Niveaux d'eau dans les chaudières vapeur

Le niveau d’eau dans une chaudière vapeur doit être soigneusement contrôlé afin de garantir la production d’une vapeur de bonne qualité en toute sécurité, efficacement et à la pression correcte.

Niveaux d’eau dans les chaudières vapeur

La tâche de toute chaudière vapeur est de fournir la quantité correcte de vapeur de haute qualité : en toute sécurité, efficacement et à la pression correcte. La vapeur est générée par la chaleur provenant de la combustion du combustible dans un foyer, ou par la chaleur résiduelle d’un procédé. La chaleur est transférée à l’eau dans la cuve de la chaudière, qui s’évapore ensuite pour produire de la vapeur sous pression. Une certaine surface d’eau est requise dans une chaudière pour libérer la vapeur. Une certaine hauteur doit également être prévue au-dessus du niveau de fonctionnement normal, pour permettre au niveau d’eau de monter avec l’augmentation de la charge, tout en permettant une surface suffisante pour libérer la vapeur sans entraînement d’eau. Dans les chaudières horizontales à tubes de fumée, le niveau d’eau monte avec l’augmentation de la charge (en raison de la présence de plus de vapeur sous le niveau d’eau dans la chaudière). Ce faisant, la surface d’eau (surface de libération de vapeur) diminuera car, le niveau d’eau étant au-dessus de l’axe central de la chaudière, les côtés de la cuve convergent. Le constructeur de la chaudière aura conçu celle-ci pour que la surface au niveau d’eau normal (NWL) soit telle que la vapeur soit libérée à une vitesse acceptable. La conception permettra également une hauteur minimale spécifique de la prise de vapeur au-dessus du NWL. De toute évidence, à mesure que la vapeur est produite, l’eau dans la chaudière s’évapore et la chaudière doit recevoir un apport d’eau pour maintenir le niveau. En raison des facteurs décrits ci-dessus, l’eau doit être maintenue au niveau correct. La sécurité est également d’une importance capitale. Si la chaudière fonctionne avec un niveau d’eau insuffisant, des dommages graves pourraient survenir et il existe en fin de compte un risque d’explosion. Pour cette raison, des contrôles sont nécessaires qui devront :

• Surveiller et contrôler le niveau d’eau.
• Détecter si un point de bas niveau d’eau est atteint et prendre les mesures appropriées. Ces mesures peuvent inclure : Le déclenchement d’une alarme, l’arrêt de l’alimentation en eau et l’arrêt du ou des brûleurs. Il est également essentiel de fournir une indication externe du niveau d’eau.

Les sections suivantes de ce module fournissent des informations de base sur les contrôles de niveau automatiques et les alarmes appliqués aux chaudières à tubes de fumée. Ces informations sont également applicables en général au réservoir de vapeur des chaudières à tubes d’eau. Par souci de continuité, une grande partie des informations de ce module sont basées sur la législation britannique. D’autres réglementations nationales doivent être consultées le cas échéant. Indication du niveau d’eau et niveaux d’eau de la chaudière L’indication du niveau d’eau s’applique aux chaudières vapeur où le niveau d’eau peut être détecté. Cela inclut la plupart des chaudières vapeur, à l’exception de celles de type « à passage unique » ou à serpentin, où il n’y a pas de réservoir de vapeur. Dans de tels cas, des températures de sortie de vapeur dépassant une valeur prédéfinie sont considérées comme indiquant un apport d’eau insuffisant. Dans la plupart des cas, le simple tube de niveau sur le réservoir de vapeur/eau ou la cuve de la chaudière est utilisé comme indicateur. De nombreuses normes stipulent la disposition de deux tubes de niveau. Des dispositions sont généralement requises pour empêcher qu’une casse ne provoque un danger pour l’opérateur. La forme de protection la plus courante est un écran en trempé sur l’avant et les côtés du tube de niveau. Un tube de niveau en verre plat ou prismatique peut être requis pour les chaudières à haute pression. Le tube de niveau, qui a fait ses preuves, est utilisé sur la grande majorité des chaudières et est généralement disposé pour donner une plage visible du niveau d’eau au-dessus et en dessous du niveau d’eau normal. Il est essentiel de comprendre ce qui est observé dans un tube de niveau de chaudière. La section suivante explique certains des facteurs qui influenceront le niveau d’eau indiqué dans le tube de niveau. Il n’est pas possible de définir le niveau d’eau exact dans une chaudière en production de vapeur, car la surface de l’eau est constituée d’une masse de bulles avec une forte circulation horizontale. Il existe donc des variations de niveau à la fois en travers et en longueur de la cuve de la chaudière. À l’inverse, le tube de niveau contient de l’eau qui :

• N’est pas soumise à des courants ni à des turbulences.
• Ne contient pas de bulles de vapeur.
• Est plus froide que l’eau dans la chaudière. Cela signifie que l’eau dans le tube de niveau (et autres raccordements externes) est plus dense que l’eau à l’intérieur de la cuve de la chaudière. Cela signifie à son tour que le tube de niveau affichera un niveau inférieur au niveau moyen de la surface d’eau dans la cuve de la chaudière. La différence entre le niveau dans le tube de niveau et le niveau dans la cuve de la chaudière à des taux de production de vapeur élevés dépend de facteurs tels que :
• Le débit de production de vapeur de la chaudière.
• La hauteur de raccordement du tube de niveau dans la chaudière.
• Le TDS et l’analyse chimique de l’eau de chaudière.
• La taille de la cuve de la chaudière. Variations de niveau dues à la circulation dans la chaudière

Avec une chaudière à forte charge, la circulation intense de l’eau de chaudière provoquera des variations du niveau d’eau le long de la chaudière. Ces courants de circulation sont normalement considérés comme ascendants le long de l’avant et de l’arrière de la chaudière, et ascendants le long de l’axe central au-dessus du foyer.

La circulation descendante doit donc se faire sur les côtés, dans la section centrale de la chaudière. Il peut également y avoir un effet « d’aspiration » provenant de la prise de vapeur qui aura tendance à élever localement le niveau d’eau.

Lors de changements de charge brusques, il y a également la possibilité de vagues se développant dans la chaudière, qui peuvent souvent être observées dans le tube de niveau, mais devraient idéalement être ignorées par les contrôles du niveau d’eau.

Un résumé des variations de niveau à attendre sous diverses conditions de fonctionnement de la chaudière est illustré à la Figure 3.15.4.