La vapeur est employée comme force motrice pour entrainer les turbines et fournir l'électricité. On l'emploie également en fluide thermique.
La production de vapeur d'eau nécessite une importante quantité d'énergie, cette chaleur peut être récupéré sur les machines ou produite par des bruleurs.

L'exploitation de la vapeur nécessite une formation; les niveaux de température et de pression mis en œuvre ne sont pas a négliger. Les systèmes doivent être maitrisés

L'eau peut prendre trois états : solide, liquide ou gazeux selon le conditions de pression et de température.
Selon ces conditions de pression et température on obtiendra de l'eau surchauffée, de la vapeur saturée ou de la vapeur surchauffée

Les applications sont assez variées : stérilisation, cuisson, production d'électricité.

Les réseaux de vapeur sont généralement des circuits fermés, de par le sprocess qui ne permettent pas de mélange de fluides et du fait qu'on essaie de récupérer l'énérgie et une eau de qualité. Des process sont dit à vapeur perdues.
La vapeur produite par les générateurs, est acheminée par le réseau de distribution. Comme sur l'air comprimé on essaie de réaliser les piquages sur le dessus des conduites.
Du fait de la dilatation on aménage des supportages avec des patins glissants, des lyres de dilatation sont indispensables sur les grandes longueurs.
Des purgeurs de ligne sont disposés régulièrement sur les reséaux

On maitrise la température en ajustant la pression, on emploie des postes de détente. Ces postes de détente sont équipés de soupapes et délivre la vapeur aux utilités.
Dans un atelier on peut trouver plusieurs barrilets vapeur selon les besoins

Selon les process on utilise des vannes, des vannes thermostatiques avec un capillaire, des détendeurs ou des vannes de régulation pour controler la température, la pression voir le débit.

La vapeur passe dans des cuves ( double paroi, serpentins) ou dans des echangeurs.
Le principe de la thermodynamique s'applique la vapeur cède sa chaleur latente puis est évacué par les purgeurs

La vapeur a été utilisé et condensé, elle cède une partie de son énergie thermique sous forme de chaleur latente et se condense.
Les condensats, de l'eau déminéralisé et chaude, qui disposent d'une chaleur sensible importante, sont évacués par des purgeurs puis renvoyés dans le circuit d'eau alimentaire.
Les condensats sont remployés si leur qualité le permet et renvoyer avec l'eau d'appoint en bâche alimentaire.

Pour produire la vapeur on devra disposer d'une eau de qualité et des équipements de traitements d'eau adaptés.

Les auxiliaires principaux seront les pompes alimentaires, les circulateurs, le ventilateur d'air comburant et le diverter si le générateur est exploitable en GVR. Un poste de détente gaz est généralement dédié avec des détendeurs redondants.
Un compresseur d'air peut s'avérer nécessaire pour les actionneurs des systèmes de contrôles et de commande
L'instrumentation nécessaire implique des automatismes pour la gestion du process et des sécurités.

Ci contre le réseau vapeur d'un chauffage urbain. La vapeur est surchauffé pour réduire les pertes dans la distibution.
Le réseau de vapeur est un circuit fermé, l'eau condensée mais chaude est traitée et récupérée pour être réinjecter dans le réseau.
On distinguera les fonctions :

• alimentation ( combustible, éléctricité,air comprimé)
• production
• distribution
• utilisation
• recyclage des condensats
• traitement d'eau

La vapeur est produite depuis de l'eau chauffée par des combustibles gazeux, liquides, solides ou de l'énergie électrique.
L'énergie thermique peut être récupérée à travers des échangeurs notamment sur l'échappement des moteurs ou en sortie de turbine.

La vapeur est produite dans des chaudières à tubes de fumées ou à tubes d'eau, on peut trouver des chaudières dite de récupération ou GVR en sortie de turbine.

Générateur à tube de fumées

Ci contre un générateur à tube de fumées et ses équipements. Les fumées effectuent un triple parcours pour échanger le maximum d'énergie.
Pour augmenter le rendement de la chaudière on utilise un economiseur sur la sortie de fumées.
Selon les combustibles employées on pourra exploiter un condenseur et maximiser le rendement du générateur de vapeur

Notez l'importance des équipements et de l'instrumentation. Les sécurités sont pour certaines doublées, les sécurités sont controlées à une fréquence déterminée par le mode d'exploitation

Générateur à tube d'eau

Ces générateurs produisent de la vapeur surchauffée à des pressions supérieure à 40 Bar et 400° ce qui permet de faire tourner les turbines ou de transporter la vapeur
On peut soutirer une partie de la vapeur sur une turbine et la détendre pour alimenter d'autres systèmes en basse pression.

Les chaudières à tubes d'eau sont constituées de tubes rempli d'eau et de deux ballons.
L 'eau circule du ballon inférieure par les tubes d'eau jusqu'au ballon supérieure ou elle se vaporise.
Du fait des différence de densité l'eau plus froide retourne au ballon inférieure.
Sur le retour elle repasse dans un tube d'eau et se réchauffe avant d'arriver au ballon inférieure.
Dans le ballon inférieure l'eau surchauffée se mélange à l'eau d'appoint, l'eau mélangée est réchauffée dans les tubes d'eau et vaporisée au ballon supérieur.

Le rôle de la distribution est d'acheminer et de réguler la pression de vapeur.
La production est protégé contre les surpressions par des sécurités électriques et des soupapes de sûreté.

La vapeur est acheminée dans les barillets ou nourrice, on y trouve des vannes pour les arrivées depuis les générateurs de vapeurs , des vannes de sectionnement pour alimenter les réseaux et les détentes.

Les postes de détente réduisent la pression et donc la température, ils sont protégés par une soupape de sureté. Les turbines utilisent la force motrice de la vapeur haute pression, on peut exploiter la vapeur basse pression rejetée par les turbines on parle alors de sous tirage, la aussi de soupapes sont nécessaires pour la protection des équipements

Les échappements des soupapes peuvent être équipés de transmetteur pour signaler leur déclenchement.

Les réseaux de vapeur nécessitent des piquages réalisés en partie supérieure des tuyauteries, des purgeurs de lignes et des vanne de bypass sont ajoutés pour éliminer l'eau due au perte ou lors des mises en service

La production à dépassé le débit contractuel à l'hiver 2007-2008, occasionnant des pertes d'exploitation.
Nos chargé d'affaire et responsable de régions sont intervenu auprès du client. Notre équipe d'exploitation à résolu un problème inhérent à la conception.

La chaufferie à une capacité théorique de 54 T/h, le débit contractuel de 36 T/h devait permettre de disposer d'un générateur de "secours".

La facture de gaz atteignait 300k€ / mois à l'hiver 2009. Le condenseur du générateur 2 n'était pas exploité suffisamment par rapport aux calculs réalisés par les études.
Il devait permettre de 0.5 à 1.5 point d'amélioration du rendement global de la chaufferie vapeur

Du primage apparaissait parfois et induisait une diminution de la qualité de vapeur directement utilisée dans le process client.

La demande vapeur du client à augmenter ce qui a induit des pertes d'exploitations et nécessité des améliorations dont la reprise des régulations des générateurs de vapeur.
Les pertes nous étaient imputées à hauteur de 8k€ / h

Les pertes étaient imputables aux conditions d'exploitation, rendant la réalisation des tests très délicate. La charge mal répartie induisant du primage et des oscillations importantes du plan d'eau du générateur 1
Les test de niveaux et nécessitaient des tentatives répétées.
Lorsque le test échouait le générateur 1 se mettait en sécurité. Les 2 autres générateurs encaissant une brusque variation de charge soufflaient parfois leur flamme.
Le conditionnement des générateurs nécessitait près d'une heure avant de pouvoir relancer une séquence de test

Constat

Bien que les pressions soient réglé de manière identique sur les 3 générateurs la répartition de la charge se fait majoritairement sur le générateur 1 d'autant plus que le débit de la chaufferie augmente.

Les pertes de charge sont à l'origine du problème, la conception du barillet est la source du problème.

Les clients consomment beaucoup plus de vapeur à 3Bar et les départs vers les détentes sont placés trop près de l'arrivé du générateur 1.
Les pertes de charge sont plus importante pour les générateurs 2 et 3 du fait que la vapeur traverse tout le barillet pour aller vers les détentes.

Solution

Ce problème de débit a été réglé en reprenant les consignes de pression pour compenser les pertes de charge.
Les réglages ont pris deux heures, avec différentes conditions de charge

J'avais proposé la solution à mon responsable d'exploitation qui l'a écarté, la confiance se mérite et se gagne avec le temps.
Par la suite nous avons changé d'encadrement direct. Jérôme GUILBERT, chef de site ,a validé ma proposition argumentée, que nous avons mis en œuvre.

Le constructeur a été sollicité pour revoir la régulation des volets gaz et d'air sur les générateurs.

Bilan

Ce succès aura permis :
Augmentation du rendement chaufferie en exploitant le condenseur.
Moins de perte d'exploitation, aucune lors des tests
Gain en compétence sur les régulations Eurotherm
Reconnaissance de mes compétences

Ceci m'a permit de découvrir les solutions de régulation Eurotherm et d'approfondir mes compétences dans la maitrise des combustions avec régulation d'O2 mis en œuvre sur le générateur 2 équipé du condenseur

Sur ce chantier nous avons automatisés, raccordés et mis en service les sous stations de chauffage. Les sous stations communiquaient sur un réseau Ethernet transitant sur une boucle en fibre optique. Les sous stations comportaient un ou deux compteur d'énergie SAPPEL(MBUS), certaines ont été employées pour les économies d'énergie notamment sur l'air comprimé.

J'ai découvert les contraintes liées au primaire vapeur et échangeur diphasique
Les échanges vapeur et eau nécessitent des équipements particuliers : casse vide et de purgeurs au primaires des échangeurs; au secondaire des vannes 4 voies sont plus adaptées sur ces applications qui nécessitent l'irrigation de l'échangeur

Nous allons aborder la régulation de température avec un échangeur diphasqiue vapeur eau
Le circuit vapeur a ses particularités , outre les vannes d'isolement et vannes de régulation on trouve:
le séparateurs avec un purgeur de ligne il permet d'éliminer les condensats dans les lignes
le filtres pour protéger l'installation
le casse vide qui supprime la dépression lors des phases de refroidissement et permet la vidange des condensats, cet équipement spécifique au circuit vapeur n'est pas à négliger
le purgeur qui permet d'évacuer la vpauer condensée dans l'échangeur

Sur se schéma on identifie les organes de régulation
- le régulateur
- la sonde de température qui permet la mesure
- la vanne de régulation pneumatique qui est l'actionneur

A noter le signal électrique du régulateur est transmis au positionneur pneumatique de vanne
Dans l'automate on
calcule la consigne primaire
controle les temperatures pour eviter les surchauffes
transmets la consigne au PID actionne la vanne de régulation

J'ai débuté l'exploitation en 2007, j'ai analysé et solutionné un problème de conception.
Le barillet vapeur à été dimensionné sans tenir compte des pertes de charge et ce défaut était amplifié par une production au delà des limites contractuelles de 36 T/h.
Le premier générateur était surexploité , le second équipé d'un condenseur ne l'était pas assez pour récupérer l'énergie prévue par les études. Des phénomènes parasites : oscillation de plan d'eau et primage apparaissait selon la charge. La séquence de test des sécurités était difficile voir impossible à réaliser les teste de niveau dans le temps imparti.

Les générateurs de vapeur

Les armoires de contrôle commande

L'armoire de régulation avec l'automate Eurotherm
L'automate qui gère les sécurités et les auxiliaires (pompes fioul, pompes alimentaire)