Combiné

Les dommages pouvant survenir dans les générateurs de vapeur en raison d'une fuite de contaminants pendant le fonctionnement normal font l'objet de nombreuses discussions.

Par Brad Buecker, rédacteur en chef, et Dan Dixon, ingénieur de projet, Lincoln Electric System

Note de l'auteur : De nombreux opérateurs de centrales électriques à vapeur et le personnel technique sont conscients que les perturbations chimiques pendant le fonctionnement normal peuvent causer de graves dommages aux chaudières, aux systèmes de vapeur et aux turbines. Les températures et les pressions élevées amplifient considérablement les effets de la pénétration d'impuretés. Cependant, les dommages graves qui peuvent survenir lors des arrêts et des démarrages ultérieurs sont souvent négligés. Le cycle de charge est désormais un phénomène courant dans l'industrie de l'énergie, où de nombreuses unités suivent les fluctuations de charge générées par des sources renouvelables. Le problème est aggravé par la prolifération des unités à cycle combiné en remplacement des centrales au charbon. Le cycle de ces unités est essentiellement une procédure standard dans de nombreuses usines.

En 2012, j'ai co-écrit un article sur le layup HRSG et le contrôle de la chimie de démarrage avec Dan Dixon, anciennement de Lincoln Electric System et maintenant avec l'Electric Power Research Institute (EPRI). Les idées présentées dans cet article sont toujours tout à fait valables, d'où ce repost sur le site Web de Power Engineering. Veuillez garder à l'esprit que chaque unité est différente, de sorte que les concepts décrits dans l'article doivent être évalués au cas par cas, et toujours avec la sécurité au premier plan.

Les dommages pouvant survenir dans les générateurs de vapeur en raison d'une fuite de contaminants pendant le fonctionnement normal font l'objet de nombreuses discussions. Cependant, des dommages très graves sont possibles dans les systèmes qui s'allument et s'éteignent mais ne sont pas arrêtés, désarmés ou démarrés correctement. Les centrales à cycle combiné sont particulièrement sensibles à ces problèmes en raison des nombreux démarrages et arrêts typiques. Cet article examine les questions les plus importantes concernant la chimie hors ligne.

Les générateurs de vapeur conventionnels et à récupération de chaleur (HRSG) sont un labyrinthe complexe de tuyauteries à paroi d'eau, de tubes de surchauffeur et de réchauffeur, de tambours de chaudière et d'autres équipements. Lorsqu'une unité est mise hors ligne en raison d'exigences de charge réduites ou d'autres problèmes, l'eau à l'intérieur des circuits se contracte en volume. Cette réduction de volume induit un léger vide dans le système, qui à son tour aspire l'air extérieur. Maintenant, une condition de stagnation avec saturation en oxygène, au moins aux interfaces eau-air, a été établie.

L'attaque par l'oxygène peut être extrêmement grave pour plusieurs raisons. Le mécanisme de corrosion lui-même peut induire de graves pertes de métal dans les zones à forte concentration d'oxygène.

L'attaque prend souvent la forme de piqûres, où la corrosion concentrée peut provoquer une pénétration à travers les murs et une défaillance de l'équipement en peu de temps. Il est également d'une importance majeure que l'attaque à l'oxygène hors ligne génère des produits de corrosion qui se propagent ensuite au générateur de vapeur lors des démarrages. Le dépôt d'oxydes de fer dans les tubes du mur d'eau entraîne une perte d'efficacité thermique et, surtout, crée des sites de corrosion sous le dépôt. Ces mécanismes peuvent inclure les dommages très insidieux de l'hydrogène, [1] la corrosion des phosphates acides dans les unités mal traitées et le gougeage caustique.

Une autre méthode par laquelle l'oxygène peut s'infiltrer dans les générateurs de vapeur est au démarrage lorsque du condensat stocké ou de l'eau fraîche déminéralisée est nécessaire pour le remplissage ou l'appoint de la chaudière. Très souvent, l'eau de haute pureté est stockée dans des réservoirs de stockage à évent atmosphérique. L'eau absorbe l'oxygène et le dioxyde de carbone et peut même devenir saturée de ces produits chimiques. Lorsque l'appoint est injecté dans un générateur de vapeur froide, une attaque supplémentaire se produit.

À la centrale à cycle combiné de Lincoln Electric System (LES) Terry Bundy, le personnel des services publics a mis en œuvre plusieurs des techniques les plus efficaces pour empêcher la pénétration d'oxygène et la corrosion. Nous examinerons ces techniques ainsi que certaines alternatives qui peuvent également être efficaces.

D'abord et avant tout, il y a la couverture d'azote au cours des dernières étapes de l'arrêt et des arrêts ultérieurs à court terme. L'expérience a montré que l'introduction d'azote aux points clés du système avant que la pression n'ait totalement diminué réduira au minimum l'entrée d'air. Ensuite, à mesure que le système continue de se refroidir, seul l'azote pénètre, pas l'air chargé d'oxygène. Les points clés pour la protection de l'azote dans les HRSG comprennent l'évaporateur, l'économiseur et les circuits d'eau d'alimentation.

À Terry Bundy, l'énergie primaire est produite par deux turbines à combustion GE LM 6000 et deux HRSG à double pression Nooter-Eriksen (sans réchauffage) alimentant une turbine à vapeur de 26 MW. Le conditionnement de l'eau d'alimentation est un traitement oxydant entièrement volatil [AVT(O)], avec injection d'hydroxyde d'ammonium pour maintenir le pH de l'eau d'alimentation dans une plage de 9,6 à 10. La chimie de l'évaporateur haute pression est basée sur les directives du continuum de phosphate de l'EPRI, avec le phosphate trisodique comme seule espèce de phosphate et un contrôle dans une plage de 1 à 3 parties par million (ppm). La plage de contrôle du pH de l'évaporateur HP est de 9,5 à 10. Les concentrations de caustique libre sont maintenues à ou en dessous de 1 ppm pour minimiser le risque de gougeage caustique.

Après le début de la mise en service des unités à cycle combiné, le personnel de l'usine a découvert des piqûres d'oxygène dans l'un des évaporateurs à haute pression. La première étape pour atténuer ce problème a été l'installation d'un système de couverture d'azote en 2005. Une question qui se pose souvent est de savoir comment stocker ou générer au mieux de l'azote. Certes, il peut être fourni à partir de bouteilles d'azote fournies par des entreprises locales de fourniture de gaz ou de soudage, et l'azote liquide est une autre possibilité. Le personnel du LES a choisi une méthode différente, la génération d'azote via un système d'adsorption modulée en pression (PSA).

Le processus utilise un tamis moléculaire de carbone (CMS) qui, lorsque de l'air comprimé est introduit à haute pression, adsorbe l'oxygène, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau, mais laisse passer l'azote. Évidemment, l'azote peut ensuite être collecté dans des récepteurs pour être utilisé selon les besoins. À un intervalle présélectionné, la pression est libérée de l'unité permettant à O2, CO2 et H2O de se désorber du matériau, moment auquel ces gaz sont évacués dans l'atmosphère. Le tableau ci-dessous indique la pureté de l'azote de ce système en fonction du taux de production.

Le générateur de N2 Terry Bundy applique de l'azote, à une pression de 5 psig, aux fûts LP et HP pendant les couches humides, et l'azote est utilisé pour "pousser" l'eau d'un HRSG pendant la vidange des couches sèches. Une pression d'azote de 5 psig est maintenue pendant la pose à sec, à condition qu'aucun travail majeur sur les tubes ne soit nécessaire. Une préoccupation majeure évidente avec la couverture d'azote, et le raisonnement derrière son rejet dans certaines usines, concerne la sécurité. Bien sûr, l'azote élémentaire n'est pas toxique, car il constitue 78 % en volume de notre atmosphère. Cependant, une personne qui pénètre dans un espace confiné où l'azote n'a pas été purgé peut s'évanouir presque instantanément en raison du manque d'oxygène. La mort peut survenir en quelques minutes.

Une alternative à l'adsorption modulée en pression est la séparation des gaz par technologie membranaire. Dans ces systèmes, l'air comprimé circule le long de membranes spécialisées en fibres creuses. Le matériau permet à l'oxygène et à l'eau de passer à travers chaque membrane, mais le N2 ne pénètre pas et peut être collecté au niveau d'un orifice de sortie. La littérature indique que ce procédé peut produire de l'azote pur à 99,5 %.

Un autre point important en ce qui concerne la chimie du drapage humide est la circulation périodique de l'eau. Cela minimise les conditions de stagnation qui peuvent concentrer l'oxygène dans des zones localisées et provoquer des piqûres.

Les deux HRSG de Terry Bundy ont des systèmes de circulation installés sur les circuits haute pression et basse pression pour une utilisation pendant les couches humides. Chaque circuit utilise l'une des deux pompes de recirculation de préchauffage redondantes, qui sont normalement en service pendant le fonctionnement du HRSG pour atténuer la corrosion au point de rosée acide des circuits externes. Chaque pompe fournit environ 100 gpm de débit par circuit. Des vannes et de la tuyauterie ont été ajoutées pour permettre une transition en douceur de la circulation de superposition au fonctionnement normal. Des systèmes d'échantillonnage/d'injection sont disponibles pour permettre aux opérateurs de tester la composition chimique du pH et de l'oxygène dissous (à l'aide d'ampoules colorimétriques) et d'injecter de l'hydroxyde d'ammonium si le pH doit être augmenté. De plus, les modifications apportées à chaque tambour de chaudière permettent à l'eau de nappe de contourner la chicane du tambour, favorisant la circulation et minimisant les courts-circuits via les déversoirs. Les pompes sont généralement démarrées une fois que la pression du tambour est inférieure à 50 psig et restent en service pendant toute la durée du layup.

Très souvent, l'eau déminéralisée est stockée dans des réservoirs de stockage à évent atmosphérique. Ainsi, de l'eau chargée en oxygène pénètre dans le générateur de vapeur lors du fonctionnement normal et de manière encore plus critique lors de l'opération de remplissage de la chaudière. Dans ce dernier cas, l'afflux d'eau froide saturée en oxygène peut entraîner de graves difficultés. Une méthode possible pour minimiser ce problème consiste à limiter l'entrée d'oxygène dans les réservoirs de stockage, mais c'est généralement une proposition difficile. Le personnel de Terry Bundy a choisi une autre technologie de membrane de transfert de gaz pour traiter le retour de condensat et l'eau d'appoint.

Le processus est similaire au processus de membrane de transfert gaz-gaz décrit ci-dessus, mais dans ce cas, le support est de l'eau. Lorsque le liquide s'écoule le long des membranes à fibres creuses dans le récipient, les gaz traversent les parois de la membrane mais l'eau est rejetée. La technologie est capable de réduire les concentrations d'oxygène dissous à moins de 10 parties par milliard (ppb). Plus important encore, le système élimine l'introduction d'appoint saturé d'air (où la concentration en oxygène peut être de 7,5 ppm, soit 75 fois la limite recommandée) pendant le remplissage de la chaudière.

Au cours de mes (auteur Buecker) plus de 30 ans dans ou affiliés à l'industrie de l'énergie, j'ai vu de nombreux cas où le puits chaud du condenseur a été autorisé à rester humide, ou même à contenir de l'eau stagnante, pendant les pannes où le vide du condenseur a été rompu et l'air est entré dans le condenseur et la turbine BP. La combinaison d'une atmosphère chargée d'humidité et des dépôts de sel qui s'accumulent sur les aubes de turbine BP pendant le fonctionnement de routine peut être très dommageable. La piqûre et la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC), deux mécanismes très nocifs, sont deux des conséquences potentielles.

Une méthode très pratique pour lutter contre cette corrosion, et qui a été adoptée chez Terry Bundy, est l'injection d'air desséché dans le condenseur lors de tous les arrêts sauf à court terme (<72 heures).

Ce système est capable de fournir 700 pieds cubes standard par minute (SCFM) d'air à 100 oF à 10 % d'humidité au condenseur et à la turbine basse pression. Ce flux peut faire passer l'humidité relative de près de 100 % à moins de 30 % en quelques heures seulement.

En 2005, des inspections de fûts ont révélé d'importantes piqûres. C'est après cette inspection que les modifications décrites ci-dessus ont été mises en œuvre. Une nouvelle inspection en 2008 n'a révélé aucune nouvelle piqûre.

La surveillance du niveau de fer, via la collecte de particules sur des filtres de 0,45 micron, a montré une diminution significative des échantillons provenant de la décharge de la pompe à condensats (CPD) et des fûts BP et HP. Les démarrages plus rapides sont désormais monnaie courante. La conductivité cationique de la vapeur principale tombe dans la ligne directrice recommandée (0,2 µS/cm) jusqu'à 1,5 heure plus tôt, et la conductivité cationique CPD reste constamment inférieure à 0,1 µS/cm, alors que dans le passé, elle pouvait atteindre 0,45 µS/cm. Il est très important que les unités puissent être laissées en configuration humide pendant de longues périodes, ce qui permet à l'usine de gagner six heures (par rapport à la configuration à sec) pour atteindre la pleine charge à la demande des répartiteurs.

1. Cycle Chemistry Guidelines for Shutdown, Layup and Startup of Combined Cycle Units with Heat Recovery Steam Generators, EPRI, Palo Alto, CA : 2006, 1010437.