utilisee, le rechauffage de l’eau d’alimentation peut reduire considerablement la quantite de produits chimiques de captage d’oxygene requise. Exemple 3.11.1 Economies liees a la reduction de l’oxygene dissous dans l’eau d’alimentation par rechauffage. Base de calcul :

Le taux de dosage standard pour le sulfite de sodium est de 8 ppm par 1 ppm d’oxygene dissous.
Il est courant d’ajouter 4 ppm supplementaires pour maintenir une reserve dans le boiler.
Le sulfite de sodium catalyse liquide typique ne contient que 45 % de sulfite de sodium. Pour l’exemple Calcul 1 Calcul 2 Economie annuelle Evidemment, un cout est implique pour le rechauffage du feedtank, mais puisque la temperature de l’eau serait augmentee de la meme quantite a l’interieur du boiler, ce n’est pas une energie supplementaire, seulement la meme energie utilisee a un endroit different. La seule vraie perte est la perte de chaleur supplementaire du feedtank lui-meme. A condition que le feedtank soit correctement isole, cette perte de chaleur supplementaire sera presque insignifiante. Une economie supplementaire importante est la reduction de la quantite de sulfite de sodium ajoutee a l’eau d’alimentation du boiler. Cela reduira la quantite de blowdown de fond necessaire, et cette economie compensera largement la petite perte de chaleur supplementaire du feedtank du boiler. Pour eviter les dommages au boiler lui-meme Le boiler subit un choc thermique lorsque de l’eau froide est introduite dans les surfaces chaudes de la paroi du boiler et de ses tubes. Une eau d’alimentation plus chaude signifie une difference de temperature plus faible et moins de risque de choc thermique. Pour maintenir la production concue Plus la temperature de l’eau d’alimentation du boiler est basse, plus de chaleur est necessaire dans le boiler pour produire de la vapeur. Il est important de maintenir la temperature du feedtank aussi haute que possible, pour maintenir la production requise du boiler.

Cavitation de la pompe d'alimentation du boiler

Cavitation de la pompe d’alimentation du boiler

Attention : des taux de retour de condensat tres eleves (typiquement superieurs a 80 %) peuvent entrainer une temperature d’eau d’alimentation excessive, et une cavitation dans la pompe d’alimentation. Si de l’eau proche du point d’ebullition entre dans une pompe, elle risque de se transformer en vapeur dans la zone de basse pression a l’oeil du rotor de la pompe. Si cela se produit, des bulles de vapeur se forment a mesure que la pression tombe en dessous de la pression de vapeur de l’eau. Lorsque la pression remonte, ces bulles s’effondrent et l’eau s’engouffre dans la cavite resultant a une vitesse tres elevee. C’est connu sous le nom de ‘cavitation’ ; c’est bruyant et peut endommager gravement la pompe. Pour eviter ce probleme, il est essentiel de fournir la meilleure hauteur nette positive de succion (NPSH) possible a la pompe pour que la pression statique soit aussi elevee que possible. Cela est grandement facilite en situant le feedtank aussi haut que possible au-dessus du boiler, et en dimensionnant generusement la tuyauterie d’aspiration vers la pompe d’alimentation (Figure 3.11.2).

Conception du feedtank

Le feedtank (Figure 3.11.3) peut influencer la maniere dont toute la salle des boilers fonctionne de plusieurs facons. Par une conception soignee du feedtank et des systemes associes, des economies substantielles peuvent etre realisees en energie et en produits chimiques de traitement de l’eau, ainsi qu’une fiabilite accrue du fonctionnement. Bien que les feedtanks cylindriques, verticaux et horizontaux, ne soient pas rares dans d’autres parties du monde, la forme rectangulaire est la plus couramment utilisee au Royaume-Uni. Cela offre normalement le volume maximum de stockage d’eau pour la surface au sol qu’il occupe. Materiaux du feedtank :

Fonte - Les reservoirs en fonte sont generalement assembles a partir de sections rectangulaires : Des problemes surviennent souvent a cause de fuites aux joints des sections, et ils sont sujets a la corrosion.
Acier au carbone - Probablement le materiau de construction le plus courant pour les feedtanks : Non enduit, c’est un materiau relativement peu couteux mais il est extremement susceptible a la corrosion. Cette faiblesse peut etre amelioree en appliquant des revetements appropries sur la surface, mais le cout de cela peut etre superieur au cout du reservoir, d’autant plus que le revetement necessitera egalement un entretien regulier.
Plastique - Ce materiau n’est generalement pas adapte aux feedtanks en raison du cout eleve des materiaux capables de supporter les temperatures relativement elevees impliquees. Cependant, le plastique est un materiau adapte pour le reservoir d’eau de appoint froide.
Acier inoxydable austenitique - La duree de vie accrue d’un feedtank correctement fabrique dans ce materiau justifiera invariablement le cout initial plus eleve. Le type 304L est generalement selectionne comme le grade le plus approprie d’acier inoxydable. Capacite du feedtank Le feedtank fournit une reserve deau pour couvrir l'interruption de l'alimentation en eau de appoint. La pratique traditionnelle est d'avoir un feedtank avec une capacite suffisante pour permettre une heure de production de vapeur a l'evaporation maximale du boiler. Pour les plus grandes installations, cela peut etre peu pratique et une alternative pourrait etre d'avoir un feedtank 'chaud plus petit avec un stockage supplementaire d’eau traitee froide. Il devrait egalement avoir une capacite suffisante au-dessus de son niveau de travail normal pour absorber toute augmentation du taux de retour de condensat. Cette capacite est appelee ‘espace libre’. Un taux de retour de condensat eleve peut se produire au demarrage lorsque le condensat present dans l’installation et la tuyauterie est soudainement retourne au reservoir, ou il peut etre perdu a l’egout par le trop-plein. Si cela se produit, il peut etre sage de revoir le systeme de retour de condensat, pour controler le taux de retour et eviter le gaspillage.

Construction du feedtank

Les notes suivantes peuvent etre utiles dans la conception d’un feedtank :

Renforcement - Le reservoir doit etre completement soude et il est tres important d’utiliser un renforcement adequat pour renforcer les cotes et le dessus du reservoir et fournir un support adequat pour la base. Le non-respect de cela entrainera une flexion excessive et une defaillance prematuree.
Connexions de tuyauterie - Toutes les connexions de tuyauterie bridees doivent etre esperees d’au moins 150 mm pour faciliter l’isolation. Tous les raccords filetes doivent etre esperees d’au moins 20 mm.
Pattes de levage - Il est essentiel d’installer des pattes de levage pour permettre une installation sure et facile.

Tuyauterie du feedtank

Retour de condensat A mesure que la vapeur est generee, l’eau dans le boiler s’evapore et est remplacee par le pompage d’eau d’alimentation dans le boiler. A mesure que la vapeur circule dans le systeme vers les differents equipements utilisateurs de vapeur, elle change d’etat pour redevenir du condensat, qui est, essentiellement, de l’eau chaude de tres bonne qualite. A moins qu’une contamination soit probable (peut-etre en raison du processus), ce condensat est l’eau d’alimentation ideale du boiler. Il a donc un sens economique d’en retourner autant que possible pour reutilisation. En realite, il est presque impossible de retourner tout le condensat ; une partie de la vapeur peut avoir ete injectee directement dans le processus pour des applications telles que l’humidification et l’injection de vapeur, et il y aura generalement des pertes d’eau du boiler lui-meme, par exemple, via le blowdown. De l’eau de appoint (traitee chimiquement) devra donc etre introduite dans le systeme pour maintenir les niveaux de travail corrects. Le retour de condensat represente un enorme potentiel d’economies d’energie dans la salle des boilers. Le condensat a une teneur en chaleur elevee et approximativement 1 % de combustible en moins est necessaire pour chaque augmentation de 6°C de la temperature dans le feedtank. La Figure 3.11.5(a) montre la formation de vapeur a 10 bar g lorsque le boiler est alimente avec de l’eau d’alimentation froide a 10°C. La partie au bas du diagramme represente l’enthalpie (42 kJ / kg) disponible dans l’eau d’alimentation. Un supplement de 740 kJ / kg d’energie thermique doit etre ajoute a l’eau dans le boiler avant que la temperature de saturation a 10 bar g soit atteinte. La Figure 3.11.5(b) montre a nouveau la formation de vapeur a 10 bar g, mais cette fois le boiler est alimente avec de l’eau d’alimentation rechauffee a 70°C en retournant plus de condensat. L’enthalpie accrue contenue dans l’eau d’alimentation signifie que le boiler n’a maintenant qu’a ajouter 489 kJ/kg d’energie thermique pour l’ameliorer a la temperature de saturation a 10 bar g. Cela represente une economie de 9,2 % de l’energie necessaire pour produire de la vapeur a cette meme pression. Le condensat retourne est pratiquement de l’eau pure et cela permet des economies non seulement sur les couts de l’eau mais aussi sur les produits chimiques de traitement de l’eau, ce qui reduit les pertes associees au blowdown. Si du condensat sous pression est retourne, alors du flash steam sera libere dans le feedtank. Ce flash steam doit etre condense pour s’assurer que la chaleur et le contenu en eau sont recuperes. La methode traditionnelle pour ce faire a ete de l’introduire dans le feedtank a travers des tuyaux de distribution, mais une methode plus moderne et efficace est d’utiliser une tete de deaerator a condensation de flash ou l’eau de appoint froide, le retour de condensat et le flash steam sont melanges (voir Figure 3.11.6). Flash steam des systemes de recuperation de chaleur Un systeme de recuperation de chaleur peut, par exemple, recuperer le flash steam du blowdown du boiler. C’est une autre opportunite d’utiliser la chaleur recuperee pour augmenter la temperature du feedtank et ainsi economiser du combustible. Comme pour le condensat sous pression, le flash steam doit etre condense. Traditionnellement, cela etait obtenu en utilisant des tuyaux de distribution, mais une methode moderne et beaucoup plus efficace est la tete de deaerator a condensation de flash. Eau de appoint C’est de l’eau froide provenant de l’installation de traitement de l’eau qui compense les pertes dans le systeme. De nombreuses installations de traitement de l’eau necessitent un debit substantiel pour atteindre une performance optimale. Un debit ‘faible resultant d'un controle modulant dans le feedtank peut, par exemple, avoir un effet negatif sur les performances d'un adoucisseur. Pour cette raison, un petit reservoir d'eau de appoint en plastique ou en acier galvanise est souvent installe. Le debit de l'adoucisseur est controle 'marche / arret dans le reservoir d’appoint. De la, une vanne modulante controle son debit dans le feedtank. Ce type d’installation conduit a un fonctionnement ‘plus regulier’ de l’installation de boiler. Pour eviter que l’eau de appoint relativement froide ne coule directement au fond du reservoir (ou elle sera aspiree directement dans la conduite d’eau d’alimentation du boiler), et pour assurer une distribution uniforme de la temperature, il est courant de distribuer l’eau de appoint dans le feedtank a un niveau superieur. Injection de vapeur Comme mentionne precedemment, il y a des avantages significatifs a maintenir le contenu du feedtank a une temperature elevee. L’une des manieres les plus pratiques d’atteindre cette temperature plus elevee est d’injecter de la vapeur dans le feedtank. Event Le feedtank doit etre ventile pour empecher toute accumulation de pression. En guide, cet event variera en taille de DN80 sur un reservoir de 2 000 litres a DN250 sur un reservoir de 30 000 litres. L’event devrait etre equipe d’une tete de ventilation, qui incorpore un deflecteur interne pour separer l’eau entrainee de la vapeur pour la decharge a travers une connexion de drainage. Trop-plein Cela devrait etre equipe d’un joint hydraulique en ‘U’ pour empecher les pertes de flash steam. Prise de la pompe d’alimentation Si la prise est depuis la base du feedtank, il devrait y avoir un tube interne de 50 mm pour empecher toute salete au fond du reservoir d’entrer dans la conduite. Il devrait etre generalement dimensionne pour que les pertes par friction soient minimisees, et la hauteur nette positive de succion (NPSH) a la pompe d’alimentation soit maximisee. Vidange Une connexion de vidange devrait etre installee au fond du feedtank pour faciliter sa vidange pour l’inspection. Isolation Le feedtank devrait etre correctement isole pour prevenir les pertes de chaleur. Les conseils d’un specialiste en isolation repute devraient etre sollicites pour selectionner le materiau correct et l’epaisseur economique. Ouverture d’inspection Une ouverture d’inspection de taille adequate devrait etre installee pour permettre l’inspection interne et l’installation d’accessoires, le cas echeant. Controle de niveau d’eau Traditionnellement, des controles a flotteur ont ete utilises pour cette application. Les controles modernes utilisent des sondes de niveau, qui donneront un signal de sortie pour moduler une vanne de controle. Non seulement ce type de systeme necessite moins de maintenance mais, avec l’utilisation d’un controleur approprie, une seule sonde peut incorporer des alarmes de niveau et des dispositifs d’indication a distance. Les sondes de niveau peuvent etre configurees pour signaler le niveau d’eau haut, le niveau d’eau de travail normal (ou de controle), et le niveau d’eau bas. Les signaux de la sonde peuvent etre relies a une vanne de controle sur l’alimentation en eau de appoint froide. La sonde est equipee d’un tube de protection a l’interieur du feedtank pour la proteger contre la turbulence, qui peut entrainer de fausses lectures. Un indicateur de niveau local ou un tube indicateur de niveau sur le feedtank est recommande, permettant la visualisation du contenu pour confirmation, et pour la mise en service des sondes de niveau. Thermometre Cela peut etre un dispositif de lecture locale ou a distance.

Deaerators

Tete de deaerator atmospherique L’unite de melange d’une tete de deaerator rassemble tous les flux entrants. Elle melange l’eau de appoint froide a haute teneur en oxygene avec le flash steam du condensat et le systeme de recuperation de chaleur du blowdown. L’oxygene et d’autres gaz sont liberes de l’eau froide et peuvent etre automatiquement retires par un event avant que l’eau n’entre dans le feedtank principal. La tete de deaerator reduit considerablement la quantite de vapeur qui emanerait normalement du reservoir dans des conditions de fonctionnement. A cause de cela, les reservoirs de deaerator atmospheriques correctement concus equipes de tetes de deaerator necessitent moins de capacite de ventilation qu’un reservoir ordinaire equipe d’un couvercle a event. Typiquement, les tailles d’event sur un reservoir de deaerator atmospherique varient de DN80 sur un reservoir de 2 000 L, a DN250 sur un reservoir de 30 000 L. Deaerator sous pression Sur les installations de boiler plus grandes, des deaerators sous pression sont parfois installes et de la vapeur vive est utilisee pour amener l’eau d’alimentation a environ 105°C pour eliminer l’oxygene. Les deaerators sous pression sont generalement thermiquement efficaces et reduiront l’oxygene dissous a des niveaux tres bas. Les deaerators sous pression :

Doivent etre equipes de controles et de dispositifs de securite.
Sont classes comme recipients sous pression, et necessiteront une inspection formelle et periodique. Cela signifie que les deaerators sous pression sont couteux, et ne sont justifies que dans les tres grandes salles de boilers. Si un deaerator sous pression doit etre envisage, sa performance a charge partielle (ou degradement effectif) doit etre examinee. Un examen detaille des deaerators sous pression est donne dans le Module 21 de ce Bloc. Traitement de conditionnement C’est un traitement supplementaire qui complete le traitement externe, (par exemple, le systeme d’echange d’ions) et est generalement effectue en ajoutant des produits chimiques en quantites mesurees, soit dans le feedtank, soit dans la conduite d’eau d’alimentation avant son entree dans le boiler. Le traitement chimique requis depend de nombreux facteurs tels que :
Les impuretes inherentes a l’eau de appoint et sa durete.
Le volume de condensat retourne pour reutilisation et sa qualite en termes de valeur pH, de teneur en TDS, et de durete.
La conception du boiler et ses conditions de fonctionnement. Decider du type de regime chimique et du systeme de traitement de l’eau est une question pour un specialiste qualifie en traitement de l’eau qui devrait toujours etre consulte. L’objectif du traitement de conditionnement est d’ameliorer le traitement de l’eau brute apres qu’elle a ete traitee autant que possible par l’installation principale de traitement de l’eau. Il assure la qualite car, inevitablement, il y aura des impuretes qui trouvent un chemin a travers le systeme de traitement principal. Les objectifs du traitement de l’eau sont :
De prevenir la formation de calcaire a partir des niveaux de durete residuels faibles qui ont pu echapper au traitement. Le phosphate de sodium est normalement utilise pour cela, et provoque la precipitation de la durete au fond du boiler ou elle peut etre evacuate par blowdown.
De traiter toute autre impurete specifique presente. Ce seront des substances specifiques pour des applications specifiques.
De maintenir l’equilibre chimique correct dans l’eau du boiler - pour prevenir la corrosion, elle doit etre quelque peu alcaline et non acide. Typiquement, une solution de soude a 1 % sera utilisee pour atteindre un pH cible entre 9 et 11. Les Normes britanniques BS 2486 recommandent pH 10,5 - 12,0 pour les boilers a corps @ 10 bar, pH 9 ne pourrait etre utilise que dans les boilers a plus haute pression.
De conditionner toute matiere en suspension. Ce sera un floculant ou un coagulant, qui provoquera l’agglomeration des matieres en suspension et leur depot au fond du boiler d’ou elles peuvent etre evacuatees par blowdown.
De fournir une protection anti-mousse.
D’eliminer les traces de gaz dissous. Ce sont principalement l’oxygene et le dioxyde de carbone et la presence de ces gaz dissous dans l’installation de boiler et le systeme provoquera de la corrosion. Il est donc necessaire de les eliminer et/ou de les neutraliser si des dommages doivent etre evites. Dioxyde de carbone Le dioxyde de carbone dissous est souvent present dans l’eau d’alimentation sous forme d’acide carbonique et cela provoque une chute du niveau de pH. Un controle correct du pH corrigera cela mais le dioxyde de carbone est egalement libere dans les boilers en raison du rechauffage des carbonates et bicarbonates. Ceux-ci se decomposent en soude caustique avec la liberation de dioxyde de carbone. Cela peut necessiter un traitement par l’utilisation d’un inhibiteur de corrosion du condensat, pour prevenir l’attaque corrosive du systeme de condensat. Oxygene Le plus nocif des gaz dissous est l’oxygene, qui peut provoquer des picotements du metal. De tres petites quantites d’oxygene peuvent causer des dommages severes. Il peut etre elimine mecaniquement et chimiquement. La quantite d’oxygene dissous presente depend de la temperature de l’eau d’alimentation ; plus la temperature de l’eau d’alimentation est basse, plus le volume d’oxygene dissous present est important. Tout oxygene restant est ensuite traite par l’addition d’un captif chimique de l’oxygene tel que le sulfite de sodium catalyse. 8 ppm de sulfite de sodium sont suffisants pour traiter 1 ppm doxygene dissous. Cependant, il est courant d'ajouter un supplement (ou 'reserve) de 4 ppm de sulfite de sodium parce que :
Il y a un danger significatif de dommages corrosifs.
Le systeme de dosage chimique est generalement en ‘boucle ouverte’ avec des echantillons d’eau preleves a intervalles, et des ajustements effectues sur le taux de dosage.
Il y a une preoccupation concernant la dispersion complete du produit chimique, peut-etre en raison de la methode d’injection, des courants de circulation, ou de la stratification dans le feedtank. Le taux de dosage total est donc de 8 ppm de sulfite de sodium par 1 ppm d’oxygene dissous plus 4 ppm. D’autres captifs d’oxygene impliquent des composes organiques ou de l’hydrazine. Cette derniere, cependant, est consideree comme cancérigene, et n’est generalement pas utilisee dans les installations basse et moyenne pression. D’autres ‘traitements internes’ pour fournir une protection au boiler et au systeme de condensat peuvent inclure :
Amines neutralisantes - Celles-ci ont un effet neutralisant sur l’acide genere par la dissolution du dioxyde de carbone dans le condensat.
Amines filmantes - Celles-ci creent un film oleophile et hydrophobe sur les surfaces metalliques qui est resistant a la fois au dioxyde de carbone et a l’oxygene. Plus de details sur ce sujet complique sont disponibles dans les manuels de traitement de l’eau et aupres des specialistes en traitement de l’eau ; c’est tres largement une question de conseils d’expert et d’analyse professionnelle. Il y a cependant, un ou deux domaines qui appellent une explication supplementaire :
Le programme principal de traitement de l’eau du boiler vise a transformer les sels formateurs de calcaire en boues douces ou mobiles. Les conditionneurs de boue utilises dans le dosage chimique empechent ces solides de se deposer sur les surfaces metalliques et les maintiennent en suspension.
Sous des pressions et temperatures elevees, la silice peut presenter un vrai probleme car elle peut se combiner avec les surfaces de chauffage metalliques pour causer des points chauds. Des polymeres synthetiques speciaux peuvent prevenir ce probleme.
Les niveaux d’alcalinite dans le boiler sont particulierement importants et sont controles par l’addition d’hydroxyde de sodium. Maintenir un niveau de pH entre 10,5 - 12 evitera les problemes de corrosion en fournissant des conditions stables pour la formation d’un film de magnetite (Fe3O4) en une couche mince et dense sur les surfaces metalliques, les protegeant de l’attaque corrosive. Les produits chimiques ajoutes pendant le traitement de conditionnement augmenteront le niveau de TDS dans l’eau du boiler et un taux de blowdown plus eleve sera requis.