Chaudières à tubes d'eau

Description des chaudières à tubes d’eau, y compris leur fonctionnement, leurs types et leurs avantages ; également, un bref aperçu de leur application à la cogénération.

Chaudières à tubes d’eau

Les chaudières à tubes d’eau diffèrent des chaudières à tubes de fumée en ce que l’eau circule à l’intérieur des tubes, la source de chaleur les entourant. En se référant à l’équation de contrainte circonférentielle (Équation 3.2.1), il est facile de voir que, le diamètre des tubes étant significativement plus petit, des pressions bien plus élevées peuvent être tolérées pour la même contrainte. Les chaudières à tubes d’eau sont utilisées dans les applications de centrales électriques qui nécessitent :

• Un débit de vapeur élevé (jusqu’à 500 kg/s).
• De la vapeur à haute pression (jusqu’à 160 bar).
• De la vapeur surchauffée (jusqu’à 550°C). Cependant, les chaudières à tubes d’eau sont également fabriquées dans des tailles pour rivaliser avec les chaudières à tubes de fumée. Les petites chaudières à tubes d’eau peuvent être fabriquées et assemblées en une seule unité, tout comme les chaudières à tubes de fumée préfabriquées, tandis que les grandes unités sont généralement fabriquées en sections pour un assemblage sur site. De nombreuses chaudières à tubes d’eau fonctionnent selon le principe de la circulation naturelle de l’eau (également appelé « thermosiphon »). C’est un sujet qui mérite d’être abordé avant d’examiner les différents types de chaudières à tubes d’eau disponibles. La Figure 3.3.2 aide à expliquer ce principe :
• L’eau d’alimentation plus froide est introduite dans le réservoir de vapeur derrière un déflecteur où, la densité de l’eau froide étant plus grande, elle descend dans le « tube de descente » vers le réservoir inférieur ou « de boues », déplaçant l’eau plus chaude vers le haut dans les tubes avant.
• Le chauffage continu crée des bulles de vapeur dans les tubes avant, qui sont naturellement séparées de l’eau chaude dans le réservoir de vapeur et sont évacuées. Cependant, lorsque la pression dans la chaudière à tubes d’eau augmente, la différence entre les densités de l’eau et de la vapeur saturée diminue, par conséquent moins de circulation se produit. Pour maintenir le même niveau de production de vapeur à des pressions de conception plus élevées, la distance entre le réservoir inférieur et le réservoir de vapeur doit être augmentée, ou un moyen de circulation forcée doit être introduit. Sections des chaudières à tubes d’eau L’énergie provenant de la source de chaleur peut être extraite sous forme de rayonnement, de conduction et de convection. La section du foyer ou section radiante C’est une zone ouverte accueillant la ou les flammes du ou des brûleurs. Si les flammes étaient autorisées à entrer en contact avec les tubes de la chaudière, une érosion sérieuse et finalement une défaillance des tubes se produiraient. Les parois de la section du foyer sont revêtues de tubes à ailettes appelés panneaux à membrane, qui sont conçus pour absorber le rayonnement thermique de la flamme.

Section de convection

Cette partie est conçue pour absorber la chaleur des gaz chauds par conduction et convection. Les grandes chaudières peuvent avoir plusieurs faisceaux de tubes (également appelés pendeloques) en série, afin de tirer le maximum d’énergie des gaz chauds. Désignation des chaudières à tubes d’eau Les chaudières à tubes d’eau sont généralement classées selon certaines caractéristiques, voir Tableau 3.3.1.

Dispositions alternatives de chaudières à tubes d’eau

Les dispositions suivantes fonctionnent selon les mêmes principes que les autres chaudières à tubes d’eau et sont disponibles avec des capacités de 5 000 kg/h à 180 000 kg/h. Chaudière à réservoir longitudinal La chaudière à réservoir longitudinal était le type original de chaudière à tubes d’eau fonctionnant selon le principe du thermosiphon (voir Figure 3.3.5). L’eau d’alimentation plus froide est introduite dans un réservoir, placé longitudinalement au-dessus de la source de chaleur. L’eau plus froide descend par un collecteur de circulation arrière dans plusieurs tubes inclinés chauffés. À mesure que la température de l’eau augmente en remontant dans les tubes inclinés, elle bout et sa densité diminue, faisant circuler l’eau chaude et la vapeur vers le haut dans les tubes inclinés jusqu’au collecteur de circulation avant qui alimente le réservoir. Dans le réservoir, les bulles de vapeur se séparent de l’eau et la vapeur peut être évacuée. Les capacités typiques des chaudières à réservoir longitudinal varient de 2 250 kg/h à 36 000 kg/h.

Chaudière à réservoir transversal

La chaudière à réservoir transversal est une variante de la chaudière à réservoir longitudinal en ce que le réservoir est placé transversalement par rapport à la source de chaleur comme le montre la Figure 3.3.6. Le réservoir transversal fonctionne selon le même principe que le réservoir longitudinal, sauf qu’il obtient une température plus uniforme sur l’ensemble du réservoir. Cependant, il risque des dommages dus à une circulation défaillante à des charges de vapeur élevées ; si les tubes supérieurs deviennent secs, ils peuvent surchauffer et finalement se rompre. La chaudière à réservoir transversal a également l’avantage supplémentaire de pouvoir desservir un plus grand nombre de tubes inclinés grâce à sa position transversale. Les capacités typiques d’une chaudière à réservoir transversal varient de 700 kg/h à 240 000 kg/h.

Chaudière à tubes coudés ou Stirling

Un développement ultérieur de la chaudière à tubes d’eau est la chaudière à tubes coudés ou Stirling montrée à la Figure 3.3.7. Celle-ci fonctionne également selon le principe de la température et de la densité de l’eau, mais utilise quatre réservoirs dans la configuration suivante. L’eau d’alimentation plus froide entre dans le réservoir supérieur gauche, où elle descend en raison de sa plus grande densité, vers le réservoir inférieur ou réservoir d’eau. L’eau dans le réservoir d’eau et les tuyaux de connexion vers les deux autres réservoirs supérieurs sont chauffés, et les bulles de vapeur produites montent dans les réservoirs supérieurs où la vapeur est ensuite évacuée.

La chaudière à tubes coudés ou Stirling permet une grande surface de transfert de chaleur, tout en favorisant la circulation naturelle de l’eau.

Avantages des chaudières à tubes d’eau :

• Elles ont un faible contenu en eau et répondent donc rapidement aux changements de charge et aux apports de chaleur.
• Les tubes de petit diamètre et le réservoir de vapeur signifient que des pressions de vapeur bien plus élevées peuvent être tolérées, jusqu’à 160 bar pouvant être utilisées dans les centrales électriques.
• La conception peut inclure de nombreux brûleurs dans n’importe quelle paroi, offrant des options de tirage horizontal ou vertical, et la possibilité de contrôler la température dans différentes parties de la chaudière. Ceci est particulièrement important si la chaudière dispose d’un surchauffeur intégré et que la température de la vapeur surchauffée doit être contrôlée.

Inconvénients des chaudières à tubes d’eau :

• Elles ne sont pas aussi simples à fabriquer sous forme préfabriquée que les chaudières à tubes de fumée, ce qui signifie que plus de travail est nécessaire sur site.
• L’option de brûleurs multiples peut offrir de la flexibilité, mais les 30 brûleurs ou plus utilisés dans les centrales électriques signifient que des systèmes de contrôle complexes sont nécessaires.

Installation de cogénération (CHP)

Les chaudières à tubes d’eau décrites ci-dessus sont généralement de grande capacité. Cependant, de petites chaudières à chaleur résiduelle, à usage spécial, destinées à être utilisées conjointement avec des installations de turbines à gaz terrestres, sont de plus en plus demandées. Plusieurs types d’installations de turbines à gaz terrestres produisant de la vapeur sont utilisés :

• Cogénération (CHP) Ces systèmes dirigent les gaz d’échappement chauds d’une turbine à gaz (environ 500°C) à travers une chaudière, où de la vapeur saturée est générée et utilisée comme utilité de l’installation. Les applications typiques de ces systèmes se trouvent sur les installations ou sites où les demandes en électricité et en vapeur sont synchronisées et dans des proportions pouvant être adaptées à un système CHP.

Le rendement peut atteindre 90 %.

• Installation à cycle combiné Ce sont des extensions des systèmes CHP, et la vapeur saturée est acheminée à travers un surchauffeur pour produire de la vapeur surchauffée. Le surchauffeur peut être chauffé séparément en raison de la température relativement basse des gaz d’échappement de la turbine à gaz. La vapeur surchauffée produite est dirigée vers des turbines à vapeur qui entraînent des alternateurs supplémentaires et produisent de l’électricité. Le rapport de modulation de ces installations est faible, en raison de la nécessité pour la turbine de tourner à une vitesse synchronisée à la fréquence électrique. Cela signifie qu’il n’est pratique d’exploiter ces installations qu’à pleine charge, fournissant la charge de base de vapeur à l’installation. En raison de la température relativement basse des gaz d’échappement de la turbine à gaz, par rapport à la flamme du brûleur dans une chaudière conventionnelle, une surface de transfert de chaleur de la chaudière beaucoup plus grande est requise pour une charge thermique donnée. De plus, il n’est pas nécessaire de prévoir un emplacement pour les brûleurs. Pour ces raisons, les chaudières à tubes d’eau tendent à fournir une solution meilleure et plus compacte. L’efficacité étant un facteur majeur pour les décideurs de projets CHP, la conception de ces chaudières pourrait bien incorporer un économiseur (préchauffeur d’eau d’alimentation). Si l’installation est à « cycle combiné », la conception peut également inclure un surchauffeur. Cependant, les températures relativement basses peuvent signifier que des brûleurs supplémentaires sont nécessaires pour amener la vapeur à la spécification requise pour les turbines à vapeur.