Composants de Chaudière à Tubes d'Eau Détaillés

Composants de Chaudière à Tubes d'Eau Détaillés

Une chaudière à tubes d'eau transforme l'eau en vapeur en la chauffant grâce à l'énergie dégagée par la combustion de combustibles ; une exception est le générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) qui utilise la chaleur récupérée des gaz d'échappement. Les chaudières à tubes d'eau sont employées dans de nombreuses applications industrielles, mais cet article se concentre sur celles utilisées dans les centrales électriques.

Note – pour simplifier la compréhension, cet article utilise les termes tubes d'eau, tubes montants, et tubes de descente de manière interchangeable ; ils désignent tous la même chose.

Note – consultez notre article principal Chaudières à Tubes d'Eau Détaillées pour un aperçu général du fonctionnement, des conceptions et des opérations des chaudières à tubes d'eau.

Chaudière à Tubes d'Eau de Centrale Électrique

 

Conception de la Chaudière à Tubes d'Eau

Une grande chaudière de centrale électrique utilise des milliers de composants pour produire de la vapeur de manière efficace et fiable. Les principaux composants d'une chaudière à tubes d'eau sont présentés dans cet article, mais il en existe bien d'autres ! Utilisez le schéma ci-dessous comme référence au fur et à mesure que vous parcourez cet article. 

Composants et Emplacements de la Chaudière à Tubes d'Eau

 

Composants et Emplacements de la Chaudière à Tubes d'Eau

Tambour à Vapeur

Un tambour à vapeur est un récipient cylindrique qui contient de l'eau et distribue la vapeur ; il est situé en haut de la chaudière. Le tambour à vapeur collecte la vapeur générée par les tubes montants, qui entourent le four. Les tambours à vapeur contiennent des composants internes comme des sépérateurs cycloniques et des laveurs pour garantir que la vapeur évacuée est sèche et exempte de gouttelettes d'eau, évitant ainsi le transfert d'humidité vers les surchauffeurs et les turbines à vapeur. Des produits chimiques sont dosés dans le tambour à vapeur car l'environnement à l'intérieur du tambour est turbulent, ce qui facilite le mélange des produits chimiques dans le système.

Tambour à Vapeur de Chaudière à Tubes d'Eau

Tambour à Boue

Les tambours à boue sont positionnés au bas d'une chaudière à tubes d'eau ; ils collectent les sédiments et les impuretés du système d'eau de la chaudière. Dans certaines conceptions de chaudières, en particulier les conceptions plus modernes ou compactes, un tambour à boue dédié peut ne pas être présent. À la place, des collecteurs d'eau installés au bas de la chaudière peuvent remplir la même fonction (ces collecteurs servent de points de collecte pour les impuretés, agissant efficacement comme des tambours à boue).

Emplacements des Tambours à Vapeur et à Boue de la Chaudière à Tubes d'Eau

Tubes d'Eau

Les tubes d'eau contiennent de l'eau de chaudière avant qu'elle ne change d'état/phase pour devenir de la vapeur. Le nom d'un tube d'eau change en fonction de son emplacement dans la chaudière, par exemple :

• Tubes de descente – transportent l'eau froide du tambour à vapeur vers la partie inférieure de la chaudière.
• Tubes montants – transportent l'eau chauffée et la vapeur de la partie inférieure de la chaudière vers le tambour à vapeur.

Collecteurs

Les collecteurs sont de grands cylindres avec de multiples connexions. Les collecteurs recueillent le fluide de travail pour un groupe de tubes et sont généralement étiquetés comme collecteurs supérieurs ou collecteurs inférieurs. Si un collecteur est installé en position haute dans la chaudière, il collecte le mélange eau/vapeur de ses tubes montants associés, puis le canalise vers le tambour à vapeur par plusieurs tuyaux ; il est connu sous le nom de collecteur de vapeur ou collecteur supérieur. Si un collecteur est installé en position basse dans la chaudière, il distribue l'eau à ses tuyaux de raccordement ; il est connu sous le nom de collecteur d'eau ou collecteur inférieur.

• Collecteur de vapeur – collecte la vapeur des tubes montants et la décharge dans le tambour à vapeur.
• Collecteur d'eau – distribue l'eau à la base des tubes montants.

Brûleur

Les principales entrées d'une chaudière sont :

• Carburant – sert de source d'énergie thermique.
• Air – fournit l'oxygène nécessaire à la combustion.
• Eau – nécessaire pour générer de la vapeur. 

Entrées de Chaudière à Charbon

Le brûleur est responsable du mélange du carburant et de l'air puis de l'allumage du mélange pour créer la flamme qui chauffe les tubes d'eau ; un brûleur assure une combustion efficace et une flamme stable. Il peut y avoir plusieurs brûleurs dans une seule chaudière et ceux-ci peuvent être disposés de différentes manières :

• Mur avant – les brûleurs sont disposés sur le mur avant de la chaudière.
• Murs opposés – les brûleurs sont placés sur des murs opposés, face à face.
• Coins – les brûleurs sont positionnés dans les coins du four.

Brûleurs tangentiels et brûleurs muraux sont les deux types de brûleurs les plus couramment utilisés dans les chaudières à tubes d'eau.

Four

Le cœur d'une chaudière à tubes d'eau est son four, où la combustion du carburant a lieu, générant de la chaleur. Autour du four se trouvent des tubes remplis d'eau, qui forment les ‘murs d'eau’ de la chaudière. Les tubes de chaudière absorbent la chaleur générée par la combustion, convertissant l'eau à l'intérieur des tubes en vapeur ; cette vapeur peut ensuite être utilisée pour entraîner des turbines à vapeur ou fournir de la chaleur pour divers processus industriels.

Internes de la Chaudière à Tubes d'Eau

Les fours sont revêtus de matériau réfractaire pour retenir la chaleur générée et protéger la structure de la chaudière. 

Note – le terme ‘réfractaire’ est souvent confondu avec ‘isolation’, ce qui n'est pas tout à fait correct. Le réfractaire est utilisé pour les applications à haute température, peut être directement exposé à une flamme, et est généralement fabriqué à partir de céramiques ou d'un matériau semblable à une brique. L'isolation est utilisée pour les applications à basse température, n'est pas directement exposée à une flamme, et est généralement fabriquée à partir de fibre de verre ou de laine minérale.

Note – les murs d'eau sont formés par un assemblage de tubes montants qui sont alignés pour former des ‘murs’.

Structure du Mur d'Eau de la Chaudière

Économiseur

L'économiseur préchauffe l'eau d'alimentation de la chaudière avant qu'elle n'entre dans le tambour à vapeur. En raison de son emplacement dans la chaudière, un économiseur récupère la chaleur résiduelle des gaz d'échappement, améliorant ainsi l'efficacité de la chaudière. 

Surchauffeur

Les surchauffeurs sont conçus pour élever la température de la vapeur au-dessus de sa température de saturation. Les surchauffeurs chauffent la vapeur évacuée du tambour à vapeur, augmentant ainsi sa température et par conséquent la quantité d'énergie thermique que la vapeur contient. Il y a généralement plusieurs surchauffeurs dans une seule chaudière à tubes d'eau :

• Surchauffeur primaire – la première étape de la surchauffe, qui augmente la température de la vapeur et réduit la teneur en eau liquide de la vapeur.
• Surchauffeur secondaire – chauffe davantage la vapeur pour atteindre la température souhaitée.

Le transfert de chaleur dans la chaudière se fait par trois méthodes principales :

• Radiation – transfert de chaleur par ondes électromagnétiques ; c'est un mode significatif de transfert de chaleur dans le four car l'énergie rayonnante de la combustion chauffe les tubes d'eau. Les surchauffeurs qui absorbent la chaleur par radiation sont connus sous le nom de surchauffeurs radiants.
• Convection – se produit dans un système par mouvement de masse de molécules de liquide ou de gaz. Dans les chaudières, la circulation naturelle de l'eau à travers une chaudière est un exemple de convection. Les tubes évaporateurs (où l'eau s'évapore en vapeur) sont connus sous le nom de faisceaux de tubes convectifs. Les surchauffeurs qui absorbent la chaleur par convection sont connus sous le nom de surchauffeurs convectifs.
• Conduction – transfert de chaleur à travers un matériau ou des matériaux. La chaleur passant aux tubes métalliques d'une chaudière, puis à l'eau à l'intérieur des tubes, est un exemple de conduction.

Transfert de Chaleur dans une Chaudière à Tubes d'Eau

Les surchauffeurs peuvent être classés en fonction de la manière dont la chaleur leur est transférée, c'est-à-dire par radiation, convection ou conduction. Le type de transfert de chaleur dépend de l'emplacement du surchauffeur dans la chaudière. La chaleur rayonnée ne peut être transférée que par ligne de vue, de la source de chaleur à l'absorbeur de chaleur, donc les surchauffeurs radiants doivent avoir une ligne de vue sur la flamme de la chaudière, sinon ils ne peuvent pas être des surchauffeurs radiants. Les surchauffeurs peuvent être classés comme :

• Surchauffeurs Radiants – directement exposés à la flamme du four par ligne de vue ; ils absorbent la plupart de leur chaleur par radiation.
• Surchauffeurs Convectifs – situés loin de la flamme du four sans ligne de vue ; ils absorbent la chaleur via les gaz de combustion chauds qui les entourent.

Réchauffeurs

Les réchauffeurs sont utilisés dans les systèmes de turbines à plusieurs étages pour réchauffer la vapeur après qu'elle ait traversé une turbine à haute pression. Les réchauffeurs sont similaires en conception et en apparence aux surchauffeurs. Lorsqu'il y a plusieurs réchauffeurs, ils sont installés en série. La vapeur entrant dans le système de réchauffement est appelée vapeur de réchauffement froide et la vapeur sortant du réchauffeur est appelée vapeur de réchauffement chaude.

• Réchauffeur primaire – réchauffe la vapeur pour les étapes de turbine à pression intermédiaire.
• Réchauffeur secondaire – fournit un réchauffement supplémentaire pour les étapes de turbine à pression intermédiaire.

Réchauffeurs de Chaudière à Tubes d'Eau

Préchauffeur d'Air

Un préchauffeur d'air est un échangeur de chaleur qui préchauffe l'air primaire et secondaire en utilisant les gaz d'échappement de la chaudière ; cela améliore l'efficacité de la combustion et réduit la consommation de carburant.

Pompe d'Alimentation

Les pompes d'alimentation fournissent de l'eau d'alimentation à partir du désemboueur à la chaudière. Les pompes d'alimentation maintiennent le niveau d'eau dans le tambour à vapeur et assurent un approvisionnement continu en eau pour la génération de vapeur. Il y aura toujours plus d'une pompe d'alimentation en raison de leur criticité (la défaillance des pompes d'alimentation peut entraîner de graves dommages à la chaudière et à la zone environnante), et elles seront installées à une élévation inférieure à celle du désemboueur pour réduire le risque de cavitation. Les pompes d'alimentation de chaudière sont généralement entraînées électriquement via un moteur à induction, ou, en utilisant de la vapeur via une turbine à vapeur. La circulation de l'eau dans une chaudière a deux objectifs principaux :

1. Fournir de l'Eau – assurer un approvisionnement constant en eau qui peut être transformée en vapeur.
2. Distribution de Chaleur – éviter la surchauffe des tubes de la chaudière en distribuant la chaleur uniformément.

Les pompes d'alimentation sont généralement classées à 50% ou 100%, en fonction de la quantité de charge complète de la chaudière qu'elles peuvent satisfaire. Par exemple, une pompe d'alimentation à 100% peut répondre à toute la demande en eau de la chaudière lorsqu'elle fonctionne à pleine charge. L'eau pour les attemprateurs (désemboueurs) est alimentée par les pompes d'alimentation. Les joints de glande d'une turbine à vapeur sont également refroidis à l'aide de l'eau d'alimentation de la chaudière.

Les pompes d'alimentation de chaudière ont généralement un variateur de fréquence variable (VFD) qui permet de réguler leur fréquence électrique, et par conséquent leur vitesse et leur volume de décharge. Un débit minimum d'une pompe d'alimentation de chaudière est assuré par l'utilisation d'une vanne de recirculation automatique (ARV).

Pompe d'Alimentation de Chaudière (Pompe Centrifuge Multistage)

Soupapes de Sûreté (SRVs)

Les soupapes de sûreté (SRVs) empêchent la surchauffe dans une chaudière. Les soupapes de sûreté sont conçues pour libérer automatiquement la vapeur lorsque la pression de la vapeur d'une chaudière dépasse une limite prédéfinie, garantissant ainsi que la chaudière n'est pas surchauffée. Les soupapes de sûreté d'une chaudière sont classées comme ‘non assistées’ ou ‘assistées’. Une vanne non assistée s'ouvrira une fois qu'une certaine pression du système est atteinte ; c'est strictement une vanne mécaniquement actionnée qui repose généralement sur un ou plusieurs ressorts. Une vanne assistée ne s'ouvrira que si une certaine pression du système est atteinte et qu'une force externe supplémentaire est appliquée pour ‘aider’ la vanne à s'ouvrir. Par exemple :

• Non assistée – la pression du système agissant contre le disque de la soupape de sûreté provoque la compression du ressort de la vanne et l'ouverture de la vanne.
• Assistée – la pression du système agissant contre le disque de la soupape de sûreté provoque la compression du ressort de la vanne, mais cela ne provoque pas l'ouverture de la vanne jusqu'à ce qu'une force externe soit appliquée. La force externe appliquée est généralement via un système hydraulique ou pneumatique, souvent à l'aide d'un vérin, cylindre, ou diaphragme.

Les SRVs sont généralement installées sur le tambour à vapeur et les collecteurs de surchauffeur. Il y a souvent deux SRVs installées à chaque position, offrant ainsi une redondance à 100% en cas de défaillance d'une vanne.

Note – une vibration excessive de la vanne est causée lorsque la vanne s'ouvre et se ferme rapidement ; ce phénomène est connu sous le nom de cliquetis. Les vannes de type assisté évitent ce problème en déplaçant la vanne directement de la position complètement fermée à complètement ouverte.

Soupape de Sûreté à Ressort (non assistée)

Indicateurs de Niveau d'Eau

Un indicateur de niveau d'eau montre le niveau d'eau à l'intérieur d'un tambour à vapeur de chaudière. Les indicateurs de niveau d'eau peuvent être installés localement et visualisés localement, comme avec un verre de jauge de chaudière, ou, ils peuvent être installés localement et visualisés à distance, comme avec des transmetteurs de niveau de pression qui mesurent le niveau d'eau localement et le transmettent sous forme de signal électrique 4-20 mA à un endroit distant, par exemple une salle de contrôle. Le niveau d'eau dans une chaudière peut être mesuré directement ou indirectement, en fonction de l'instrumentation utilisée. Parfois, une lumière sera installée derrière le verre de vue de la chaudière et une caméra de surveillance dirigée vers le verre de vue ; cette solution permet aux opérateurs de surveiller à distance le niveau de la jauge, ce qui en fait une alternative économique à l'instrumentation électronique.

IMPORTANT : Maintenir le bon niveau d'eau dans une chaudière est la tâche la plus critique lors de l'exploitation de toute chaudière !

Verre de Jauge de Niveau de Chaudière Monté (Verre de Vue)

Vanne de Purge

La purge régulière aide à maintenir la qualité de l'eau et à prévenir l'accumulation de tartre. Une vanne de purge inférieure est utilisée pour éliminer les sédiments et les impuretés du tambour à boue ; ce type de purge est intermittent (non constant).

Vanne de Purge Inférieure de Chaudière à Tubes de Fumée

Une vanne de purge de surface est utilisée pour éliminer les impuretés de la surface de l'eau dans le tambour à vapeur ; ce type de purge est continu.

Vanne de Purge de Surface de Chaudière à Tubes de Fumée

Systèmes de Contrôle

Les chaudières modernes à tubes d'eau sont équipées de systèmes de contrôle avancés qui régulent simultanément l'approvisionnement en carburant, le flux d'air, le niveau d'eau, et la pression de la vapeur. Les grandes chaudières à tubes d'eau utilisent un contrôle à trois éléments pour le contrôle du niveau du tambour, mais les chaudières plus petites ne nécessitent pas de systèmes aussi avancés (par exemple, un contrôle à deux éléments ou similaire est suffisant). Un système de contrôle de chaudière effectue les tâches suivantes :

• Surveille et contrôle tous les paramètres critiques, y compris le niveau du tambour, les températures de la vapeur, le rapport air/carburant, en fonction des valeurs de processus reçues des instruments montés sur le terrain.
• Émet des alarmes pour les écarts de processus.
• Initie un arrêt en cas d'écart critique de processus, tel qu'un niveau d'eau du tambour bas/élevé, une température de vapeur élevée, ou une pression de vapeur élevée.
• Surveille les auxiliaires de la chaudière pour détecter les problèmes et effectue des changements automatiques, si nécessaire. Par exemple, mettre en ligne une pompe de secours en cas d'arrêt de la pompe d'alimentation principale.

Contrôle à Trois Éléments du Tambour de Chaudière

Note – le contrôle à trois éléments inclut un quatrième élément, mais il n'est souvent pas montré ou pris en compte lorsqu'on parle de contrôle à trois éléments. Le quatrième élément est la mesure de la pression du tambour à vapeur. Il est essentiel de connaître la pression du tambour à vapeur car elle est responsable de phénomènes tels que le gonflement et le rétrécissement, qui provoquent des fluctuations considérables du niveau enregistré dans le tambour à vapeur ; cela rend le niveau enregistré peu fiable à moins que la pression du tambour à vapeur ne soit prise en compte.

Vannes de Contrôle

Les vannes de contrôle régulent le flux d'eau d'alimentation de la chaudière vers le tambour à vapeur. Pour les grandes chaudières à tubes d'eau, il y aura souvent des vannes d'alimentation redondantes. Pendant le fonctionnement normal, les vannes de contrôle de l'alimentation en eau s'actionnent automatiquement pour maintenir le niveau d'eau du tambour à vapeur près du point de consigne souhaité. 

Instrumentation

Les jauges, indicateurs, transmetteurs, et capteurs sont des instruments utilisés pour surveiller les différentes variables de processus d'une chaudière (pression, température, débit, etc.). Les chaudières à tubes d'eau des centrales électriques utilisent de nombreux types d'instruments pour des visualisations locales et à distance. Par exemple :

• Un manomètre est utilisé pour l'indication locale de la pression.
• Un thermomètre est utilisé pour l'indication locale de la température.
• Un transmetteur de débit peut être utilisé pour l'indication locale et à distance du débit.
• Un verre de niveau est utilisé pour l'indication locale du niveau.
• Un transmetteur de niveau relaie un niveau mesuré en temps réel au système de contrôle pour une surveillance à distance.

Transmetteur de Niveau de Pression Différentielle (DP) du Tambour à Vapeur

Note – si un capteur est jugé critique pour le fonctionnement sûr d'une chaudière, il sera installé plusieurs fois même s'il mesure la même variable ! Par exemple, le niveau d'eau dans le tambour à vapeur d'une chaudière est très important et doit être constamment surveillé, il est donc courant d'installer trois transmetteurs de niveau indépendants sur chaque tambour à vapeur, et ceux-ci mesurent tous le même niveau d'eau. Si un capteur échoue, on suppose que les deux autres sont toujours fiables, et la chaudière peut rester en service pendant que le capteur défaillant est réparé ; cette configuration est appelée une logique de vote deux sur trois (2oo3) et est utilisée dans le monde de l'ingénierie pour les systèmes critiques pour la sécurité. Par exemple, pour initier un arrêt de chaudière en cas de niveau d'eau élevé du tambour, deux des trois transmetteurs de niveau doivent être au-dessus ou au niveau du point de consigne d'arrêt pendant une période de temps prédéfinie (généralement quelques secondes).

Note – la redondance est une méthode pour s'assurer que tous les systèmes critiques pour la sécurité sont efficacement surveillés, mais il existe également la méthode de la ‘variété’. La méthode de la variété repose sur la variété des capteurs utilisés pour une mesure donnée, plutôt que sur leur quantité. Par exemple, le niveau du tambour à vapeur d'une chaudière peut être mesuré à l'aide de capteurs de conductivité, de flotteurs, ou de transducteurs de pression différentielle ; installer les trois donne des résultats provenant d'une variété de capteurs, ce qui est considéré comme plus fiable que simplement trois mesures du même type de capteur.

Cheminée de Gaz d'Échappement

La cheminée de gaz d'échappement expulse les gaz d'échappement de la chaudière dans l'atmosphère. Pour certaines chaudières, les gaz d'échappement peuvent être expulsés sans être traités, mais ce n'est pas le cas pour les chaudières à combustibles fossiles, telles que celles brûlant du pétrole, du charbon, ou du biocarburant ; les chaudières à déchets nécessitent également un nettoyage des gaz d'échappement. L'équipement standard de contrôle de la pollution comprend des précipitateurs électrostatiques, désulfureurs de gaz de combustion, et/ou des filtres à manches.

Précipitateur Électrostatique

Souffleur de Suie

Les souffleurs de suie utilisent de l'air comprimé ou de la vapeur pour nettoyer la suie des tubes de la chaudière, des surfaces du four radiant, des économiseurs, et des réchauffeurs d'air. Le nettoyage des internes de la chaudière de la suie garantit que l'efficacité du transfert de chaleur est maintenue (la suie sur les tubes agit comme un isolant thermique et empêche le transfert de chaleur, entraînant ainsi une réduction de l'efficacité de la chaudière). Le transfert de chaleur efficace peut être inhibé par plusieurs problèmes, les plus courants étant :

• Formation de Tartre – accumulation de minéraux solidifiés sur les surfaces intérieures de la chaudière, qui les isole et réduit l'efficacité du transfert de chaleur.
• Accumulation de Suie – se produit dans les chaudières à combustibles fossiles, où une combustion incomplète entraîne une accumulation de suie sur les surfaces de transfert de chaleur de la chaudière, entraînant ainsi une réduction du transfert de chaleur.

Attemprateur

Les attemprateurs contrôlent la température de la vapeur en injectant de l'eau d'alimentation de chaudière à haute pression dans le flux de vapeur, empêchant ainsi la surchauffe qui pourrait endommager les composants en aval. Les attemprateurs peuvent être installés :

1. À la ligne principale de décharge de vapeur de la chaudière (après le surchauffeur final).
2. Entre les surchauffeurs, par exemple, entre le deuxième et le troisième surchauffeur.
3. Dans une configuration primaire et secondaire, où le primaire est installé entre les surchauffeurs et le secondaire est installé à la ligne principale de décharge de vapeur.

En général, les attemprateurs fonctionnent automatiquement pour maintenir les températures de vapeur à ou près d'un point de consigne donné. Les attemprateurs sont essentiels au fonctionnement sûr d'une chaudière et de ses consommateurs de vapeur. Un attemprateur défectueux peut entraîner des conduites de vapeur inondées, entraînant des coups de bélier dans les tuyauteries de vapeur et des dommages aux turbines à vapeur en aval en raison du transfert d'humidité. Pour éviter que de tels problèmes ne se produisent, la température de la vapeur est soigneusement surveillée directement après les attemprateurs.

Bon à savoir – les attemprateurs sont également connus sous le nom de ‘désemboueurs’.

Tuyauterie de Vapeur

La tuyauterie de vapeur transporte la vapeur de la chaudière au point d'utilisation, comme les turbines ou les équipements de processus. La tuyauterie de vapeur sera isolée pour réduire les pertes de chaleur et peut être soutenue par des suspensions de tuyauterie ou des supports de tuyauterie (supports à pieds coulissants, etc.).

Suspension de Tuyauterie Variable