Points d’échantillonnage et paramètres pour les générateurs de vapeur industriels basse pression

Par Brad Buecker, ChemTreat, Inc. et Ken Kuruc, Hach

Cet article a été initialement publié dans PPCHEM^® Journal; PPCHEM^® 2020, 22(4), 142-150; https://journal.ppchem.com/

Résumé

Bien que des milliers de générateurs de vapeur à basse pression existent dans des installations industrielles du monde entier, la chimie de ces unités n’a pas reçu la même attention que celle des unités à haute pression. Les conditions dans ces générateurs de vapeur ne sont généralement pas aussi dures que dans les unités de services publics, mais le contrôle de la chimie de l’eau ou de la vapeur est toujours très important pour les systèmes de vapeur ou de condensat des usines. Cet article traite de nombreux points d’échantillonnage et paramètres parmi les plus importants pour les générateurs de vapeur industriels, et illustre les avantages d’un contrôle chimique approprié pour maintenir la fiabilité et la disponibilité de l’équipement.

Introduction aux points d’échantillonnage et aux paramètres des générateurs de vapeur industriels basse pression

Depuis plus de deux décennies, la revue PPCHEM^® propose des articles informatifs d’experts de classe mondiale sur la chimie de générateur de vapeur à haute pression. Les connaissances fournies ont été très utiles à de nombreux chimistes et techniciens de centrales électriques. Cependant, les auteurs de cet article reconnaissent que des milliers de générateurs de vapeur à basse pression existent dans les installations industrielles du monde entier. Même si les conditions dans ces générateurs de vapeur ne sont généralement pas aussi dures que dans les unités de service public, le contrôle de la chimie de l’eau ou de la vapeur est toujours très important. Pourtant, les auteurs ont fréquemment observé que certains propriétaires d’installations industrielles, opérateurs et personnels techniques se concentrent sur l’ingénierie des procédés et la chimie, plutôt que de négliger les systèmes de vapeur ou de condensat de l’usine. Cet article décrit de nombreux points d’échantillonnage et paramètres parmi les plus importants pour les générateurs de vapeur industriels, et illustre les avantages d’un contrôle chimique approprié pour maintenir la fiabilité et la disponibilité de l’équipement.

Circuit industriel de générateur de vapeur

La figure 1 ci-dessous illustre un schéma général d’un système industriel commun de générateur de vapeur ou de condensat retourné. De toute évidence, un certain nombre d’alternatives ou de nuances à cet agencement peuvent exister en fonction de la nature des produits générés et des conditions requises de la vapeur. Cependant, le schéma fournit une bonne base pour cette discussion. Dans cet article, les auteurs considéreront principalement les générateurs de vapeur dont la pression est inférieure à 4,14 MPa (600 psig).

Le texte suivant progresse à travers les points d’échantillonnage numérotés, avec quelques commentaires sur l’évolution des progrès du traitement chimique qui offrent des améliorations par rapport aux anciennes technologies. Un point important à noter dans le diagramme et dans la discussion ci-dessous est que l’échantillonnage continu est recommandé à plusieurs endroits. La surveillance continue de la chimie de l’eau ou de vapeur est, bien sûr, importante pour les unités de production d’électricité à haute pression ou température, mais même dans ces systèmes à basse pression, certaines perturbations peuvent causer de graves dommages à court terme qui ne peuvent être détectés en temps opportun avec un échantillonnage ponctuel seul.

Afin d’obtenir des informations pertinentes et précieuses à partir de l’échantillon prélevé, il faut être certain que l’échantillon obtenu est représentatif de l’espèce dans la boucle. Cela est vrai à la fois pour les échantillons ponctuels et pour la surveillance en ligne. Il est particulièrement préoccupant que la vitesse du fluide entrant dans l’orifice de la buse d’échantillon soit exactement la même que la vitesse du courant échantillonné, autrement connu sous le nom d’échantillonnage isocinétique. L’Association internationale pour les propriétés de l’eau et de la vapeur (IAPWS) a produit un document d’orientation technique (DOT) qui aborde les défis de la réalisation de ces mesures [1].

Qualité des effluents du système d’appoint n° 1

Une conception de système d’appoint assez courante dans de nombreuses usines, du moins aux États-Unis, repose sur l’adoucissement au sodium de l’eau de l’usine d’entrée, dont la source est souvent l’eau potable municipale. Ces approvisionnements d’appoint sont généralement exempts de solides en suspension (sauf peut-être ceux capturés par une certaine corrosion des tuyaux en acier au carbone) et contiennent principalement les ions dissous de la source d’origine. Souvent, une partie importante de la dureté a déjà été éliminée à l’usine d’eau par adoucissement à la chaux. Cependant, même ces eaux, bien que potables, nécessitent un traitement supplémentaire pour l’élimination de la dureté. L'équation (1) ci-dessous décrit le mécanisme de formation de tartre le plus courant qui peut se produire dans les générateurs de vapeur à moins que la dureté ne soit réduite.

Ca²⁺ + 2HCO₃^– + heat → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O (1)

Le carbonate de calcium (CaCO₃) est inversement soluble avec la température, et donc les solutions contenant du calcium et de l’alcalinité bicarbonate, qui peuvent être bonnes dans les conditions ambiantes, peuvent provoquer un entartrage significatif dans les systèmes d’eau chaude, les chaudières et autres échangeurs de chaleur (voir figure 2).

L’un des auteurs a déjà été employé dans une usine chimique où l’appoint entrant était divisé en deux flux, l’un avec un traitement d’adoucissement au sodium pour une partie du processus de fabrication et l’autre avec une osmose inverse (OI) suivie d’un polissage d’échange cationique et anionique pour des besoins de haute pureté. Pour garantir une sortie fiable des adoucisseurs, le personnel de l’usine a installé un moniteur de calcium continu sur l’effluent de l’adoucisseur, dont la limite de détection était de 1 μg·L^–1.

Même un adoucisseur qui est bien entretenu et utilisé permet toujours aux autres ions de l’appoint d’atteindre la chaudière, ce qui peut causer des difficultés.

Par exemple, l’alcalinité du bicarbonate, lorsqu’elle atteint la chaudière, est en grande partie convertie en CO₂ via les réactions suivantes (équations (2) et (3)) :

2HCO₃^– + chaleur → CO₃^2– + CO₂↑ + H₂O (2)
CO₃^2– + chaleur → CO₂↑ + OH^– (3)

La conversion totale de CO₂ venant des réactions combinées peut atteindre 90 %. CO₂ clignote avec la vapeur, et quand le CO₂ se dissout à nouveau dans le condensat, il peut augmenter l’acidité du condensat retourné.

CO₂ + H₂O ⇔ H₂CO₃ ⇔ H⁺ + HCO₃^– (4)

Bien que l’acidité générée par cette réaction ait une limite inférieure relativement douce (pH minimum supérieur 5), elle est largement suffisante pour provoquer une corrosion importante de l’acier au carbone dans les systèmes de retour de condensat. Si de l’oxygène dissous est présent, la corrosion peut être fortement amplifiée.

D’autres impuretés qui peuvent entrer dans le système de génération de vapeur avec adoucissement du sodium comme seul traitement d’appoint comprennent les sels de chlorure et de sulfate et la silice. Ces composés peuvent potentiellement influencer la corrosion et la pureté de la vapeur. Grâce au développement de technologies à membrane fiables, l’OI offre une alternative solide et une mise à niveau vers l’adoucissement, où même les systèmes de base peuvent éliminer 99 % de tous les ions de l’eau. L’instrumentation analytique pour les unités OI est généralement incluse avec le système comme indiqué dans la figure 3.

Les sorties de l’instrument peuvent être connectées aux réseaux de système de contrôle local et distribué (DCS) à des fins de surveillance et d’exploitation. Des alarmes et, si nécessaire, un arrêt automatique de l’unité sont possibles pour un certain nombre de conditions. Certains des plus importants incluent [2] :

• Faible pression d’entrée
• PH élevé / bas
• Haute température
• Pression de perméat élevée
• Conductivité élevée du perméat
• Faible débit de concentré

Une autre mesure qui peut être bénéfique en amont d’une unité OI est le potentiel d’oxydo-réduction (ORP) pour protéger les membranes d’une excursion d’un biocide oxydant, qui pourrait provoquer de graves dommages.

Appoint pour le désaérateur (n° 2 and n° 3)

Seules les analyses d’échantillons ponctuels sont présentées pour ces points d’échantillonnage, car dans des conditions normales, la chimie ne doit pas changer par rapport à celle produite par le système de traitement de l’eau d’appoint. À l’occasion, cependant, les réservoirs de stockage d’appoint ont été contaminés par des circonstances inhabituelles. La figure 1 montre également un échangeur de chaleur pour récupérer l’énergie de la vidange sous pression de la chaudière. Ces échangeurs ne sont pas toujours présents. Si un échangeur développe une fuite, la vidange sous pression de la chaudière sera de moins bonne qualité que le complément et contaminera l’eau d’alimentation.

Condensat retourné (n° 4)

Pour la discussion suivante de l’exemple du point 4 (et également n° 6 à n° 10), le tableau 1 est un bon guide. Il décrit les données extraites de [4], qui a été un guide à long terme des limites de qualité de l’eau pour les chaudières industrielles aux États-Unis.

Compte tenu de l’énorme variété de produits provenant des usines chimiques, des raffineries, des aciéries, des installations de production d’acide et autres, de multiples impuretés provenant d’échangeurs de chaleur ou de récipients de réaction qui fuient pourraient être présentes dans le condensat retourné. Une histoire de cas classique provient d’une usine chimique organique que l’un des auteurs et un ancien collègue ont visité il y a quelques années. Les surchauffeurs de quatre chaudières à bloc 3,79 MPa (550 psig) ont dû être remplacés tous les 1,5 à 2 ans en raison d’un dépôt excessif et d’une surchauffe. Un premier tour de piste a révélé de la mousse sortant de la ligne d’échantillonnage de vapeur saturée de chaque chaudière. Un examen des données sur la chimie de l’eau fournies par un fournisseur externe a indiqué des concentrations de carbone organique total (COT) dans le condensat retourné aussi élevées que 200 mg.·L^–1. Comparez cette valeur avec la limite de 0,05 mg L^–1 d’eau d’alimentation recommandée dans le tableau 1. Les composés organiques élevés ont provoqué une forte formation de mousse dans les fûts de la chaudière et un transfert de composés vers la vapeur. Contrairement à la disposition illustrée à la figure 1, le condensat retourné n’avait pas d’instrumentation en ligne et pas de système de vidage automatique pour éliminer le condensat contaminé.

En fonction du potentiel d’entrée d’impuretés dans le condensat retourné, un certain nombre d’instruments différents peuvent convenir pour surveiller le condensat retourné. La conductivité spécifique et la conductivité cationique (maintenant souvent désignée comme conductivité après échange cationique (CACE)) viennent rapidement à l’esprit, car elles peuvent fournir une indication générale de contamination, la CACE aidant à rendre compte de l’influence de l’ammoniac ou des amines neutralisantes utilisées pour ajuster le pH (Une discussion supplémentaire sur la surveillance et le contrôle du pH est incluse ci-dessous). Pour l’historique de cas mentionné ci-dessus, les analyses de COT auraient pu être bénéfiques. Une application supplémentaire dans laquelle les analyseurs de COT peuvent être utiles est celle des systèmes de vapeur / condensat des installations d’importation et d’exportation de gaz naturel liquéfié (LNG). Encore une autre mesure analytique potentiellement très utile dans les raffineries, les usines pétrochimiques et autres est l’huile dans l’eau [5]. De nombreuses sources de pénétration d’huile ou d’hydrocarbures dans le condensat (et l’eau de refroidissement) sont possibles dans ces installations.

Vapeur d’entrée du désaérateur (n° 5)

Un robinet d’échantillonnage sur cette ligne permet des contrôles périodiques de la pureté de la vapeur vers le dégazeur. Cependant, la vapeur fournie au dégazeur sera extraite de la vapeur principale, dont les analyses recommandées sont décrites plus loin dans cet article. Avec cette instrumentation en place, l’échantillonnage du n° 5 ne devrait normalement pas être requis.

Eau d’alimentation de la chaudière (n° 6 au n° 9)

De nombreux articles ont été publiés dans le journal PPCHEM^® et ailleurs au cours des dernières décennies sur la chimie de l’eau d’alimentation des générateurs de vapeur à haute pression et la nécessité de minimiser la corrosion à débit accéléré (FAC) [6]. Pour les unités qui n’ont pas d’alliages de cuivre dans le système de condensat / l’eau d’alimentation, la chimie du traitement a évolué vers un traitement oxydant tout volatil (AVT (O)) ou un traitement oxygéné (OT), où la présence d’un peu d’oxygène est nécessaire pour générer la couche d’oxyde correcte sur les surfaces en acier au carbone. Cependant, l’AVT (O) et en particulier l’OT nécessitent une eau d’appoint de haute pureté (CACE < 0,2μS·cm^–1 pour AVT(O) et <0,15μS·cm^–1 pour OT), car il en résultera une corrosion par l’oxygène grave. C’est un luxe qui n’est pas courant dans de nombreuses installations industrielles. En conséquence, un dégazeur bien entretenu et en fonctionnement est un composant essentiel du réseau d’eau d’alimentation. Comme c’est souvent le cas avec les générateurs de vapeur utilitaires, la figure 1 montre une analyse continue à l’entrée de l’économiseur n° 8. L’une de ces mesures est, bien entendu, l’oxygène dissous (DO). Un dégazeur fonctionnant correctement doit réduire les concentrations d’oxygène dissous à 7μg·L^–1. Des agents d’épuration / agents réducteurs d’oxygène chimiques supplémentaires peuvent être utilisés pour abaisser encore plus la concentration de DO. L’utilisation d’un compteur portable d’oxygène dissous aux points d’échantillonnage n° 6 et n° 7 peut aider à confirmer les lectures en ligne ou à dépanner l’entrée d’air au niveau des pompes d’alimentation de la chaudière. Une analyse continue de l’oxygène dissous de l’échantillon n° 8 est également recommandée.

Remarque : Le point d’échantillon n° 9 est un emplacement encore meilleur que le n° 8, mais selon l’expérience des auteurs, ce point d’échantillonnage, l’économiseur, n’est souvent pas disponible.

Cependant, une question qui peut être posée à juste titre est la suivante : « Le FAC peut-il également se produire dans les systèmes d’eau d’alimentation industriels, en particulier si l’oxygène dissous est réduit à de très faibles niveaux? » La réponse est oui, mais dans de nombreux cas, l’AVT (O) ou l’OT ne sont pas acceptables en raison de solides dissous plus élevés que ce qui est autorisé (pour ces programmes), qui sont souvent présents dans les eaux d’alimentation et d’appoint des chaudières industrielles. La recherche et l’exploitation dans les unités de services publics ont montré que le pH a une forte influence sur le FAC, et donc le contrôle du FAC peut dans une large mesure être approché à cet égard.

Des lignes directrices élaborées par l’Institut de recherche sur l’énergie électrique (EPRI), l’Association internationale pour les propriétés de l’eau et de la vapeur (IAPWS) et d’autres recommandent un pH de l’eau d’alimentation supérieur 9,0, et typiquement au moins dans une plage moyenne de 9, pour les unités de centrale électrique. La corrosion de l’acier est considérablement réduite à ces niveaux d’alcalinité. Alors que le tableau 1 suggère une gamme de pH de 8,3–10,0 pour les chaudières industrielles, la limite inférieure peut probablement être augmentée, de préférence vers les plages recommandées pour les unités de puissance et indicatives des données indiquées sur la figure 4.

Dans l’industrie de l’énergie, le produit chimique commun de conditionnement du pH de l’eau d’alimentation est l’ammoniac, qui élève le pH via la réaction indiquée dans l’équation (5):

NH₃ + H₂O⇔NH₄ + OH^– (5)

L’ajout d’ammoniac à l’eau est une réaction d’équilibre et donc l’augmentation du pH est limitée. Mais l’ammoniac est assez volatil et le composé se partage considérablement avec la vapeur dans les chaudières à basse pression. Pour les unités industrielles, les amines neutralisantes sont une alternative courante à l’ammoniac pour le conditionnement du pH de l’eau d’alimentation.

L’élaboration du meilleur programme pour une protection complète du système a parfois été difficile avec ces composés, car chacun a un rapport de basicité et de distribution différent (voir 2). De nombreux systèmes industriels de générateur de vapeur / condensat retourné sont assez complexes, où il est souhaitable d’avoir un contrôle approprié du pH dans tout le réseau, mais dans lesquels un seul composé n’est pas suffisant. Les collègues des auteurs ont développé des produits à base d’amines mélangées qui peuvent fournir une couverture étendue. Cependant, une analyse approfondie de la conception du système, de la métallurgie, de la chimie actuelle et des températures de fonctionnement est une condition préalable à la sélection du programme approprié.

Une autre question qui se pose concerne la surveillance du pH. La mesure du pH est difficile dans les eaux de haute pureté (généralement considérées comme ayant des valeurs de conductivité <2μS·cm^–1), et pour les générateurs de vapeur à haute pression, des algorithmes ont été développés pour calculer le pH sur la base de mesures de conductivité et de CACE spécifiques. Ceux-ci sont précis dans les plages de pH typiques recommandées pour l’eau d’alimentation. Mais, avec les eaux d’alimentation des chaudières industrielles de plus faible pureté, les mesures directes du pH sont plus fiables. Ainsi, le pH est une mesure en ligne recommandée pour le point d’échantillonnage n° 8 ou n° 9, si disponible.

La surveillance du fer des points d’échantillonnage n° 6, n° 7 et n°8 ou n° 9 est fortement recommandée pour suivre la corrosion de l’eau d’alimentation et évaluer les performances des programmes de traitement chimique. De même, une surveillance régulière du fer du condensat retourné (n° 4) doit être envisagée, dans une large mesure pour s’assurer que les programmes de traitement chimique protègent les réseaux de tuyauteries en acier au carbone souvent très grands.

Remarque : Les alliages de cuivre sont souvent un matériau de choix pour les tubes d’échangeurs de chaleur. Les limites de l’espace empêchent une discussion sur les méthodes de traitement chimique de ces matériaux, mais des analyses d’échantillons ponctuels périodiques pour le cuivre sont recommandées pour les systèmes qui ont des alliages de cuivre pour s’assurer que le programme de traitement fonctionne correctement.

Comme les auteurs l’ont signalé précédemment [7,8], des méthodes de laboratoire colorimétriques simples ont traditionnellement été utilisées pour surveiller la contamination par le fer dissous. La méthode colorimétrique courante pour le fer dissous est basée sur le complexe ferrozine ferreux extrêmement sensible décrit
par Stookey [9]. Complexes de ferrozine avec du fer ferreux dissous pour former un complexe violet intensément coloré. La concentration en fer ferreux dissous peut être déterminée en mesurant l’absorbance de ce complexe. Les modifications de cette méthode traditionnelle permettent désormais de doser à la fois le fer dissous et les oxydes de fer particulaires à de très faibles concentrations.

La dissolution réductrice des oxydes de fer via des composés contenant du thiol a été minutieusement étudiée par Waite et al. L’acide thioglycolique (TGA) a été utilisé pour dissoudre et réduire avec succès divers oxydes de fer. Alors que la magnétite se dissout relativement facilement avec le TGA, l’hématite s’est avérée beaucoup plus résistante à cette méthode [10,11]. Cependant, TGA est compatible avec le réactif ferrozine sensible et est disponible dans le commerce sous forme de réactif combiné. Ce réactif combiné digestion-réduction-détection est particulièrement utile pour simplifier l’analyse et minimiser la contamination.

La dissolution complète de la magnétite et de l’hématite particulaires peut être obtenue avec une digestion en récipient fermé de 135 °C, 30 minutes en utilisant 240 μL de réactif combiné et 12 ml d’échantillon. La digestion est effectuée dans un flacon en verre de 20 ml chauffé dans un bloc d’aluminium. Une fois l’échantillon refroidi, l’absorbance est déterminée avec un spectrophotomètre et un 1 pouce. Cellule (2,54 cm) (voir la figure 5). La plage étalonnée utilisant cette procédure est 1–100μg·L^–1 avec une limite de détection de méthode (MDL) de 0,3μg·L^–1.

Des méthodes en ligne sont disponibles pour la surveillance du fer, y compris celles basées sur la néphélométrie, mais elles dépassent souvent le budget des installations industrielles. L’IAPWS a généré un TGD qui traite de la variété des méthodes analytiques qui peuvent être utilisées pour le fer [12].

Vidange sous pression de la chaudière (n° 10)

Le choix des analyseurs pour la vidange sous pression de chaudière peut être difficile, car avec les unités basse pression, une variété de programmes de traitement est possible. Dans les années 1930, alors que les unités de production d’électricité augmentaient en nombre et en taille, le phosphate trisodique (Na₃PO₄, également connu sous le nom de TSP) est devenu un produit chimique de conditionnement du pH de chaudière populaire pour les chaudières à baril.

Na₃PO₄ + H₂O⇔NaH₂PO₄ + NaOH (6)

Dans le secteur de l’énergie, les programmes de traitement des phosphates ont beaucoup évolué, passant du TSP à des programmes coordonnés et congruents, avec un retour au TSP uniquement, bien qu’à de faibles doses. Pour les chaudières industrielles, les méthodes de traitement au phosphate restent un choix fort, mais ne se limitent pas toujours aux TSP. Les températures plus basses peuvent permettre une chimie similaire aux anciens programmes de phosphate coordonnés, avec des ratios sodium/phosphate inférieurs à 3:1. Une deuxième fonction du phosphate, qui est particulièrement importante pour les unités dans lesquelles des ions de dureté peuvent pénétrer périodiquement, est de contrôler la formation de tartre. Le phosphate et l’alcalinité produite par sa réaction avec l’eau (voir Eq. (6)) réagissent avec les ions de dureté pour, au moins dans une certaine mesure, former des boues molles par opposition à du tartre dur.

Les conditionneurs de boue composés de polymères solubles dans l’eau qui aident à maintenir les solides en suspension par une combinaison de dispersion, de modification cristalline et de séquestration sont souvent recommandés avec le traitement au phosphate. Les particules de fer provenant de la corrosion du système de condensat retourné peuvent être problématiques, car les conditionneurs de boues aident à maintenir les particules en suspension pour une vidange sous pression ultérieure. Ces polymères peuvent parfois servir de traitement autonome, en particulier si la pénétration de dureté n’est pas un problème. Les formulations de polymère comprennent fréquemment un adjuvant d’alcalinité pour maintenir le pH dans une plage de pH légèrement basique similaire au phosphate.

La chimie des chélateurs a parfois été utilisée avec succès dans des unités de baril industrielles, dans lesquelles les produits chimiques se lient directement aux métaux pour les maintenir en suspension. L’acide éthylènediaminetétraacétique (EDTA) est le chélateur le plus connu. Cependant, une mauvaise utilisation des chélateurs peut provoquer une corrosion localisée des composants de la chaudière.

Ainsi, les paramètres analytiques des unités de tambour industrielles incluent évidemment le pH et le phosphate, si ce produit chimique est utilisé. Comme pour les chaudières utilitaires, la conductivité spécifique et cationique sont des mesures importantes pour déterminer la concentration générale des solides dissous dans la chaudière et ajuster la vidange sous pression en conséquence. La surveillance des concentrations de polymères a été améliorée avec le développement de produits étiquetés qui répondent à la fluorescence.

Vapeur saturée (n° 11)

En général, la pureté de la vapeur dans les chaudières à basse pression n’est pas problématique car le risque de transfert, par rapport aux unités utilitaires haute pression, est diminué en raison des pressions et températures plus basses. Cependant, comme le montre l’historique de cas qui a introduit la section de condensat retourné, les problèmes de transfert ne peuvent pas être ignorés. Dans ce cas, les impuretés organiques ont déclenché la formation de mousse et le transfert ultérieur, mais d’autres problèmes pouvant induire un transfert comprennent des composants de séparation de vapeur endommagés ou défaillants dans le tambour de la chaudière, des fluctuations de charge soudaines qui provoquent une montée en flèche, une teneur excessive en minéraux dans l’eau de la chaudière, une mauvaise conception du baril, manque d’attention de l’opérateur aux niveaux d’eau, etc. Une analyse d’échantillons ponctuels courante dans l’industrie de l’énergie est le sodium, car cet élément peut être mesuré avec une excellente précision. Les concentrations dans une plage basse de μg·L^–1 devraient être la norme. Selon le tableau 1, les solides dissous totaux (TDS) représentent un autre paramètre analytique, bien que ces analyses nécessitent du temps pour filtrer l’échantillon, peser le liquide résultant et le récipient, puis le sécher complètement et repeser le récipient avec les solides séchés. La vapeur saturée est le fluide le plus difficile dans un générateur de vapeur à échantillonner avec précision, car la vapeur est très proche des conditions biphasiques qui peuvent introduire des inexactitudes à moins que des techniques d’échantillonnage rigoureuses ne soient employées. Cela comprend l’utilisation d’un dispositif d’échantillonnage isocinétique dans la conduite de vapeur. Encore une fois, reportez-vous à la référence [1].

Vapeur surchauffée (n° 12)

Dans l’industrie de l’énergie, la vapeur surchauffée, et idéalement la vapeur de réchauffage, est le meilleur choix pour les analyses en ligne. L’échantillonnage de réchauffage tient compte de tous les effets antérieurs, y compris l’atténuation, qui peuvent influencer la vapeur, et est particulièrement important pour protéger la ou les turbines complexes et usinées avec précision en aval. Cette disposition contraste avec les chaudières industrielles, qui normalement n’ont pas de réchauffeurs et peuvent souvent ne pas entraîner de turbines ou avoir une atténuation. Plusieurs de ces scénarios sont examinés ci-dessous.

Les directives de pureté de la vapeur présentées dans le tableau 1 n’incluent qu’un seul paramètre, TDS. Ce n’est pas une analyse qui peut être effectuée en ligne. Certaines analyses en ligne continues sont nécessaires pour se prémunir contre les perturbations qui pourraient causer des problèmes dans les équipements en aval. Une possibilité est le CACE, qui est une indication générale du transfert de sel (principalement des chlorures et des sulfates) dans la vapeur. Le sodium est une autre mesure fiable et relativement peu coûteuse pour surveiller le transfert mécanique. Pour des situations comme celles décrites dans les antécédents de cas précédents, le COT est un choix potentiel.

La situation devient plus complexe si une partie de la vapeur entraîne également des turbines. L’instrumentation mentionnée ci-dessus serait certainement de rigueur, et pour les chaudières à plus haute pression telles que celles qui pourraient être trouvées dans une usine de cogénération, pourrait inclure de la silice. La silice (SiO₂) est un produit de transfert vaporeux, où les effets de transfert augmentent nettement avec l’augmentation de la pression. La silice précipite sur les aubes de turbine et, bien qu’elle ne soit pas corrosive, elle peut avoir un impact négatif sur l’efficacité aérodynamique de la turbine.

En ce qui concerne la ligne d’atténuation illustrée à la figure 1, l’atténuation à la vapeur ne doit être utilisée que si de l’eau de haute pureté (des concentrations de sodium, de chlorure et de sulfate inférieures à 2μg·L^–1) sont disponibles pour les pulvérisations d’atténuation. L’introduction d’eau chargée d’impuretés directement dans la vapeur peut rapidement causer de graves problèmes. Dans les unités de puissance, l’eau d’atténuation est généralement prélevée sur la décharge de la pompe d’alimentation de la chaudière, qui fournit une pression suffisante pour surmonter celle de la vapeur. Ainsi, les analyses de l’eau d’alimentation fournissent également des données sur la pureté des pulvérisations d’atténuation. Si une autre source est utilisée, l’eau d’atténuation devrait avoir son propre ensemble d’analyseurs continus, le sodium et le CACE étant les principaux candidats.

Références

[1] Document d’orientation technique : Procédures de mesure du transfert d’eau de chaudière dans la vapeur, 2008. Association internationale pour les propriétés de l’eau et de la vapeur, IAPWS TGD1-08. Disponible depuis http://www.iapws.org.

[2] Byrne, W., Osmose inverse, un guide pratique pour les utilisateurs industriels, 2002. Tall Oaks Publishing, Inc., Littleton, CO, USA, 2e édition.

[3] Sturla, P., « Phénomènes d’oxydation et de dépôt dans les chaudières à circulation forcée et le traitement de l’eau d’alimentation », présenté à la Cinquième conférence nationale sur l’eau d’alimentation, 1973 (Prague, République socialiste tchécoslovaque).

[4] Consensus sur les pratiques d’exploitation pour le contrôle de l’eau d’alimentation et de la chimie de l’eau de chaudière dans les chaudières industrielles modernes, 1994. The American Society of Mechanical Engineers, New York, NY, États-Unis, CRTD 34.

[5] Surveillance des fuites dans les échangeurs de chaleur, 1995. Turner Designs Hydrocarbon Instruments, Fresno, CA, États-Unis.

[6] Dooley, B., Lister, D., « Corrosion à débit accéléré dans les usines de production de vapeur », Chimie des centrales électriques 2018, 20(4), 194.

[7] Kuruc, K., Johnson, L., « Autres progrès dans la surveillance du fer à bas niveau dans le cycle de vapeur , Chimie des centrales électriques 2015, 17(2), 94.

[8] Buecker, B., Kuruc, K., Johnson, L., Les avantages intégraux de la surveillance du fer pour le contrôle de la chimie de la production de vapeur, 2019. Disponible depuis https://www.power-eng.com.

[9] Stookey, L. L., « Ferrozine - Un nouveau réactif spectrophotométrique
pour le fer », Chimie analytique 1970, 42(7), 779.

[10] Waite, T. D., Torikov, A., Smith, J. D., « Dissolution assistée
par photo des oxydes de fer colloïdaux par des composés contenant du thiol : I.
Dissolution de l’hématite (α-Fe2O3) », Journal de la science des colloïdes et des interfaces 1986, 112(2), 412.

[11] Baumgartner, E., Blesa, M. A., Maroto, A. J. G., « Cinétique de la dissolution de la magnétite dans les solutions d’acide thioglycolique », Journal de
la société chimique, Dalton Transactions 1982, 1649.

[12] Document d’orientation technique : Échantillonnage et analyse des produits de corrosion pour les usines de combustibles fossiles et à cycle combiné, 2014. Association internationale pour les propriétés de l’eau et de la vapeur, IAPWS TGD6-13(2014). Disponible depuis http://www.iapws.org.

Les auteurs

Brad Buecker (B.S., chimie, Iowa State University, Ames, IA, États-Unis) est un publiciste technique senior chez ChemTreat. Il a de nombreuses années d’expérience dans le secteur de l’énergie ou affilié, dont une grande partie dans la chimie d’un générateur de vapeur, le traitement de l’eau, le contrôle de la qualité de l’air et des postes d’ingénierie des résultats chez City Water, Light & Power (Springfield, IL, États-Unis) et au Kansas. City Power & Light Company (maintenant Evergy) La Cygne, KS, USA, centrale. Plus récemment, il était spécialiste technique chez Kiewit Engineering Group Inc. Il est membre de l’American Chemical Society, de l’American Institute of Chemical Engineers, de l’American Society of Mechanical Engineers, de l’Association of Iron and Steel Technology, de la National Association of Corrosion Engineers, du comité de planification de Electric Utility Chemistry Workshop, du comité de planification de Power-Gen International. M. Buecker est l’auteur de nombreux articles et de trois livres sur des sujets relatifs aux centrales électriques.

Ken Kuruc (B.S., Chimie, Université John Carroll, Cleveland, OH, États-Unis) est actif dans le secteur de l’énergie depuis plus de 25 ans. Dans son rôle actuel, Ken fournit un soutien technique sur tous les aspects de la surveillance de la qualité de l’eau pour les sites de production d’énergie fossile à travers les États-Unis. Il a co-écrit des articles qui ont paru dans diverses publications de l’industrie de l’énergie et a présenté à de nombreuses conférences sur la chimie des services publics et de l’eau, y compris la Conférence internationale sur l’eau, où il a reçu le prix 2019 Paul Cohen Award.

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