Principes de base des pompes d'alimentation de chaudière

Les pompes d'alimentation de chaudière (BFP) consistent à fournir à un générateur de vapeur (chaudière par exemple) une quantité d'eau alimentaire correspondant à la quantité de vapeur générée. Les paramètres de fonctionnement (débit, hauteur manométrique, température) de l'eau d'alimentation de la chaudière sont calculés par un concepteur de chaudière.

Aujourd'hui, presque tous les BFP sont des pompes centrifuges. La construction des BFP en ce qui concerne la puissance de l'arbre, les matériaux, les types de pompes et l'entraînement est régie par les développements qui ont eu lieu dans la technologie de l'énergie. La tendance dans les centrales électriques à combustibles fossiles est en permanence vers des blocs d'alimentation plus grands.

Jusqu'en 1950, la pression de refoulement moyenne des BFP était de l'ordre de 200 bars. En 1955, elle était montée à 400 bars. Les débits massiques étaient de l'ordre de 350 tonnes par heure (t/h) en 1950 et sont montés à 2 500 t/h (4 000 t/h) dans les centrales électriques conventionnelles. Les BFP fonctionnent à des températures de 160 C à 180 C, et dans des cas exceptionnels, même plus.

Les BFP ont été construits en aciers non alliés dans les années 1950. Depuis, 13% à 14% ont pivoté vers l'acier au chrome (A743 Gr. CA6NM). Ce changement de matériaux a été rendu nécessaire par la mise en place de nouveaux procédés de traitement des eaux alimentaires. Le développement d'aciers au chrome à haute résistance et résistants à la corrosion avec des caractéristiques de fonctionnement d'urgence a ouvert la voie au BFP actuel avec des vitesses de 5 000 à 6 000 rotations par minute (rpm). Le débit des BFP a augmenté avec la montée en puissance des sorties des blocs de puissance. Les BFP à pleine charge d'aujourd'hui pour les groupes motopropulseurs traditionnels de 750 mégawatts (MW) sont construits avec quatre à cinq étages, avec une pression d'étage allant jusqu'à 80 bars.

Des moteurs électriques (moteurs asynchrones) sont utilisés pour entraîner les pompes d'alimentation. Le réglage de la vitesse d'un BFP à entraînement électrique peut être réalisé par plusieurs moyens, y compris l'utilisation d'un couplage hydraulique, d'un entraînement à fréquence variable (VFD) dans le moteur et les boîtes de vitesses. Si une usine dispose d'une vapeur abondante, une turbine à vapeur peut également être utilisée pour l'unité de conduite. Dans plusieurs cas, des turbines à condensation fonctionnant à 5 000 à 6 000 tr/min sont utilisées. Cependant, l'utilisation d'une turbine à vapeur de type condensat augmente les besoins en équipement dans le train. Il est essentiel d'utiliser un échangeur de chaleur, une pompe d'extraction de condensat ou similaire pour une utilisation efficace de l'unité.

Si un BFP est nécessaire pour une pression élevée et un régime élevé, une pompe de surpression est nécessaire. Dans un tel cas, il est difficile d'obtenir une hauteur d'aspiration positive nette adéquate (NPSHa) et la pompe de surpression répond à l'exigence. Pour réduire la hauteur d'aspiration positive nette requise (NPSHr), il est possible de sélectionner les pompes faisant le premier étage (aspiration) comme une double aspiration. Le NPSH est le plus significatif uniquement au stade de l'aspiration.

Il existe deux types de construction principalement utilisés pour l'application BFP. L'une est une pompe de type baril à plusieurs étages, qui est définie comme une pompe de type entre roulements (BB) 5 selon l'American Petroleum Institute (API) 610. L'autre est une pompe à plusieurs étages à section annulaire qui est définie comme une pompe de type BB4. Cependant, une pompe à section annulaire ne répond pas aux critères de l'API 610, ce qui en fait une exception. Dans certains cas, des pompes multicellulaires axiales peuvent également être utilisées. Elle est définie comme une pompe de type BB3 sous API 610.

Les pompes de type baril sont utilisées pour les conceptions à haute pression, mais cela peut varier selon l'utilisateur. En raison de certains avantages par rapport aux pompes à section annulaire, les utilisateurs de l'usine ont tendance à préférer les pompes de type baril, même s'il s'agit d'un investissement élevé au début. Si une pompe baril doit être retirée pour réparation, le rotor doit être remplacé, mais les carters (baril) peuvent rester en place avec la tuyauterie d'aspiration et de refoulement. Ceci est important en ce qui concerne la disponibilité pour le service de l'alimentation de secours, s'il n'y a pas de pompe de secours à 100 % installée.

Les corps de pompe des BFP doivent être considérés de deux points de vue : l'épaisseur de paroi doit être durable d'un côté pour satisfaire l'exigence de charge de pression et l'autre côté doit s'adapter à la variation temporaire de température qui se produit.

Les enveloppes de tonneau sont généralement en acier forgé ductile et toutes les surfaces en contact avec l'eau d'alimentation sont revêtues du matériau austénitique par un procédé de placage. Pour souder le corps de pompe dans la canalisation, une pièce intermédiaire rendue compatible pour le soudage dans la canalisation et le corps de pompe est soudée sur les branches d'aspiration et de refoulement de la pompe. Le couvercle des pompes à baril est scellé en aplatissant un joint spiralé en métal cellulaire (étanchéité).

Les corps des pompes à section annulaire sont construits en acier au carbone coulé ou forgé, parfois en fonte, selon l'application et les exigences définies par l'utilisateur. L'étanchéité de chaque carter (étages) l'un contre l'autre se fait par contact métal sur métal, les carters individuels étant serrés axialement par des tirants entre les carters des pompes d'aspiration et de refoulement. Le contact métal sur métal est l'un des inconvénients de la pompe à section annulaire, car il limite l'utilisation des pompes dans des applications à haute température. Les chocs thermiques sont absorbés par des contraintes supplémentaires sur les tirants et les faces d'étanchéité des corps d'étage.

Les corps des pompes axiales divisées sont divisés en deux parties, inférieure et supérieure. Le carter se démonte à la verticale de l'arbre. Ces pompes ont un avantage sur l'équilibrage de la poussée car le nombre d'étages peut être monté de manière à sens opposé. Il équilibre la poussée avec un minimum d'effort.

Habituellement, il est recommandé d'utiliser les pompes de type BB3 jusqu'à la température du fluide limitée à 200 C ou moins. API 610 a des directives claires si la température de pompage est de 200 C ou plus, des pompes radiales à carter divisé doivent être utilisées. Remarque importante : les boulons du corps ne sont pas considérés comme des pièces en contact avec le fluide dans cette pompe en raison de la disposition axiale fendue.

L'injection d'eau à une pression située entre les pressions d'aspiration et de refoulement de la pompe est un besoin d'entretien fréquent. Ceci est pris en charge en captant l'eau de l'un des étages de la pompe, à la fois dans le cas des pompes à baril et des pompes à section annulaire. Ces zones de pression sont isolées les unes des autres par des joints souples spiralés et la souplesse et le comportement aux chocs thermiques sont convenablement adaptés l'un à l'autre.

Les BFP sont équipés d'arbres de pompe, qui ont une distance appropriée entre les roulements et sont combinés avec un grand diamètre d'arbre. Les roues sont généralement rétrécies sur l'arbre et, par conséquent, l'affaissement statique de l'arbre est faible. L'arbre est insensible aux vibrations et, dans les conditions normales de fonctionnement, est lisse sans aucun contact radial indésirable avec le carter. Le diamètre du moyeu est augmenté à l'arrière de la roue et la géométrie d'entrée de la roue est conçue pour maintenir le diamètre le plus petit possible afin de réduire les efforts axiaux qui doivent être absorbés par le dispositif d'équilibrage.

Dans une pompe multicellulaire (de type baril ou de type section annulaire), les roues sont disposées sur un arbre long (selon les étages) et entre les roulements. Cette disposition est la cause de la production de poussée. Lorsque la pompe démarre, le débit passe de l'aspiration au refoulement (de la zone de basse pression à la zone de haute pression), et après avoir atteint le refoulement, 100 % de pression ne peuvent pas être déchargés et une poussée est générée vers l'aspiration. Cependant, pendant le fonctionnement de la pompe, l'amplitude de cette poussée axiale dépendra de la position du point de fonctionnement sur la courbe d'étranglement et de l'importance de l'usure des jeux internes.

Des forces perturbatrices supplémentaires peuvent survenir si les pompes fonctionnent dans des conditions anormales. Par exemple, si la pompe commence à caviter, cela signifie que le NPSH n'est pas suffisant pour faire fonctionner la pompe en douceur. Sur les plus gros BFP, l'équilibrage de la poussée axiale sur le rotor de la pompe est effectué au moyen d'un dispositif d'équilibrage traversé par le fluide pompé, associé à un palier de butée lubrifié à l'huile. Le dispositif d'équilibrage hydraulique peut comprendre un disque d'équilibrage avec siège de disque d'équilibrage, ou un piston d'équilibrage ou double piston avec les douilles d'étranglement associées. Les pistons et les doubles pistons peuvent également être combinés avec un disque d'équilibrage. Il est important de noter que l'API 610 ne permet pas l'utilisation d'un disque d'équilibrage, donc un tambour doit être utilisé. Cependant, l'API 610 concerne strictement les applications pétrochimiques, pétrolières et gazières. Dans plusieurs cas, les centrales ont interdit l'utilisation d'un disque d'équilibrage pour les BFP dans les centrales électriques typiques.

Les forces radiales proviennent du poids du rotor, du déséquilibre mécanique et de la poussée radiale. L'équilibrage des forces radiales est effectué par deux paliers radiaux lubrifiés à l'huile et par des espaces d'étranglement par lesquels le fluide s'écoule axialement. Ces interstices d'étranglement à travers lesquels le fluide s'écoule axialement sont situés au col de la roue ou, dans le cas des BFP multiétagés, dans les centrales électriques conventionnelles dans les douilles d'étranglement des plaques de diffusion et sur le piston d'équilibrage. Si le rotor est légèrement excentré, une force de rappel de centrage sera générée dans ces espaces, et cette force dépendra de la différence de pression et de la géométrie sur l'espace. Cette action de restauration est généralement appelée effet Lomakin. Il est réduit lorsque l'eau d'amont dans l'écoulement intercalaire n'est pas dans une phase purement liquide. L'action hydrostatique des jeux d'étranglement sur la rigidité mécanique peut dépasser la rigidité de l'arbre. Le système est réglé de manière à ce que la vitesse de rotation critique reste toujours éloignée de la vitesse de fonctionnement. Les forces d'excitation hydrauliques, en particulier en fonctionnement à charge partielle, peuvent en outre être absorbées.

Des presse-étoupes souples, des joints mécaniques, des joints flottants et des joints à labyrinthe peuvent être utilisés sur les BFP à des fins d'étanchéité. La limite d'application des presse-étoupes à garniture souple est régie par les possibilités existantes d'évacuation de la chaleur de friction. Dans le cas de boîtes à garniture souples à haut rendement, il y a généralement un prérefroidissement de l'eau de fuite et une température ambiante du presse-étoupe, du manchon de protection de l'arbre et du presse-étoupe. Le matériau d'emballage se compose généralement de ficelle tressée en téflon. Ce joint d'arbre est utilisé avec succès sur les pompes d'alimentation à pleine charge jusqu'à 150 MW de capacité de groupe motopropulseur.

La petite fuite des garnitures mécaniques est émise dans l'atmosphère sous forme de vapeur à la sortie. La chaleur de frottement générée est inférieure à celle des presse-étoupes à garniture souple. On adopte généralement un système de refroidissement en circuit fermé, qui est entraîné par un dispositif de circulation sur la bague d'étanchéité rotative lorsque la pompe est en marche et par l'action d'un thermosiphon lorsque la pompe est à l'arrêt.

Un joint flottant peut être utilisé pour des vitesses circonférentielles élevées et des pressions d'étanchéité élevées. Le joint flottant se compose d'une série de bagues d'étranglement courtes qui peuvent être déplacées radialement. Un jet d'eau d'étanchéité froide est injecté dans le joint pour s'assurer qu'aucune eau chaude ne puisse s'échapper de la pompe. Cette alimentation en eau d'étanchéité doit être maintenue pendant que la pompe fonctionne sous pression. Le contrôle de l'injection de condensat d'étanchéité dans un joint flottant peut être affecté par une pression différentielle, une régulation ou une régulation de température différentielle du condensat d'étanchéité.

En cas d'application à haute température, supérieure à 80 C, utiliser une garniture mécanique simple effet avec le refroidisseur qui est classé Plan-23 selon l'API 682.

Si le BFP est allumé et éteint fréquemment, il est souhaitable d'éviter les chocs thermiques et le gauchissement du boîtier après l'arrêt de la pompe pour éviter une usure interne prématurée au niveau de l'espace d'étanchéité. En principe, les matériaux de construction sont sélectionnés de manière à ce que le BFP puisse être démarré à partir de n'importe quelle condition thermique. Cependant, un contact physique entre le rotor et le boîtier à des emplacements avec un jeu étroit ne peut être évité dans certaines circonstances de fonctionnement anormal, par exemple, lorsqu'une cavitation se produit ou lors d'un démarrage semi-chaud, lorsque le BFP est déformé. Les emplacements concernés sont les fentes d'étranglement à l'entrée de la roue, la douille d'étranglement dans le diffuseur et le dispositif d'équilibrage. L'association de matériaux de construction appropriés à ces endroits, composés d'aciers au chrome résistants à la corrosion avec des ajouts d'alliages spéciaux, garantit de bonnes conditions de fonctionnement d'urgence, même à des vitesses circonférentielles élevées. Toute usure importante à des jeux étroits est toujours liée à une baisse d'efficacité.

Une vanne dite de débit minimum (par exemple, une vanne de fuite automatique, des vannes et des raccords) est disposée en aval du tuyau de sortie si le BFP garantit qu'un débit minimum est toujours présent et empêche tout dommage qui pourrait survenir lors d'un fonctionnement à faible charge, à la suite d'une surchauffe excessive et de l'évaporation du contenu de la pompe, ou à la suite d'une cavitation lors d'un fonctionnement à charge partielle.

Quelques points supplémentaires à apprendre lors de l'étude de la pompe à eau d'alimentation de la chaudière sont dans l'équation 1 :

Les principes fondamentaux essentiels à souligner pour les BFP sont le réchauffement approprié de la pompe, le réchauffement de secours et le contrôle de la température de vidange du joint d'arbre (douille fixe). Ces caractéristiques sont devenues plus critiques à mesure que les stations centrales sont cyclées et que les grandes pompes d'alimentation fonctionnent avec des charges variables et en mode veille. Le préchauffage de la pompe et le maintien du débit de préchauffage vers une pompe inactive pour assurer l'uniformité thermique dimensionnelle sont essentiels au maintien des jeux internes, de l'efficacité de la pompe et de sa longue durée de vie. Ce processus est essentiel pour les pompes multicellulaires afin de minimiser la distorsion thermique. La distorsion entraînera les modes de défaillance potentiels suivants : clignotement, frottement interne, jeux de bagues d'usure accrus, grippage de la pompe, jeu de bague d'étanchéité usé et fuite excessive, perte de performances et d'efficacité de la pompe, vibrations élevées de la pompe et roulements/jeux de roulement usés.

Les caractéristiques et pratiques d'installation qui prolongent la durée de vie, l'efficacité et la fiabilité sont :

Lexique de la CSK

Manuel de la pompe par Igor J. Karassik

API 610, API 682

Ashutosh Mishra est un professionnel de l'ingénierie de projets et d'applications ayant une formation dans des entreprises d'ingénierie (EPC) et de fabrication. Il a obtenu un baccalauréat en génie mécanique et un ingénieur agréé certifié des Institutes of Engineers, en Inde. Il peut être contacté à [email protected].