C03 Regulation des caudieres

Systèmes de Contrôle et Régulation des Chaudières

• Cette présentation porte sur le contrôle et la régulation des chaudières
• Le cours est conçu pour les opérateurs de machines fixes au Québec (DEP 5359)
• Les principes fondamentaux des systèmes de régulation ainsi que les méthodes de détection et de prévention des défaillances sont examinés
• Ces connaissances sont essentielles pour une production de vapeur sécuritaire et efficace
• La formation vise à développer des compétences techniques applicables dans le milieu industriel pour les étudiants de la francophonie

Systèmes de Sécurité et Contrôles Automatiques

• Les chaudières utilisent des systèmes sophistiqués pour surveiller en permanence tous les paramètres cruciaux
• Ces systèmes maintiennent les valeurs dans des limites prédéterminées pour un fonctionnement optimal et sûr
• Les alarmes automatiques s'activent instantanément pour alerter l'opérateur si les valeurs dépassent les normes
• Ces alertes permettent une intervention rapide avant qu'une situation ne devienne critique
• Les chaudières sont programmées pour arrêter automatiquement le brûleur en cas de situation dangereuse, une fonction de sécurité primordiale
• Les contrôles régulent le niveau d'eau, la pression de vapeur et de combustible (huile, gaz), la température d'huile #6, les purges et la température de surchauffe

Principes Fondamentaux de la Régulation

• Mesurer: Acquérir des données via des capteurs de température, pression et débit
• Comparer: Confronter les données mesurées à une valeur de consigne (timbre, niveau)
• Agir: Intervenir sur l'organe de réglage, tel qu'une vanne, un piston ou une pompe
• La compréhension de ce qui est mesuré, à quoi la valeur est comparée et comment corriger les écarts est primordiale pour l'opérateur
• Cette triade "mesurer-comparer-agir" est la base des systèmes de régulation industrielle, essentielle pour diagnostiquer et optimiser les chaudières

Concept de Régulation par Rétroaction

• Consigne: Valeur désirée définie par l'opérateur
• Mesure: Valeur actuelle captée dans le système
• Comparaison: Détection de l'écart entre la consigne et la mesure
• Action: Ajustement de l'organe de commande
• Un régulateur compare en permanence la consigne à la mesure, modifiant l'organe de commande en conséquence
• La rétroaction permet un ajustement continu pour maintenir des conditions optimales malgré les perturbations extérieures

Éléments Constitutifs d'une Boucle de Régulation

• Grandeur Asservie (Variable): Paramètre à contrôler ou réguler (niveau d'eau, pression, température)
• Capteur: Sonde mesurant la grandeur asservie et la transformant en signal électrique exploitable
• Signal de Mesure: Information électrique transmise au système de contrôle, généralement standardisée (4-20mA, 0-10V)
• Ces éléments sont essentiels pour obtenir des données fiables et maintenir les paramètres de la chaudière dans les plages optimales

Point de Consigne et Timbre

• Point de Consigne: Valeur choisie par l'utilisateur correspondant au résultat désiré (pression, température de surchauffe)
• Sert de référence au système de régulation, qui cherche à ramener la grandeur mesurée à cette valeur
• Plaque Signalétique (Timbre): Plaque fixée sur la chaudière indiquant la pression maximale d'utilisation
• Cette plaque représente la pression maximale à laquelle la chaudière peut fonctionner en sécurité. Les soupapes de sécurité sont ajustées en fonction de cette pression
• Deux soupapes sont requises réglementairement si la surface de chauffe dépasse 47 m², 6% du MAWP

Actionneurs et Régulateurs

• Actionneur: Élément final agissant physiquement sur le système (valve d'entrée d'eau, régulateur air/combustible)
• Comparateur-Régulateur: Dispositif électronique comparant la consigne à la mesure et déterminant l'action corrective
• Interface Homme-Machine: Système permettant la visualisation des valeurs, la modification des consignes et la surveillance (analogique ou numérique)
• L'efficacité dépend de la qualité et de l'intégration des composants. Un mauvais calibrage peut compromettre le fonctionnement optimal

Convertisseurs de Signaux

• De nombreux convertisseurs transforment la nature des signaux tout au long du système, pour la compréhension des éléments
• Le capteur transforme un signal physique en signal électrique standardisé
• L'actionneur transforme le signal électrique de commande en action variable (pneumatique ou électrique)
• Ces interfaces sont critiques pour assurer la communication entre les composants, souvent de technologies et fabricants différents

Contrôle de Niveau d'Eau: Méthode Simple

• Évaluation de la Capacité: Adaptée aux chaudières à grande capacité de réserve d'eau et production de vapeur relativement basse (tubes de fumée)
• Installation de l'Émetteur: Un émetteur simple de niveau d'eau est installé sur le ballon de vapeur pour une surveillance constante
• Régulation Automatique: Le régulateur de niveau maintient le niveau dans les limites acceptables en commandant l'alimentation en eau
• Cette méthode simple et économique est particulièrement adaptée aux chaudières à tubes de fumée, grâce à leur grande réserve d'eau

Contrôle de Niveau d'Eau: Mesure par Différence de Pression

• Principe de la Mesure: Système de mesure de différence de pression de type "Une jambe humide"
• L'impulsion est mesurée l’impulsion entre les deux postes, créant un système hydrostatique proportionnel au niveau d'eau
• Avantages du Système: Peu sensible au moussage, basé sur le poids réel de l'eau
• Le pot de condensation transmet intégralement la pression tout en conservant une garde d'eau, et élimine les gaz non condensables
• La différence de pression déforme une capsule, produisant un signal électrique (4-20mA) proportionnel au niveau d'eau

Contrôle de Niveau d'Eau: Mesure par Électrode Capacitive

• Principe Capacitif: Une électrode isolée forme un condensateur avec la paroi de la chaudière, l'eau et la vapeur constituant le diélectrique
• Variation d'Impédance: La capacité varie selon le niveau d'eau, car l'eau et la vapeur ont des propriétés diélectriques différentes
• Conversion en Signal: Un circuit électronique convertit cette capacité variable en signal courant standardisé (0% d'eau = 4mA, 100% = 20mA)
• Cette méthode, sans pièces mobiles, est sensible au moussage et aux dépôts, nécessitant un étalonnage et un nettoyage réguliers

Contrôle de Niveau: Électrodes de Conductivité

• Des électrodes placées dans le dôme de vapeur déterminent le niveau d'alarme
• Un courant alternatif de basse tension traverse l'eau jusqu'à l'électrode, s'interrompant quand le niveau descend sous l'extrémité
• Employée pour les alarmes de niveau haut et bas, ainsi que pour contrôler les pompes d'eau
• Jusqu'à six électrodes peuvent être utilisées pour définir plusieurs niveaux de contrôle

Soupapes de Recirculation d'Eau d'Alimentation

• Protection Pompe: Nécessité d'une circulation continue pour les pompes centrifuges, assurant le refroidissement et évitant la revaporisation
• Débit Minimum: La vanne de recirculation garantit un débit minimum, prolongeant la durée de vie des pompes
• Température MAX: En fonction des matériaux:
  • Joints mécaniques standard (carbone/céramique): ≈ 150°C
  • Joints mécaniques haute température (carbone carbure de silicium ou tungstène): jusqu'à 260°C
  • Garnitures d'étanchéité (PTFE, graphite): généralement 200 à 260°C
  • Graphite pur flexible : jusqu'à 450 à 500°C

Méthodes Avancées pour Chaudières à Haute Production de Vapeur

• Chaudières à Haute Production: Des méthodes de contrôle plus sophistiquées sont nécessaires pour les chaudières à production élevée de vapeur
• sont nécessaires pour les chaudières à production élevée de vapeur et volume relativement petit d'eau (chaudières à tubes d'eau)
• Contrôle de Niveau: L'émetteur sert a accorder le système et à vérifier que le niveau d'eau reste dans les limites acceptables
• Équilibrage des Masses: Mesurer la masse de vapeur sortante et ajuster l'alimentation d'eau entrante pour un équilibre parfait
• Phénomènes Dynamiques: Gérer efficacement les phénomènes de gonflement et de tassement lors des variations rapides de charge
• L'eau et la vapeur coexistent à la pression et température de saturation, avec des bulles de vapeur influençant le comportement du niveau

Phénomènes de Gonflement et de Tassement

• Gonflement: L'ouverture rapide de la vanne de sortie de vapeur provoque une chute de pression, expansant les bulles et faisant monter le niveau malgré une diminution de la masse d'eau.
• Tassement: L'alimentation en eau froide fait s'effondrer les bulles, baissant le niveau malgré une augmentation de la quantité d'eau.
• Nécessité de Régulation Avancée: Ces phénomènes justifient des systèmes sophistiqués pour les chaudières à haute pression. Une régulation simple basée uniquement sur le niveau apparent serait inefficace et potentiellement dangereuse.
• La compréhension de ces phénomènes est essentielle pour éviter des décisions inappropriées

Contrôle à Un Élément

• Mesure de Niveau: Seul le niveau d'eau dans le ballon est mesuré
• Comparaison: Le niveau mesuré est comparé à une consigne prédéfinie
• Limitations: Ne compense pas les phénomènes transitoires de gonflement et tassement
• Action Directe: La vanne d'alimentation est actionnée directement selon l'écart entre la mesure et la consigne
• Cette méthode simple convient aux chaudières de petite capacité ou à charge constante, mais présente des limites face aux variations rapides de charge. Elle peut aggraver les problèmes liés aux phénomènes transitoires.

Contrôle à Deux Éléments

• Premier Élément: Niveau d'Eau mesuré en continu par un transmetteur fiable (différentiel, électrodes capacitives, flotteur avancé)
• Second Élément: Débit de Vapeur est mesuré pour anticiper les besoins en eau (débitmètre à orifice ou à vortex, débitmètre massique)
• Ce système combine les variations de niveau vers le haut ou vers le bas en anticipant la demande de vapeur.
• Ce système réagit rapidement, limite les phénomènes de tassement et de gonflement, et assure une stabilité supérieure. Il s'adapte aux chaudières de moyenne capacité ou a forte variations de charge.

Contrôle à Trois Éléments et Régulation de Combustion

• Niveau d'Eau: Mesure continue pour maintenir la sécurité et ajuster les autres paramètres
• Débit de Vapeur: Mesure précise pour anticiper les besoins en eau
• Débit d'Eau: Mesure du débit d'eau entrant pour garantir l'équilibre avec la vapeur produite
• Régulation de Combustion: Contrôle du brûleur avec séquencement air/combustible pour optimiser l'efficacité et réduire les émissions
• Ce système assure un équilibre parfait entre l'eau et la vapeur, quelle que soit la charge
• La combustion est régulée en commandant l'écoulement d'air et de combustible, tout en minimisant les émissions lors des variations de charge.