Qu'est-ce qu'un tambour à vapeur de chaudière ?
Les chaudières à tubes d'eau utilisent des tambours à vapeur pour garantir que la vapeur fournie aux consommateurs est 'propre' (exempte de corps étrangers et d'humidité). Les tambours à vapeur des chaudières à tubes d'eau sont situés au sommet de la chaudière, au-dessus de toutes les autres parties de la chaudière. Le tambour à vapeur se caractérise par sa forme cylindrique longue et est généralement fabriqué à partir de plaques d'acier épaisses pour résister aux hautes pressions et températures auxquelles il fonctionne. Un tambour à vapeur peut mesurer jusqu'à deux mètres de diamètre et 30 mètres de longueur.
Bon à savoir - il existe plusieurs façons d'écrire 'tube d'eau', 'tube-d'eau', ou 'tube d'eau', mais le sens est le même. Il en va de même pour 'tube de fumée', 'tube-de-fumée' et 'tube de fumée' par exemple chaudière à tube de fumée. Les tubes d'eau contiennent de l'eau, tandis que les tubes de fumée contiennent des gaz d'échappement (c'est pourquoi on les appelle aussi 'chaudières à tubes de fumée').
Bon à savoir - les chaudières à tubes de fumée sont des chaudières à basse pression. Les chaudières à tubes d'eau sont utilisées dans les centrales électriques car elles peuvent fournir une grande quantité de vapeur, à haute température et haute pression. Les chaudières à tubes de fumée sont limitées en taille en raison de leur conception de coque de chaudière (voir notre article sur les chaudières à tubes de fumée pour plus de détails).
Position du Tambour à Vapeur de Chaudière à Tubes d'Eau
Quelles sont les principales fonctions d'un tambour à vapeur ?
Un tambour à vapeur a trois fonctions principales :
- Son objectif principal est de fournir de la vapeur propre et sèche aux consommateurs en aval, tels que les surchauffeurs et les turbines à vapeur. Le tambour à vapeur garantit qu'aucune humidité (gouttelettes d'eau) ou vapeur humide n'atteint ces composants en aval, évitant ainsi les dommages dus à des problèmes tels que le transport, le coup de bélier et la corrosion excessive.
- Les tambours à vapeur servent également de réservoir, contenant une petite quantité d'eau saturée pour répondre aux fluctuations de la demande de vapeur dans le système de chaudière.
- Le traitement de l'eau a lieu dans le tambour à vapeur. Par exemple, le mélange de produits chimiques pour le traitement interne de la chaudière se fait dans le tambour à vapeur, tout comme la purge (un processus utilisé pour contrôler les propriétés de l'eau telles que les solides en suspension totaux (TSS) et les solides dissous totaux (TDS)).
Schéma de Chaudière à Tubes d'Eau
Quelles sont les principales parties d'un tambour à vapeur de chaudière à tubes d'eau ?
Une description détaillée des principales parties d'un tambour à vapeur est donnée ci-dessous. Il est important de noter les définitions suivantes :
- Eau d'alimentation - eau qui a été traitée, mais qui n'est pas encore entrée dans la chaudière.
- Eau de chaudière - eau qui se trouve dans la chaudière (y compris le tambour à vapeur).
- Condensat - vapeur qui s'est condensée en eau. Le condensat redevient de l'eau d'alimentation après avoir été traité.
Pour en savoir plus sur les chemins d'écoulement de l'eau et de la vapeur autour d'une chaudière à tubes d'eau, consultez notre article sur les chaudières à tubes d'eau. Vous pouvez également en apprendre davantage sur les différents types de chaudières et toutes leurs parties (collecteur de vapeur, paroi du four, etc.) dans notre cours vidéo sur les fondamentaux de l'ingénierie de puissance.
Parties du Tambour à Vapeur de Chaudière
- Entrée d'eau d'alimentation : Le tuyau d'eau d'alimentation, qui s'étend sur toute la longueur du tambour à vapeur, distribue uniformément l'eau d'alimentation dans le tambour. L'eau d'alimentation est introduite dans le tambour par des trous espacés uniformément dans le tuyau, assurant une répartition uniforme sur toute la longueur du tambour.
Bon à savoir - 'eau d'alimentation' s'écrit aussi 'eau d'alimentation' ou 'eau-d'alimentation', mais le sens est le même.
- Descendeurs et Élévateurs : Les descendeurs distribuent l'eau de chaudière du tambour à vapeur aux tambours de boue à la base des parois du four. Lorsque l'eau est chauffée, elle monte dans les parois du four en raison de son changement de densité (les fluides plus chauds sont moins denses), se transformant en un mélange eau-vapeur au fur et à mesure. Le mélange eau-vapeur retourne ensuite au tambour à vapeur via les collecteurs de vapeur.
Bon à savoir - les descendeurs ont un diamètre plus grand que les élévateurs et sont moins nombreux. Un tube élévateur a un diamètre plus petit car cela augmente son taux de transfert de chaleur, tandis que ce n'est pas une exigence pour un tube descendeur. Les élévateurs et les descendeurs sont généralement fabriqués à partir de tuyaux en acier au carbone sans soudure.
Bon à savoir - les élévateurs sont parfois appelés 'tubes élévateurs', ou 'tuyaux élévateurs'. De même, les descendeurs sont parfois appelés 'tubes descendeurs' ou 'tuyaux descendeurs'.
- Sortie de vapeur saturée : Une fois que la vapeur est suffisamment nettoyée et séchée, elle est évacuée par des tuyaux de décharge de vapeur situés au sommet du tambour à vapeur. La vapeur évacuée est chauffée par des surchauffeurs pour augmenter sa température avant d'être dirigée vers son consommateur final, tel qu'une turbine à vapeur. Il est important de noter que la vapeur saturée est évacuée du tambour à vapeur, mais elle est convertie en vapeur surchauffée une fois qu'elle a traversé les surchauffeurs ; cela réduit la probabilité de formation de gouttelettes d'eau dans la vapeur. La sortie de vapeur d'une chaudière à tubes d'eau peut être considérable, parfois supérieure à 350 kg/s (771 lb/s), avec le système de chaudière pouvant fonctionner à plus de 190 bar (2 755 psi), et à plus de 500°C (932°F),
Bon à savoir - les surchauffeurs ajoutent de la chaleur sensible à la vapeur. La chaleur sensible augmente la température de la vapeur, mais ne change pas son état/phase, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de changement d'état de l'eau à la vapeur ou vice versa. La chaleur latente est l'énergie ajoutée ou retirée lors d'un changement d'état, c'est-à-dire lors du processus de condensation ou d'évaporation, mais ce changement d'énergie ne provoque aucun changement de température.
Internes du Tambour à Vapeur
- Ligne de dosage chimique : La ligne de dosage chimique introduit des produits chimiques dans la chaudière. Ces produits chimiques, distribués uniformément sur la longueur du tambour à vapeur, réduisent la probabilité de corrosion, d'accumulation de tartre, et d'autres problèmes potentiels dans le système de chaudière. L'environnement turbulent à l'intérieur du tambour à vapeur aide au mélange de ces produits chimiques.
- Ligne de purge continue (CBL) : Pour réguler la concentration de produits chimiques dans la chaudière, la ligne de purge continue élimine constamment une partie de l'eau de chaudière. Ce processus est vital car l'évaporation de l'eau peut entraîner une accumulation de produits chimiques non évaporatifs, augmentant ainsi le nombre total de solides dissous (TDS).
- Surveillance du niveau d'eau : La ligne bleue indiquée dans le tambour à vapeur représente la ligne d'eau de fonctionnement normale (NOWL ou NWL), parfois aussi appelée 'ligne d'eau normale'. Les trous d'instrumentation dans le tambour à vapeur accueillent des indicateurs de niveau d'eau tels que des capteurs de niveau et des verres indicateurs, ainsi que des capteurs de pression et des capteurs de température. Ces instruments aident à garantir que le niveau d'eau du tambour reste dans les limites définies. Consultez notre article sur le contrôle du niveau du tambour pour plus d'informations sur la façon dont le niveau d'eau dans une chaudière à tubes d'eau est maintenu.
Séparateurs de vapeur - l'eau et la vapeur sont séparées dans le tambour à vapeur en utilisant les méthodes suivantes :
- Séparation centrifuge : Le mélange eau-vapeur, en entrant dans le tambour, passe par un séparateur centrifuge. Cet appareil utilise le principe de la force centrifuge pour séparer une partie de l'eau de la vapeur.
- Séparation par gravité et densité : Les molécules d'eau plus denses se déposent naturellement à la base du tambour à vapeur en raison des forces gravitationnelles.
Bon à savoir - une différence de densité dans un fluide est toujours créée chaque fois qu'il y a une différence de température, c'est la base de la convection naturelle.
- Chemin d'écoulement tortueux : La vapeur semi-propre passe ensuite par un épurateur situé au sommet du tambour à vapeur ; cela fournit un chemin d'écoulement tortueux. Ce chemin provoque la collision des molécules d'eau avec les surfaces de l'épurateur, où elles coalescent en gouttelettes plus grosses et retombent dans le tambour. L'épurateur, généralement fabriqué à partir de grilles métalliques pressées ensemble, est parfois appelé sèche-chevrons ou démister, et il garantit que plus de 99,5% de l'eau est séparée de la vapeur.
Gonflement et Rétrécissement dans les Tambours à Vapeur
Les fluctuations soudaines de pression jouent un rôle dans le comportement de l'eau et de la vapeur dans un tambour à vapeur. Il y a deux principaux problèmes que les fluctuations de pression causent : le gonflement et le rétrécissement.
- Gonflement - il y a une demande soudaine de vapeur élevée, provoquant une diminution de la pression dans le tambour à vapeur, ce qui entraîne une augmentation du niveau d'eau. L'augmentation du niveau d'eau se produit car les bulles de vapeur suspendues dans l'eau se dilatent (augmentent en volume) à mesure que la pression du tambour diminue, ce qui provoque une augmentation du niveau d'eau. Dans une chaudière à contrôle simple à un élément, la vanne d'entrée d'eau d'alimentation automatique se ferme en réponse à l'augmentation du niveau d'eau, ce qui signifie effectivement que l'eau alimentée dans la chaudière a diminué même si la consommation de vapeur a augmenté (une situation dangereuse si elle n'est pas corrigée).
- Rétrécissement - à l'inverse, lorsqu'il y a une réduction soudaine de la demande de vapeur, la pression du tambour à vapeur augmente, provoquant une diminution du volume des bulles de vapeur suspendues et une diminution du niveau d'eau. La vanne d'entrée d'eau d'alimentation automatique s'ouvre en réponse à la diminution du niveau d'eau, provoquant une réduction encore plus importante du niveau d'eau. Cela se produit car l'eau relativement froide entrant dans le tambour à vapeur refroidit l'eau et les bulles de vapeur, provoquant l'effondrement des bulles de vapeur.
Les fluctuations de pression, et l'expansion ou la contraction subséquente qu'elles provoquent, peuvent affecter considérablement le niveau d'eau d'un tambour à vapeur. Si elles ne sont pas correctement gérées, ces changements peuvent entraîner un transport d'eau vers les surchauffeurs et les turbines à vapeur, risquant des dommages et des inefficacités. Si le niveau d'eau diminue en raison de la contraction thermique, les surfaces de transfert de chaleur de la chaudière (tubes de chaudière etc.) peuvent ne pas recevoir suffisamment d'eau et pourraient surchauffer, posant un risque pour l'intégrité de la chaudière.
Contrôle à Trois Éléments du Tambour à Vapeur
De nombreux facteurs peuvent affecter le niveau d'eau dans un tambour à vapeur. Le niveau d'eau doit être maintenu dans des limites définies à tout moment pour assurer le fonctionnement sûr de la chaudière, son fonctionnement efficace et la protection des composants en aval. Pour garantir des lectures précises du niveau du tambour, le système de chaudière utilise une méthode connue sous le nom de contrôle à trois éléments. Le contrôle à trois éléments mesure :
- Le débit de vapeur en sortie.
- Le débit d'eau d'alimentation en entrée.
- La pression du tambour à vapeur.
- Niveau d'eau réel dans le tambour à vapeur.
Contrôle à Trois Éléments
Ces facteurs aident à déterminer le bilan massique de la chaudière (ce qui a été introduit dans la chaudière par rapport à ce qui en est sorti). En tenant compte de tous ces facteurs, le système peut déterminer avec précision le niveau d'eau, en tenant compte des éventuelles divergences causées par les changements de pression. Vous pouvez en apprendre davantage sur le contrôle à un élément, le contrôle à deux éléments et le contrôle à trois éléments dans notre cours vidéo sur les fondamentaux de l'ingénierie de puissance.
Quelle est la différence entre un tambour à vapeur et un tambour de boue ?
Les tambours à vapeur sont situés au sommet de la chaudière, tandis que les tambours de boue (ou tambour de boue) sont situés au point le plus bas de la chaudière. Le nom ‘tambour de boue’ provient du matériau sale (‘boues’) qui s'accumule dans les tambours.
Ressources supplémentaires
https://boilersinfo.com/boiler-steam-drum-internals-function/
https://www.rasmech.com/blog/steam-drum-101-boiler-basics/
https://www.processindustryinformer.com/optimising-boiler-and-steam-drum-level-control/
https://www.vega.com/en/company/blog/2020/steam-boiler-drum-level-measurement-technology-comparison