Utilisation de vannes d'étranglement pour la purge et d'autres applications de centrales électriques

Comprendre quelle vanne utiliser dans quelle application est essentiel pour exploiter une centrale à vapeur de la manière la plus efficace et la plus rentable possible. Par exemple, une étape critique dans la production d'énergie à vapeur est la purge, la modulation ou «l'étranglement» du débit d'eau passant en vapeur. Traditionnellement, de nombreux prescripteurs et exploitants de centrales électriques utilisent des vannes à soupape standard pour réaliser cette action d'étranglement, mais la réalité est que les vannes à soupape standard ne sont pas conçues et fabriquées pour supporter les rigueurs extrêmes de l'étranglement.

1. Groovy, mais pas dans le bon sens. Au fil du temps, une vitesse élevée à travers le siège crée des rainures sur les vannes à soupape standard appelées « tréfilage », un terme dérivé parce qu'elles ressemblent à des fils. En raison du tréfilage, les robinets à soupape ne se scellent pas lorsqu'ils sont fermés, ce qui provoque des fuites. Avec l'aimable autorisation de Conval

Plus l'écart entre le siège et le disque est petit, plus l'usure est rapide. Au fil du temps, la vitesse élevée à travers le siège crée des rainures appelées « tréfilage », un terme dérivé car ils ressemblent à des fils (Figure 1). En raison du tréfilage, le robinet à soupape ne se scelle pas lorsqu'il est fermé, ce qui provoque des fuites. Poussé à l'extrême, le tirage de fil peut en fait ronger le disque comme une langue fourchue et causer des dommages encore plus importants et des problèmes de contrôle du débit (Figure 2).

2. Problématique. Poussé à l'extrême, le tirage de fil peut en fait ronger le disque, causant des dommages encore plus importants et des problèmes de contrôle du débit. Avec l'aimable autorisation de Conval

Pour tenter de compenser les limitations des vannes à soupape standard, certains exploitants d'usines installent deux vannes à soupape ou une vanne à boule et une vanne à soupape en ligne, dont l'une assure une isolation positive tandis que l'autre agit comme une vanne d'étranglement "sacrificielle" ( Figure 3). Cependant, cette approche est une manière délicate et coûteuse d'essayer d'obtenir un étranglement avec des vannes à soupape standard. C'est une solution improvisée qui nécessite plus de matériaux, plus de soudure, plus de réparations, plus de remplacement et plus de dépenses que nécessaire.

3. Encombrant et coûteux. L'installation de deux vannes à soupape en ligne, dont l'une fournit une isolation positive tandis que l'autre agit comme une vanne d'étranglement "sacrificielle", est un moyen coûteux d'essayer d'obtenir un étranglement avec des vannes à globe standard. Avec l'aimable autorisation de Conval

Avec les vannes à soupape standard, si les conditions réelles sont mal calculées ou changent, la vanne ne peut pas être redimensionnée. En revanche, une vanne d'étranglement est spécifiquement conçue et fabriquée pour supporter les rigueurs extrêmes du processus d'étranglement, offrant ainsi un contrôle de débit reproductible et une fermeture fiable (Figure 4). La conception unique du disque à aiguille garantit que la limite de pression est scellée au plus petit diamètre possible pour assurer une capacité d'étanchéité maximale.

4. Fonctionnement interne. À gauche se trouve une vanne d'étranglement haute performance Conval. À droite se trouve un schéma en coupe de la vanne, montrant ses composants internes. Avec l'aimable autorisation de Conval

L'orifice est dimensionné pour maintenir la vitesse du fluide à travers le siège en dessous des niveaux dommageables. En conséquence, le siège est beaucoup moins susceptible de s'user ; si et quand c'est le cas, il peut être facilement remplacé. Le tirage de fil est plus efficacement éliminé. L'ensemble de tige est accouplé à l'orifice pour un contrôle approprié. L'angle de l'orifice de sortie est conçu pour minimiser l'érosion et le bruit de la tuyauterie en aval. Si les conditions réelles sont mal calculées ou changent, l'ensemble venturi et tige de la vanne d'étranglement peut être redimensionné pour correspondre à la nouvelle condition.

En règle générale, les vannes d'étranglement sont disponibles en acier au carbone SA 105, en acier allié forgé SA 182-F22, SA 182-F91 et F92, SA 182-F316 et autres matériaux, dans les classes de pression ASME 900 à 4500. Les vannes d'étranglement automatisées peuvent être à commande pneumatique, motorisée ou hydraulique.

Les progrès récents dans la chimie de l'eau d'alimentation mettent davantage en évidence la durée de vie en service à valeur ajoutée avec une option de redimensionnement de l'orifice venturi remplaçable. D'une manière générale, si une vanne de purge fonctionne à moins de 30 % d'ouverture, l'orifice peut être redimensionné pour une durée de vie plus longue de la vanne.

Le concept à double orifice et les matériaux utilisés dans la construction rendent la vanne d'étranglement presque indestructible, même dans les conditions les plus difficiles. Le nez de dosage du disque reste dans la cartouche remplaçable à orifice-siège et bloque les flux destructeurs à grande vitesse jusqu'à ce que la vanne soit suffisamment ouverte pour que les vitesses n'endommagent pas la surface du siège. Par conséquent, les vannes d'étranglement sont de plus en plus spécifiées et installées dans de nombreux types de centrales à vapeur, du nucléaire au charbon et au gaz naturel, y compris les générateurs de vapeur à cycle combiné à récupération de chaleur. En plus de la purge, d'autres applications courantes suivent.

Contrôle de la chimie du tambour à vapeur des solides dissous totaux (TDS). Selon la feuille de conseils n ° 9 du bureau de fabrication avancée du département américain de l'énergie, à mesure que l'eau s'évapore dans le tambour à vapeur de la chaudière, les solides présents dans l'eau d'alimentation sont laissés pour compte. Les solides en suspension forment des boues ou des sédiments dans la chaudière, ce qui dégrade le transfert de chaleur. Les solides dissous favorisent la formation de mousse et le transfert de l'eau de la chaudière dans la vapeur. Pour réduire les niveaux de solides dissous en suspension et totaux (TDS) à des limites acceptables, l'eau est périodiquement évacuée ou soufflée de la chaudière.

La boue ou la purge du fond est généralement une procédure manuelle effectuée pendant quelques secondes à des intervalles de plusieurs heures. Il est conçu pour éliminer les solides en suspension qui se déposent de l'eau de la chaudière et forment une boue lourde. La purge de surface ou d'écrémage est conçue pour éliminer les solides dissous qui se concentrent près de la surface du liquide. La purge de surface est souvent un processus continu.

Le taux de purge optimal est déterminé par divers facteurs, notamment le type de chaudière, la pression de fonctionnement, le traitement de l'eau et la qualité de l'eau d'appoint. Les taux de purge varient généralement de 4 % à 8 % du débit d'eau d'alimentation de la chaudière, mais peuvent atteindre 10 % lorsque l'eau d'appoint a une teneur élevée en solides. Une purge insuffisante peut entraîner un transfert d'eau de chaudière dans la vapeur ou la formation de dépôts. Une purge excessive gaspillera de l'énergie, de l'eau et des produits chimiques. Par conséquent, un contrôle précis de la purge est important pour un fonctionnement efficace de l'usine.

5. Courbe de débit. La courbe de débit d'une vanne d'étranglement est représentée ici, ajustée pour différents pourcentages de "vanne ouverte". Cv est le coefficient de débit, une considération de conception importante lors du dimensionnement et de la sélection des vannes pour les systèmes ; il fournit essentiellement une mesure de la capacité d'une vanne en fonction de divers paramètres du système. Avec l'aimable autorisation de Conval

Si la courbe de débit d'une vanne d'étranglement (Figure 5) est examinée, une bande relativement plate est remarquée dans environ les premiers 10 % de l'actionnement, qu'il soit automatisé ou manuel. C'est la zone où le nez de dosage reste dans l'orifice et protège le siège contre les dommages. Après avoir franchi la zone morte, la vanne permet un contrôle linéaire du débit et de la détente. Cette conception minimise les dommages aux surfaces d'étanchéité de la vanne, de sorte que la vanne peut être fermée en toute sécurité après de nombreux cycles.

Les composants portables ou remplaçables sont fabriqués à partir de matériaux très durs pour prolonger la durée de vie de ces pièces. L'alliage Stellite 6 utilisé pour l'ensemble disque-nez est évalué à une dureté de 50 à 58 HRc. La dureté du matériau offre une surface durable qui résiste aux dommages. Le composant siège-orifice-venturi est en acier inoxydable 440C. Une fois recuit, le 440C a une dureté de 60 HRc, ce qui permet au composant une très longue durée de vie. Le venturi maintient l'emplacement de la veine contractée dans la vanne, de sorte que la récupération a lieu dans la vanne tout en protégeant l'intégrité de la tuyauterie en aval.

6. Croisement. Deux vannes d'étranglement servent de croisement entre deux tambours à vapeur. Actionné avec des actionneurs contrôlés, le système évacue la vapeur du tambour en fonctionnement vers le tambour qui monte pour préchauffer les surfaces et le contenu du tambour. Cela permet à la centrale électrique de démarrer le deuxième tambour beaucoup plus rapidement, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent. Avec l'aimable autorisation de Conval

Échauffement rapide. Sur la figure 6, deux vannes d'étranglement servent de croisement entre deux tambours à vapeur. Actionné avec des actionneurs contrôlés, le système évacue la vapeur du tambour en fonctionnement vers le tambour qui monte pour préchauffer les surfaces et le contenu du tambour. Cela permet à la centrale électrique de démarrer le deuxième tambour beaucoup plus rapidement, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent.

Dérivation de l'eau d'alimentation. Les vannes d'étranglement prolongent la durée de vie des garnitures de cage dans les vannes de régulation d'eau d'alimentation. Normalement, la garniture de la cage serait exposée à de l'eau d'alimentation à grande vitesse lors de l'ouverture initiale de 0 à 20 % de la vanne, ce qui endommage les composants coûteux de la garniture. En revanche, la vanne d'étranglement est configurée pour contourner ces débits dommageables jusqu'à ce que la demande de charge soit suffisamment élevée pour basculer vers la vanne de régulation lorsqu'elle est suffisamment ouverte pour ne pas être exposée à des vitesses dommageables.

Drains de siège. Les vannes d'étranglement actionnées utilisées comme drains de siège de vapeur principaux au-dessus / en dessous offrent un service fiable dans des conditions très difficiles. Dans un cas, les conditions de 3 650 psig à 1 007F ont détruit les vannes précédentes dans un calendrier d'arrêt de deux ans. Cependant, les vannes d'étranglement ont duré plus de 20 ans et sont entretenues à chaque arrêt, qui est désormais effectué sur un cycle de trois ans. La maintenance préventive comprend le remplacement de l'ensemble disque-nez et siège-orifice-venturi. La longévité des vannes d'étranglement peut être prolongée en intégrant un ensemble Whisperjet en sortie de vanne. Cette modification prolonge la durée de vie de la garniture de vanne et aide à prévenir tout dommage à la tuyauterie.

Vannes de prélèvement d'effluents. Une autre application de la vanne d'étranglement concerne les stations de prélèvement d'effluents des hydrocraqueurs. La vanne d'échantillonnage est en acier inoxydable 347 avec une culasse en acier inoxydable 316. D'autres matériaux non standard incluent Ultimet pour siège-orifice-venturi et disque-nez. La potence et le capot sont en Nitronic 50 et la banquette arrière en Nitronic 60.

Isolation de la jauge de visée. En règle générale, des vannes à motif d'angle sont utilisées, mais elles sont souvent endommagées par l'étranglement de la vapeur ou du fluide dans un tube ou un autre appareil, provoquant des fuites et rendant difficile la surveillance des niveaux. Les vannes d'étranglement sont une alternative supérieure pour cette application.

Lorsque vous évaluez si une vanne d'étranglement est appropriée pour votre application, gardez à l'esprit qu'une vanne d'étranglement est un dispositif d'étranglement fournissant un contrôle précis dans des conditions de température et de pression spécifiques. Une vanne d'étranglement n'est pas une vanne de régulation dans le sens où elle ne contrôle pas la pression aval. Pour la plupart des purges et de nombreuses autres applications, les vannes d'étranglement sont une option intelligente à considérer. ■

—Michael Glavin est vice-président de l'ingénierie ; Glen Guernsey est directeur régional du centre-sud ; Michael Hendrick est vice-président des ventes mondiales et du marketing ; Scott Hilke est directeur régional de l'Ouest ; et Jeremiah O'Callaghan est ingénieur principal chez Conval, un fabricant de vannes pour service sévère basé à Enfield, Connecticut.

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