les eaux de chaudières

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cycle de l’eau dans une chaufferie

Suivant la pression à laquelle travaille le générateur de vapeur, on parle de chaudières à basse pression ( BP ), à moyenne pression ( MP ) ou haute pression ( HP ). Les limites usuelles entre domaines sont données dans le tableau 15.

Quel que soit le type de chaudière considéré, on peut schématiser très simplement le cycle de l’eau de la manière suivante (figure 14).

L’appareil reçoit de l’eau d’alimentation qui est constituée par une proportion variable de condensat appelée aussi « eau de retour » et d’eau neuve, plus ou moins épurée, dite « eau d’appoint ».

La vapeur, qui s’échappe de la zone de vaporisation, contient fréquemment des vésicules liquides (primage), des gaz (en particulier le gaz carbonique). Aux pressions élevées, elle véhicule dés sels volatilisés par un véritable « entraînement à la vapeur », tels que de la silice et, aux très hautes températures, des chlorures.

L’eau restée sous forme liquide à la partie inférieure de la chaudière se charge de toutes les substances que contenait l’eau qui a été vaporisée (à l’exception de celles qui ont été entraînées dans la vapeur).

La déconcentration nécessaire est appelée « purge » ou « extraction » qui envoie à l’égout une fraction de cette eau.

Si une chaudière est en régime continu, et si, pour simplifier, on admet que la salinité entraînée dans la vapeur est négligeable, l’équilibre stable des concentrations est atteint lorsque la masse de sels évacuée par les extractions à l’égout est égale à la masse de sels amenée par l’eau d’appoint (puisque l’eau condensée est supposée pure).

On a donc à l’équilibre avec les mêmes conventions qu’à l'utilisations de l'eau et qualités recherchées :

Si la vapeur est entièrement perdue, et si la capacité du poste de traitement est exprimée, non en production d’eau d’appoint mais en production de tonnes T de vapeur on ne doit pas oublier que A = T + D et le facteur de concentration s’exprime alors par :

On tend donc à augmenter ce taux pour limiter les prélèvements, mais ceci dans les limites économiques admissibles.

inconvénients provoqués par les sels et impuretés de l’eau

Les problèmes que l’eau peut provoquer dans une chaudière ou dans la turbine qui lui est associée (production d’électricité) sont :

les incrustations dues au dépôt de précipités cristallins sur les parois de la chaudière, qui, gênant la transmission de la chaleur, provoquent des surchauffes locales et sont à l’origine des « coups de feu ». Elles sont d’autant plus dangereuses qu’elles sont moins conductrices. Les grandeurs relatives de leur conductibilité thermique sont les suivantes :
- acier 15 kcal·m^–2·h^–1 par degré C
- CaSO₄ 1 à 2 kcal·m^–2·h^–1 par degré C
- CaCO₃ 0,5 à 1 kcal·m^–2·h^–1 par degré C
- SiO₂ 0,2 à 0,5 kcal·m^–2·h^–1 par degré C

Ces incrustations sont dues principalement à la présence dans l’eau de sels de calcium (carbonates ou sulfates) moins solubles à chaud qu’à froid, ou à une trop forte concentration en silice par rapport à l’alcalinité de l’eau dans la chaudière. Dans les chaudières à très forte vaporisation, il peut y avoir sursaturation de sels dans le film superficiel surchauffé avec une salinité moindre de la purge. On verra au chapitre traitement et conditionnement des eaux industrielles que l’emploi de produits de conditionnement minéraux et/ou organiques permet d’éviter les dépôts, les incrustations et/ou la corrosion, et de ce fait de réduire soit le coût de traitement de l’eau d’appoint, soit le coût des matériaux de la chaudière elle-même ;

le primage, entraînement plus ou moins important de vésicules liquides dans la vapeur (mousse et brouillard), qui provoque à la fois une baisse de rendement énergétique de la vapeur et le dépôt de cristaux salins sur les surchauffeurs et sur les turbines. Il est en relation avec la viscosité et la tension superficielle de l’eau. Celles-ci sont fonction de l’alcalinité, de la présence de certaines substances organiques et de la salinité totale. L’importance du primage dépend aussi des caractéristiques de la chaudière et de son régime de vaporisation ;

l’entraînement dans la vapeur de corps minéraux volatils à la température d’ébullition, dont le plus nocif est celui de la silice qui se produit au-dessus de 250 °C. Ces sels se déposent sur les ailettes des turbines entraînant de graves désordres dans leur fonctionnement. Les entraînements sont d’autant plus importants que la pression, et donc la température, sont plus élevées. Ils sont en relation avec la concentration des éléments concernés dans l’eau du ballon ;

les corrosions d’origine et de nature très variées dues, soit à l’action de l’oxygène dissous, soit à l’acidité du milieu due au gaz carbonique en particulier, soit encore à l’attaque directe du fer par l’eau. Avant d’aborder l’étude des moyens de correction, il faut examiner la concentration des divers éléments dangereux à respecter dans la phase liquide en fonction des caractéristiques de la chaudière et éventuellement de celles de la turbine. À partir de ces valeurs, et compte tenu des possibilités d’extraction par les purges, les valeurs correspondantes à respecter dans l’eau d’appoint se trouvent définies.

On constate bien que plus le taux de purge est faible (et donc la salinité élevée en chaudière) plus les difficultés liées aux quatre problématiques ci-dessus discutées deviennent importantes. Ces inconvénients ainsi que les moyens d’y remedier sont explcités plus en détails dans le chapitre traitement et conditionnement des eaux industrielles.

exigences relatives à la qualité de l’eau d’alimentation d’un générateur de vapeur conventionnel

On trouvera, ci-après, un extrait des projets de normes européennes pour l’alimentation des chaudières à tubes d’eau et à tubes de fumée qui déterminent les teneurs limites à respecter pour les impuretés les plus gênantes : Fer, Cuivre, Silice (dépôts), Ca, Mg (incrustation), et la conductivité, ensemble des sels ionisés (corrosion, qualité de la vapeur).

chaudières à tubes de fumée

Eau d’alimentation pour chaudières à vapeur (à l’exception de l’eau d’injection pour désurchauffeur) et chaudières à eau surchauffée (tableau 16).

chaudières à tubes d’eau

Eau d’alimentation pour les générateurs de vapeur ou d’eau surchauffée à circulation naturelle ou assistée (tableau 17).

contrôle de l’eau des chaudières BP (< 20 bar) et MP (< 80 bar)

Avec le développement du contrôle automatique des chaufferies, on peut limiter le contrôle manuel aux éléments suivants (une fois par jour en régime normal) (tableau 18).

cas particuliers

cas des chaudières à circulation forcée ou des générateurs de vapeur nucléaire

Certains générateurs utilisés dans les centrales nucléaires ne comportent ni de ballon, ni de possibilités d’extraction, de telle sorte que toutes les impuretés dissoutes dans l’eau d’alimentation se retrouvent sur les surfaces de vaporisation ou dans la vapeur, on doit donc limiter impérativement les substances étrangères à l’eau aux limites que l’on peut tolérer dans la vapeur.

Il en est de même de toutes les chaudières classiques de la catégorie à « circulation forcée » ou de chaudières de l’industrie chimique dites « chaudières de récupération » qui sont caractérisées par l’absence de ballon et par une déconcentration en purge continue.

cas des turbines à combustion pour cogénération

Certaines turbines à gaz utilisent la technologie d’injection d’eau ou de vapeur pour augmenter la puissance et/ou abaisser la température de combustion afin de réduire fortement les Nox des fumées.

De ce fait, afin d’éviter la corrosion des parties chaudes et les dépôts, l’eau déminéralisée utilisée doit avoir une faible teneur en impuretés : en général, on demande une conductivité inférieure à 1 µs·cm^–1 et une valeur de silice de moins de 0,1 mg·L^–1.

cas des chaudières à haute pression ou flux thermique élevé

Pour ces chaudières très poussées, on doit réduire autant que possible tous les sels dissous en particulier la silice.

Ces conditions très restrictives sont fixées par les constructeurs de chaudières eux-mêmes, auxquels on doit se référer.

Les condensats de retour peuvent entraîner des impuretés dans l’eau alimentaire telles que :

sels dissous (fuites aux échangeurs condenseurs ou primage de la chaudière) ;
produits de corrosion provoqués par une entrée d’oxygène.

Au besoin, ils seront donc traités avant d’être renvoyés en chaudière (voir traitement des condensats, mise en oeuvre des échangeurs d'ions et traitement et conditionnement des eaux industrielles).

centrales nucléaires avec réacteur à eau sous pression (REP) ou « PWR »

Ces centrales à eau pressurisée comportent deux circuits distincts (figure 15) :

le circuit primaire qui assure l’extraction des calories du cœur du réacteur; ce circuit est actif;
le circuit secondaire où se produit la vaporisation et qui comporte la turbine, le condenseur, éventuelle-ment le traitement des condensats, les réchauffeurs et la pompe alimentaire ; sauf en cas de fuite au niveau du générateur, ce circuit n’est pas actif.

Au niveau du circuit primaire, l’eau est maintenue à l’état liquide sous une pression d’environ 150 bars, pour une température sortie réacteur de l’ordre de 320 °C (température retour 280 °C).

La maîtrise totale des corrosions est requise dans les deux circuits dont les eaux doivent donc satisfaire à des spécifications sévères.

Le circuit primaire est conditionné avec deux réactifs :

l’hydroxyde de lithium pour maintenir un pH basique et éviter les corrosions;
l’acide borique qui joue le rôle de modérateur du flux de neutrons et permet de contrôler la puissance fournie par le réacteur.

circuit primaire

Eau d’appoint du circuit primaire : les valeurs recommandées et limites sont regroupées dans le tableau 19.

Le temps de circulation est de l’ordre de la minute. Diverses impuretés radioactives provenant de microfuites au niveau des gaines de combustible ou de l’activation des produits de corrosion peuvent s’accumuler dans l’eau pressurisée. C’est pourquoi plusieurs circuits d’épuration sont implantés en dérivation sur la boucle du circuit primaire.

circuit secondaire

Le tableau 20 donne les qualités de l’eau d’appoint au circuit secondaire (eau déminéralisée conditionnée).

< utilisations de l'eau et qualités recherchées

circuits de refroidissement >