Qu'est-ce qu'une chaudière à tubes d'eau ?
Une chaudière à tubes d'eau, également connue sous le nom de chaudière à tube d'eau, est un type de chaudière qui utilise des tubes remplis d'eau pour générer de la vapeur. Cela s'oppose à une chaudière à tubes de fumée qui utilise des tubes traversés par des gaz de combustion pour générer de la vapeur. La vapeur produite par la chaudière peut être utilisée à diverses fins, y compris la production d'énergie via des turbines à vapeur, des applications industrielles et des applications de chauffage de bâtiment (chauffage urbain).
Note - pour faciliter la compréhension et la familiarisation, cet article utilise les différentes formes de tube d'eau tout au long.
Transfert de chaleur vers les tubes de chaudière à tubes d'eau et à tubes de fumée
Les chaudières à tubes d'eau sont généralement plus efficaces que les autres types de chaudières et sont également capables de générer des volumes plus élevés de vapeur à des pressions et températures de fonctionnement plus élevées; cela les rend idéales pour une utilisation dans des centrales électriques et d'autres environnements industriels où une capacité plus élevée est requise.
Dans cet article, nous explorerons le fonctionnement des chaudières à tubes d'eau utilisées dans les centrales électriques au charbon. Nous discuterons des principaux systèmes associés à ces grandes chaudières, de leurs principales parties, et de la façon dont nous pouvons utiliser la vapeur pour générer de l'énergie électrique. Vous pouvez cependant en apprendre davantage sur les différents types de chaudières et les machines de centrales électriques dans notre cours vidéo sur les Fondamentaux de l'Ingénierie de Puissance.
Chaudière à tubes d'eau
Bon à savoir – ‘tube d'eau’ s'écrit aussi ‘tube-d'eau’, ou ‘tube d'eau’, mais les différentes variations signifient toutes la même chose.
Quelles sont les principales parties d'une chaudière à tube d'eau ?
Les principales parties d'une chaudière à tube d'eau sont :
- Tambour à vapeur
- Tambour de boue
- Descendeurs
- Élévateurs
- Collecteurs
- Surchauffeur (Primaire, Secondaire, etc.)
- Réchauffeur (Primaire, Secondaire, etc.)
- Économiseur
- Four (espace de combustion)
- Soupape de sécurité
- Ventilateur d'air primaire
- Ventilateur d'air secondaire
- Ventilateur d'échappement
- Attempérateur
Tuyauterie et chemins d'écoulement de la chaudière à tubes d'eau
Comment fonctionnent les chaudières à tubes d'eau ?
Le diagramme ci-dessous montre l'agencement typique des équipements et systèmes associés à une centrale électrique au charbon; utilisez le diagramme comme référence au fur et à mesure que vous progressez dans cet article. Il est nécessaire de comprendre tous les systèmes d'une centrale électrique pour comprendre comment fonctionne une chaudière à tubes d'eau.
Diagramme des systèmes et équipements d'une centrale électrique au charbon
Système de combustible de la chaudière à tube d'eau
Avant que le charbon ne soit alimenté à la chaudière, il est stocké dans une cour à charbon, puis transporté vers des silos quotidiens. Les silos quotidiens ont généralement une capacité suffisante pour 4 à 12 heures de fonctionnement maximal de la chaudière, ce qui garantit que la chaudière peut rester en service même s'il y a un problème avec le(s) convoyeur(s) dans la cour à charbon. Les silos quotidiens alimentent le charbon aux pulvérisateurs de charbon (anglais américain ‘pulverizers’).
Pulvérisateur de charbon
Le but d'un pulvérisateur est de broyer, sécher, et classer le charbon, en s'assurant qu'il contient une faible quantité d'humidité et qu'il est de la taille correcte, lorsqu'il atteint la chaudière. Le charbon pulvérisé est déchargé des pulvérisateurs et transporté pneumatiquement à travers des tuyaux vers les brûleurs de la chaudière.
Le charbon pulvérisé est pulvérisé dans le four par des buses de brûleur, où il est enflammé et subit une combustion. De l'air est soufflé dans le four pour assurer une combustion efficace. Derrière les tubes latéraux du four (murs d'eau latéraux) se trouvent des caissons à vent; l'air s'accumule dans chaque caisson à vent avant d'entrer dans la chaudière. Un caisson à vent donne une petite réserve d'air et réduit la probabilité de pulsation d'air ou d'alimentation d'air incohérente à la chaudière. Il y a deux principaux systèmes d'air associés aux chaudières à tubes d'eau, ce sont les systèmes d'air primaire et d'air secondaire.
Caisson à vent de chaudière à tube d'eau
Systèmes d'air primaire et secondaire de la chaudière à tube d'eau
Les systèmes d'air primaire et secondaire ont deux fonctions distinctes.
- Air primaire – contrôle la quantité de combustible brûlé.
- Air secondaire – contrôle l'efficacité du processus de combustion.
Les ventilateurs d'air primaire et secondaire utilisés dans les deux systèmes sont généralement de conception ventilateur centrifuge, bien que le nombre et le type de ventilateurs dépendent de la conception de la chaudière. Le système d'air primaire alimente en air primaire les pulvérisateurs de charbon, tandis que le système d'air secondaire fournit de l'air aux caissons à vent.
Système d'air primaire
Le système d'air primaire contrôle la quantité de combustible brûlé. En ajustant la quantité d'air primaire fournie, la quantité de charbon alimentée au four peut être régulée. L'air primaire froid entre dans le pulvérisateur de charbon et se mélange avec l'air primaire chaud pour créer un mélange air-combustible optimal et une température optimale. Le mélange air-combustible est ensuite transporté pneumatiquement à travers des tubes vers les brûleurs, et dans le four.
Système d'air secondaire
Le système d'air secondaire contrôle l'efficacité du processus de combustion; il fournit de l'air aux caissons à vent, qui distribuent l'air secondaire uniformément dans le four. Le système d'air secondaire aide à maintenir des conditions de combustion optimales en ajustant la quantité d'air fournie en fonction des niveaux de dioxyde de carbone et d'oxygène dans les gaz d'échappement. En surveillant la composition des gaz d'échappement, le système d'air secondaire peut garantir que la combustion est aussi efficace que possible; ce processus est connu sous le nom de contrôle de l'efficacité de la combustion.
Préchauffeur d'air
Les préchauffeurs d'air utilisent les gaz d'échappement de la combustion pour chauffer l'air primaire et secondaire avant qu'il n'entre dans la chaudière; ce processus améliore l'efficacité de la chaudière en empêchant le refroidissement continu de la chaudière dû à l'introduction d'air froid.
Préchauffeur d'air de chaudière à tube d'eau
Chaudière à tubes d'eau : Principe de fonctionnement
Cette section discute des différents composants et systèmes utilisés pour convertir l'eau en vapeur dans une chaudière à tubes d'eau. Les composants courants de la chaudière à tubes d'eau tels que le tambour à vapeur, les descendeurs, les élévateurs, les tambours de boue, les murs du four, les collecteurs, et les surchauffeurs, seront discutés.
Écoulement à travers une chaudière à tubes d'eau
Économiseur
L'eau d'alimentation de la chaudière entre d'abord dans la chaudière via l'économiseur (anglais américain ‘economizer’), qui est un échangeur de chaleur de type serpentin. L'eau de la chaudière circule d'avant en arrière à travers les tubes de l'économiseur jusqu'à ce qu'elle atteigne le sommet de l'échangeur de chaleur, où elle est déchargée dans le tambour à vapeur.
Bon à savoir – ‘eau d'alimentation’ s'écrit aussi ‘eau-d'alimentation’ ou ‘eau d'alimentation’, mais les différentes variations signifient toutes la même chose.
Bon à savoir – l'eau qui a été traitée mais qui n'est pas encore entrée dans la chaudière est classée comme ‘eau d'alimentation’. L'eau qui est dans la chaudière est classée comme ‘eau de chaudière’. La vapeur qui s'est condensée en eau est classée comme ‘condensat’. Le condensat devient de l'eau d'alimentation après avoir été traité.
Économiseur et tambour à vapeur de chaudière à tubes d'eau
Tambour à vapeur, descendeurs et tambours de boue
Le tambour à vapeur reçoit l'eau de chaudière de l'économiseur. Le tambour à vapeur est long, de forme cylindrique, et fabriqué à partir de plaques métalliques plates. En raison de la haute pression du système de vapeur (généralement environ 190 bar/2,755 psi), la température d'ébullition de l'eau est correspondamment élevée (la température d'ébullition de l'eau dépend de la pression). Le tambour à vapeur est responsable de la séparation de l'eau et de la vapeur. La vapeur est déchargée du tambour à vapeur vers les turbines à vapeur, tandis que l'eau est recirculée dans la chaudière jusqu'à ce qu'elle devienne vapeur.
Modèle 3D de tambour à vapeur de chaudière à tubes d'eau
L'eau relativement froide du tambour à vapeur -avec une densité plus élevée en raison de sa température plus basse- s'écoule à travers de grands tuyaux appelés descendeurs jusqu'à atteindre les tambours de boue. Les tambours de boue sont des collecteurs de distribution d'eau à la base de la chaudière. Si la chaudière est une chaudière à circulation naturelle, les descendeurs connectent le tambour à vapeur au sommet de la chaudière aux tambours de boue à la base, sans l'utilisation d'une pompe. Si la chaudière est une chaudière à circulation forcée, une pompe centrifuge multistade sera installée entre le tambour à vapeur et le tambour de boue. Les descendeurs tirent leur nom du fait que l'eau ‘descend’ du tambour à vapeur.
Chaudières à tubes d'eau à circulation naturelle et forcée
Bon à savoir – ‘collecteurs’ et ‘collecteurs’ sont deux mots souvent utilisés de manière interchangeable. Les deux mots signifient ‘un point de distribution central alimentant des systèmes plus petits’.
Il y a généralement six descendeurs dans une chaudière à tubes d'eau, ce qui assure un débit d'eau adéquat vers les tambours de boue. Les tambours de boue sont installés à la base des murs du four et servent de point de collecte pour les sédiments et autres impuretés circulant dans le système. Les tambours de boue doivent être ouverts et nettoyés à intervalles réguliers pour éliminer les dépôts accumulés.
Bon à savoir – le nom ‘tambour de boue’ dérive du matériau ‘sale’ qui s'accumule dans les tambours.
Tambours de boue de chaudière à tubes d'eau
Murs du four et élévateurs
Des tambours de boue, l'eau s'écoule vers le haut à travers des tubes voisins du four; ces tubes sont appelés ‘élévateurs’ car l'eau ‘monte’ vers le tambour à vapeur. Le four est entouré d'élévateurs sur les quatre côtés (avant, arrière, et les deux parois latérales), formant une boîte de forme rectangulaire. En raison de la forme rectangulaire du four, et parce que les élévateurs sont pleins d'eau, chaque côté de la chaudière est souvent appelé ‘mur d'eau’.
Construction du mur du four de chaudière à tubes d'eau
Les élévateurs ont un diamètre beaucoup plus petit que les descendeurs car leur objectif principal est d'absorber la chaleur, ils nécessitent donc une grande surface de contact avec le four. Les tubes élévateurs forment la partie évaporateur de la chaudière car l'évaporation a lieu à l'intérieur des tubes.
Évaporation de l'eau dans un tube de chaudière à tubes d'eau
Lorsque la combustion se produit dans le four, la chaleur est transférée aux élévateurs via la radiation et la convection. Le transfert de chaleur par rayonnement nécessite une ligne de vue entre la source de chaleur et le récepteur, ainsi des éléments tels que l'économiseur ne sont pas chauffés par rayonnement (car il n'y a pas de ligne de vue directe entre le combustible en combustion et l'économiseur).
Conduction, convection et radiation
Collecteurs et formation de vapeur
Au fur et à mesure que l'eau monte à travers les murs du four, elle absorbe la chaleur et commence à s'évaporer en vapeur. En haut du four, la vapeur humide (vapeur contenant des molécules d'eau en suspension) est déchargée vers les collecteurs, puis vers le tambour à vapeur. Il y a généralement quatre collecteurs, un par côté du mur du four. Toute l'eau ne s'évapore pas en vapeur, ainsi l'eau est également renvoyée au tambour à vapeur.
La vapeur humide et l'eau entrent dans le tambour à vapeur, où des déflecteurs, des épurateurs, et des cyclones, séparent les molécules d'eau en suspension de la vapeur. La vapeur saturée sèche est déchargée du tambour à vapeur, c'est-à-dire que la vapeur ne contient pas de molécules d'eau en suspension.
Composants du tambour à vapeur de chaudière à tubes d'eau
Bon à savoir – la vapeur est un gaz invisible et inodore. La vapeur que la plupart des gens visualisent en pensant à la vapeur est en fait de la ‘vapeur humide’. Si la vapeur contient des molécules d'eau en suspension, elle est appelée ‘vapeur humide’; ce sont ces molécules d'eau en suspension qui sont visibles. Si la vapeur ne contient pas de molécules d'eau en suspension, elle est appelée ‘vapeur sèche’. La sécheresse de la vapeur est mesurée par sa fraction de sécheresse (également connue sous le nom de ‘qualité de vapeur’), avec une valeur de 0 étant complètement liquide et 1 étant complètement sèche.
Surchauffeurs
La quantité d'énergie qu'une turbine à vapeur peut extraire de la vapeur est déterminée par la température et la pression de la vapeur. Pour augmenter davantage la température de la vapeur - augmentant ainsi la quantité de puissance disponible pour la turbine à vapeur -, elle est envoyée à travers une série de surchauffeurs. La vapeur qui est chauffée au-dessus de sa température de saturation est appelée ‘vapeur surchauffée’, c'est ce qui se passe dans les surchauffeurs, et c'est ainsi qu'ils ont obtenu leur nom.
Les surchauffeurs sont des échangeurs de chaleur fabriqués à partir de tuyaux similaires en conception aux élévateurs; ils sont classés comme primaires ou secondaires en fonction de leur position dans la chaudière. Les surchauffeurs augmentent la température de la vapeur, c'est-à-dire qu'ils ajoutent de la chaleur sensible. Les surchauffeurs n'ajoutent pas de chaleur latente car la vapeur est déjà en phase gazeuse, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de changement de phase lorsque la vapeur est chauffée.
Le surchauffeur primaire ajoute de la chaleur à la vapeur lorsqu'elle traverse une zone relativement froide de la chaudière, cela empêche la vapeur de se refroidir et de se condenser avant d'atteindre les surchauffeurs secondaires. La vapeur saturée sèche entre dans le surchauffeur primaire et la vapeur surchauffée sèche en sort !
Surchauffeurs primaires et secondaires de chaudière à tubes d'eau
Après le surchauffeur primaire, la vapeur surchauffée sèche passe à deux surchauffeurs secondaires : le surchauffeur de platine et le surchauffeur secondaire final. Les surchauffeurs secondaires sont situés dans des régions plus chaudes de la chaudière, garantissant ainsi que la vapeur atteint sa température la plus élevée avant d'être déchargée de la chaudière vers les turbines à vapeur haute pression.
À ce stade, il n'y a pas de flux supplémentaire à travers la chaudière à moins que la chaudière ne soit une chaudière de réchauffage.
Bon à savoir – les turbines à vapeur sont classées en fonction des pressions auxquelles elles fonctionnent :
- Turbine à vapeur haute pression – la première turbine que la vapeur rencontre après avoir quitté le surchauffeur secondaire final; cette turbine est appelée ‘turbine HP’.
- Turbine à vapeur à pression intermédiaire – la turbine que la vapeur rencontre après avoir quitté le surchauffeur de réchauffage secondaire (si une chaudière de réchauffage), ou, après avoir quitté la turbine HP. Cette turbine est appelée ‘turbine IP’.
- Turbine à vapeur basse pression – la vapeur est livrée de la turbine IP à la turbine basse pression via une connexion de croisement. Cette turbine est appelée ‘turbine LP’.
Chaudières de réchauffage
Après que la vapeur surchauffée haute pression sèche ait traversé la turbine à vapeur haute pression, elle est déchargée et renvoyée à la chaudière pour réchauffage. Le réchauffage de la vapeur se produit dans des échangeurs de chaleur appelés ‘réchauffeurs’, qui sont similaires en conception aux surchauffeurs. Comme pour les surchauffeurs, les réchauffeurs sont également classés comme primaires ou secondaires en fonction de leur position dans la chaudière. Après réchauffage, la vapeur est déchargée vers la turbine à vapeur à pression intermédiaire, et enfin la turbine à vapeur basse pression (qui est connectée via un tuyau de croisement).
Toutes les chaudières à tubes d'eau n'ont pas un cycle de réchauffage. Le principal objectif du réchauffage de la vapeur est d'augmenter sa température et par conséquent d'augmenter la puissance disponible pour la turbine à vapeur; le réchauffage augmente également l'efficacité thermique globale de l'installation. Le réchauffage de la vapeur réduit la probabilité de présence de molécules d'eau en suspension dans la vapeur, réduisant ainsi les risques d'érosion et de corrosion des pales de la turbine.
Réchauffeur primaire
Un réchauffeur primaire est similaire à un surchauffeur primaire (les deux utilisent un design d'échangeur de chaleur en serpentin), mais il est situé dans une partie voisine de la chaudière. La vapeur de la turbine haute pression est déchargée vers le réchauffeur primaire. Au fur et à mesure que la vapeur traverse le réchauffeur primaire, elle est réchauffée, puis déchargée vers le réchauffeur secondaire. Le chemin de la vapeur est assez complexe, ce qui assure un transfert de chaleur optimal.
Réchauffeurs de chaudière à tubes d'eau
Réchauffeur secondaire
Après être passée par le surchauffeur de réchauffage primaire, la vapeur entre dans le surchauffeur de réchauffage secondaire, où elle subit un chauffage supplémentaire avant d'être déchargée de la chaudière vers la turbine à pression intermédiaire.
Système de nettoyage des gaz d'échappement
Le système de nettoyage des gaz d'échappement traite les gaz de combustion générés lors du fonctionnement de la chaudière.
Bon à savoir – ‘gaz de combustion’, sont également connus sous le nom de ‘gaz de fumée’, ou ‘gaz de combustion’.
Les gaz d'échappement traversent la chaudière, passant sur des échangeurs de chaleur (surchauffeurs, etc.) et d'autres composants (préchauffeur d'air, etc.) au fur et à mesure. Une fois que les gaz d'échappement ont transféré la majorité de leur énergie thermique à la chaudière, ils sont déchargés vers le système de nettoyage des gaz d'échappement.
Le système de nettoyage des gaz d'échappement comprend généralement des désulfureurs de gaz de fumée, et des précipitateurs électrostatiques ou filtres à manches. L'équipement de nettoyage des gaz de fumée est conçu pour éliminer les polluants et les particules des gaz de fumée avant qu'ils ne soient déchargés dans l'atmosphère.
Résumé – Comment tout fonctionne ensemble
- Le charbon entre dans les silos quotidiens depuis la cour à charbon.
- Le charbon est livré aux pulvérisateurs, où il est broyé, séché et classé.
- Le charbon pulvérisé est transporté pneumatiquement vers les brûleurs de la chaudière.
- Le charbon est pulvérisé dans le four, où il est enflammé et subit une combustion.
- L'air secondaire est soufflé dans le four pour assurer une combustion efficace.
- L'eau de chaudière relativement froide descend du tambour à vapeur vers les tambours de boue via les descendeurs.
- L'eau s'écoule des tambours de boue vers le haut à travers les tubes élévateurs voisins du four. Au fur et à mesure que l'eau monte, elle absorbe la chaleur, et une partie de l'eau s'évapore en vapeur.
- La vapeur humide sort par les collecteurs en haut du four.
- La vapeur humide entre dans le tambour à vapeur, où les molécules d'eau en suspension sont séparées. La vapeur saturée sèche est déchargée du tambour à vapeur.
- La vapeur sèche passe à travers les surchauffeurs primaires et secondaires pour atteindre sa température finale (elle devient surchauffée à ce stade).
- La vapeur surchauffée sèche est déchargée de la chaudière et peut maintenant être utilisée par la/les turbine(s) à vapeur pour la production d'énergie.
- Si un système de réchauffage est installé, la vapeur de la turbine haute pression est renvoyée à la chaudière pour réchauffage. Si aucun système de réchauffage n'est installé, la vapeur est déchargée de la turbine haute pression vers les étapes suivantes, c'est-à-dire les turbines IP ou LP.
Ressources supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Water-tube_boiler
https://www.rasmech.com/blog/watertube-boiler-a-complete-overview/
https://testbook.com/mechanical-engineering/water-tube-boilers-definition-diagram-and-applications