Suivi et Traitement des Fermés

Oct 01, 2023

En partie parce qu’il s’agit de systèmes en boucle fermée, il peut être facile d’ignorer les systèmes d’eau de refroidissement des centrales électriques qui prennent en charge le fonctionnement fiable de tout, des barres de stator dans le générateur aux roulements de pompe critiques pour les pompes d’alimentation et les échangeurs de chaleur sur les compresseurs d’air. Une surveillance et un entretien adéquats de ces systèmes d’eau peuvent vous aider à éviter des réparations plus coûteuses aux systèmes mécaniques qu’ils refroidissent.

Il peut y avoir plusieurs systèmes de refroidissement en boucle fermée dans votre centrale électrique. Il y a de fortes chances qu’ils refroidissent ou contrôlent la température sur certains composants très critiques. Les deux qui sont les plus susceptibles d’exister sont le système d’eau de refroidissement des roulements (qui prend en charge plus que les roulements) et le système de refroidissement du stator, pour les installations qui ont un stator refroidi à l’eau. Les systèmes de refroidissement en boucle fermée peuvent également être trouvés dans les refroidisseurs d’air sur les prises d’air des turbines à combustion.

De par sa nature même, lorsqu’un système en boucle fermée reste fermé et fonctionne correctement pendant une période prolongée, il est souvent oublié – ou du moins négligé. De petits changements dans la chimie ou les débits et les pressions différentielles dans tout le système peuvent ne pas être remarqués. Cependant, une fois que les processus de corrosion s’implantent dans ces systèmes, il peut être très difficile de les corriger. Entre-temps, l’équipement de données critiques peut être endommagé au point d’affecter la capacité de l’usine à fonctionner.

Nous commençons par quelques principes et pratiques généraux pour les systèmes d’eau de refroidissement en boucle fermée avant d’examiner le système d’eau de refroidissement du stator, qui est un cas particulier.

La plupart des centrales utilisant le refroidissement par eau en boucle fermée pour les systèmes mécaniques (plutôt que pour le cycle de vapeur) ont plusieurs sous-systèmes. Le système d’eau de refroidissement des roulements assure généralement le refroidissement des roulements et joints de pompe critiques, des refroidisseurs d’hydrogène pour le générateur, de l’huile de lubrification et des refroidisseurs de compresseur d’air. D’autres systèmes de refroidissement en boucle fermée peuvent inclure des systèmes d’eau glacée pour les refroidisseurs d’air utilisés à l’entrée d’air des turbines à gaz d’une centrale électrique à cycle combiné et le panel d’échantillons chimiques.

Un système de refroidissement en boucle fermée peut échanger de la chaleur avec le système d’eau de refroidissement principal dans des échangeurs de chaleur à tubes et à coques conventionnels ou des échangeurs de chaleur à plaques et à cadres. Les systèmes d’eau glacée (refroidisseurs d’air) échangent de la chaleur avec le compresseur, qui à son tour utilise une tour de refroidissement pour renvoyer la chaleur dans l’environnement.

En général, l’eau déminéralisée est utilisée pour l’appoint de l’eau de refroidissement en boucle fermée, mais des traitements chimiques sont nécessaires pour prévenir la corrosion et, dans certains systèmes, le gel. Le plus souvent, la tuyauterie d’un système en boucle fermée est en acier au carbone. Les surfaces d’échange de chaleur, telles que les refroidisseurs d’air, peuvent être en cuivre ou même en aluminium. Les échangeurs de chaleur à plaques et à châssis sont souvent faits de plaques d’acier inoxydable. L’entretien et la conservation de ces systèmes exigent que vous fassiez attention à tous les métaux.

Dans un système en boucle fermée, les piqûres d’oxygène sont le type de corrosion le plus courant (figure 1). Les symptômes de piqûres d’oxygène peuvent être de l’eau rouillée ou un entretien récurrent des roulements en raison de l’abrasion causée par les produits de corrosion contre les surfaces du joint.

Pour que des piqûres d’oxygène se produisent, il doit d’abord y avoir un dépôt qui recouvre une partie de la surface métallique, créant une différence entre la teneur en oxygène sous le dépôt et la teneur en oxygène dans l’eau en vrac. La zone pauvre en oxygène sous le dépôt devient l’anode, et la zone autour du dépôt qui est exposée à l’eau en vrac devient la cathode. Cette configuration « grande cathode, petite anode » provoque des piqûres concentrées et accélérées dans une zone confinée, produisant des fuites de sténopé.

Si les bactéries sont autorisées à se propager à l’intérieur du système en boucle fermée, elles peuvent créer un dépôt « vivant ». Les sous-produits de la respiration bactérienne sont souvent acides, et la respiration consomme également de l’oxygène, ce qui rend la base du biofilm propice à la corrosion du métal de base. Cela encourage davantage certains types de bactéries, car elles utilisent le métal oxydé dans leur métabolisme.

Lorsqu’un système de refroidissement en boucle fermée est étanche et ne subit aucune perte d’eau, le traitement chimique appliqué peut durer des semaines ou des mois avant d’avoir besoin d’être rafraîchi. Cela peut conduire à la complaisance. D’autre part, les systèmes de refroidissement en boucle fermée qui ont des fuites – et qui ont une perte d’eau importante – peuvent être presque impossibles (et parfois très coûteux) à maintenir aux niveaux de traitement appropriés. Des niveaux de traitement inadéquats entraîneront toujours la corrosion de ces systèmes.

Ci-dessous, nous énumérons quelques options que vous pouvez utiliser avec succès pour traiter les systèmes de refroidissement en boucle fermée tels que le système d’eau de refroidissement à roulement ou le système de refroidissement d’air en boucle fermée. En règle générale, vous trouvez un programme de traitement qui fonctionne bien pour les différents métaux de votre système et les exigences du système (par exemple, déterminez si vous avez besoin d’une protection contre le gel), puis respectez-le.

Quel que soit le traitement chimique que vous choisissez, ils sont susceptibles de contenir également des tampons de pH (le borate caustique et le borate de sodium sont courants) pour maintenir un pH alcalin, ce qui est propice à minimiser la corrosion dans l’acier au carbone. S’il y a du cuivre dans le système en boucle fermée, un azole peut être ajouté au traitement pour maintenir une couche chimique protectrice sur les surfaces métalliques de cuivre exposées.

Nitrite de sodium. Le nitrite de sodium est utilisé depuis de nombreuses années pour prévenir la corrosion dans une grande variété de systèmes en boucle fermée. Le nitrite est un oxydant et arrête essentiellement la corrosion en « corrodant » tout uniformément. Cela semble contre-intuitif, mais quand tout devient la cathode et qu’il n’y a pas d’anode, la corrosion s’arrête.

Un apport constant de nitrite dans le système garantit que toutes les taches nues créées deviennent rapidement passivées. Cependant, s’il n’y a pas suffisamment de nitrite dans la boucle d’eau réfrigérée, une anode peut se former dans la tuyauterie, et encore une fois, nous avons la grosse cathode / petite cellule de corrosion anodique. Les lignes directrices générales pour les traitements à base de nitrite sont pour un minimum de 700 ppm de nitrite.

Les nitrites sont utilisés par certaines bactéries comme source d’énergie. Si le système en boucle fermée est contaminé par ces bactéries, le niveau de nitrite peut diminuer rapidement. Les bactéries génèrent également des biofilms, qui créent des dépôts produisant des zones qui sont des anodes au reste de la tuyauterie. L’ajout de nitrite ne fait qu’accélérer davantage la reproduction des bactéries, ce qui aggrave le problème. Les systèmes utilisant des nitrites doivent être régulièrement testés pour détecter la présence de bactéries. Dans certains systèmes, des biocides non oxydants tels que le glutaraldéhyde ou l’isothiazoline sont ajoutés au traitement pour empêcher la croissance bactérienne.

Molybdate de sodium. Le molybdate de sodium est généralement classé comme un inhibiteur oxydant anodique. Le molybdate travaille avec l’oxygène dissous dans l’eau pour former un complexe ferricmolybdate protecteur sur l’acier.

Les niveaux de traitement au molybdate peuvent se situer entre 200 ppm et 800 ppm sous forme de molybdate. Les systèmes en boucle fermée qui utilisent de l’eau d’appoint déminéralisée auraient tendance à se situer à l’extrémité inférieure de cette fourchette. Malheureusement, l’offre mondiale de molybdate métallique a tendance à être concentrée dans les zones de troubles politiques historiques et, au fil des ans, les prix du molybdate ont considérablement varié. Cette variabilité des prix peut rendre le traitement au molybdate compétitif par rapport au nitrite, ou beaucoup plus coûteux.

Ironiquement, dans les systèmes en boucle fermée qui sont très serrés, les niveaux d’oxygène dissous peuvent chuter, et donc minimiser l’efficacité d’un traitement au molybdate (qui nécessite de l’oxygène dissous pour former une couche passive). Les experts recommandent un minimum de 1 ppm d’oxygène dissous dans les systèmes traités au molybdate.

Traitements aux polymères. Les traitements polymères sont utilisés depuis de nombreuses années pour prévenir l’accumulation de tartre et de produits de corrosion dans les tours de refroidissement ouvertes. Des polymères similaires sont également vendus pour être utilisés dans des systèmes en boucle fermée. Il semble que le polymère agisse comme un dispersant pour tous les produits de corrosion ou le tartre qui pourrait se former, de sorte qu’il empêche la corrosion en gardant la surface propre et en veillant à ce que l’oxygène dissous dans l’eau attaque toutes les surfaces uniformément. Cela produit un niveau de corrosion général, mais globalement faible.

L’un des avantages de ce traitement est qu’il est considéré comme très inoffensif pour l’environnement, bien que tant que le système en boucle fermée reste fermé, il ne devrait pas y avoir d’impact sur l’environnement.

La clé du bon fonctionnement de votre système en boucle fermée est une surveillance régulière. Quel que soit l’agent actif de votre traitement (nitrite, molybdate ou polymère), la concentration doit être régulièrement surveillée. Généralement, des tests hebdomadaires sont suffisants, sauf si les niveaux du traitement diminuent. (Vous ne le saurez pas si vous ne surveillez pas régulièrement.) Étant donné que le traitement de corrosion de l’acier au carbone et du cuivre est généralement mélangé en un seul produit, de faibles niveaux de traitement peuvent affecter plus que la tuyauterie en acier au carbone.

Le pH de l’eau doit également être testé régulièrement. Compte tenu de la quantité de tampon de pH dans le traitement chimique, le pH de l’eau doit être solide comme le roc. Les baisses de pH peuvent indiquer une contamination bactérienne, en particulier avec les traitements à base de nitrites. Une autre chose qui peut faire baisser le pH est les fuites dans le système, qui apportent du maquillage d’eau fraîche déminéralisée.

Soyez à l’affût d’autres signes de contamination bactérienne, tels qu’une croissance visqueuse dans les vitres ou les indicateurs de débit, ou des odeurs septiques lors du prélèvement de l’échantillon. Les échangeurs de chaleur à plaques et à cadres ont une très grande surface et un petit espacement pour l’échange de chaleur entre les plaques. La contamination bactérienne peut non seulement affecter sérieusement le transfert de chaleur, mais elle peut également provoquer des fuites de trous d’épingle dans les plaques d’acier inoxydable. Selon la pression du système en boucle fermée par rapport au système en boucle ouverte à ce stade, l’eau de refroidissement du roulement peut s’échapper ou l’eau de refroidissement ouverte peut s’infiltrer.

Rappelez-vous qu’il est beaucoup plus facile de prévenir la contamination bactérienne que d’essayer de récupérer d’un système gravement contaminé.

Le système d’eau de refroidissement du stator est une boucle fermée très spéciale pour plusieurs raisons. Tout d’abord, il protège l’une des pièces d’équipement les plus critiques : le générateur. Il n’y a qu’un seul métal préoccupant dans ce système : le cuivre. Et ce système doit rester très propre, voire immaculé. De petites augmentations de température dans les barres de refroidissement du stator peuvent limiter la charge ou même arrêter le générateur. Par conséquent, ce système nécessite une compréhension, une attention et une surveillance particulières (Figure 2).

L’eau de refroidissement du stator est contenue dans un système en boucle fermée qui refroidit les barres de stator en cuivre dans des générateurs refroidis à l’eau. Les bobines de cuivre contiennent des brins creux dans la barre du stator à travers laquelle l’eau de refroidissement se déplace (Figure 3). Les extrémités des barres du stator sont souvent pliées pour s’adapter à la configuration du générateur.

Dans toutes les barres du stator, les brins de cuivre, y compris ceux qui contiennent de l’eau de refroidissement du stator, changent de position dans la barre elle-même. Par exemple, les brins creux pour l’écoulement de l’eau de refroidissement peuvent se trouver dans le coin supérieur droit d’une barre de stator à une extrémité et sortir quelque part au milieu de la barre du stator à l’autre extrémité. Ces changements de position des brins dans une seule barre sont appelés transposition de Roebel et sont effectués pour réduire les courants électriques circulant dans les barres du stator.

Les passages étroits, les courbures et les torsions dans les brins de cuivre creux, y compris ceux causés par les transpositions de Roebel, créent de nombreux endroits pour que de petites quantités de produits de corrosion mobiles bloquent partiellement ou complètement le trajet de l’eau de refroidissement (Figure 4), provoquant une surchauffe de la barre du stator. La surchauffe des barres de stator peut entraîner une réduction de la capacité de production ou même une défaillance catastrophique du générateur.

Un système d’eau de refroidissement du stator contient les composants suivants:

■ Un réservoir de tête contenant l’eau désionisée qui fournit l’aspiration aux pompes

■ Pompes de circulation

■ Échangeur de chaleur

■ Filtres (filtres à cartouche, crépines à mailles, ou les deux)

■ Déioniseur à lit mixte

■ Surveillance du débit, de la température, de la conductivité, de l’oxygène dissous et, dans certains cas, du pH

Il y a souvent deux récipients de désionisation et deux ensembles de filtres pour permettre l’un d’entre eux pour remplacer la cartouche filtrante ou pour remplacer les résines à lit mixte.

La boucle de refroidissement élimine la chaleur des barres du stator et la transporte à travers des échangeurs de chaleur. L’eau passe continuellement à travers un polisseur à lit mixte qui élimine tous les contaminants ioniques solubles qui pénètrent dans l’eau. Ces impuretés sont généralement du dioxyde de carbone dissous et des produits de corrosion du cuivre ionisés (dissous).

Les résines échangeuses d’ions peuvent également piéger de fines particules d’oxydes de cuivre, bien que cela soit mieux fait par les filtres à cartouche. La résine échangeuse d’ions peut s’épuiser avec le temps (comme l’indique l’augmentation de la conductivité). Mais il est plus courant que la pression différentielle à travers le lit de résine (causée par la collecte de produits de corrosion dans les résines) nécessite le remplacement des résines.

Les surfaces de transfert de chaleur du système d’eau de refroidissement du stator sont généralement en cuivre pur. La chimie du cuivre dans les conditions d’oxydation et de réduction a fait l’objet de nombreuses recherches, et nous avons maintenant une meilleure compréhension des conditions qui causent la corrosion, qui est un problème courant.

En présence d’eau de haute pureté, dans des conditions de faible teneur en oxygène dissous (<20 ppb), le cuivre forme une couche passive d’oxyde de cuivre (Cu2O). L’oxyde cuivrique (CuO) peut se former lorsque l’oxygène dissous est élevé (>2 ppm). L’un ou l’autre de ces oxydes peut être stable et créer une couche d’oxyde passive sur les canaux dans les barres du stator. Un pH légèrement alcalin augmente la stabilité de l’une ou l’autre couche d’oxyde.

Un changement significatif dans l’oxygène dissous modifie le potentiel électrochimique de l’eau. Cela peut entraîner la conversion de l’oxyde de cuivre d’une forme (cuivrique) à l’autre (cuprou). Au cours de cette conversion, les couches d’oxyde deviennent instables et seront libérées dans l’eau, où elles se déplacent en aval et se rattachent à une autre zone. Selon l’état actuel de l’eau, au fur et à mesure qu’ils se rattachent, les dépôts peuvent contenir soit l’un des deux oxydes de cuivre mentionnés ci-dessus, soit du cuivre métallique. Ce rattachement peut prendre plusieurs formes. La figure 5 montre les oxydes de cuivre qui se sont déposés dans une structure ressemblant à une plume sur la surface du cuivre. La figure 6 montre la nature approximative et aléatoire des dépôts dans le chenal.

Il est important de comprendre que ce n’est pas nécessairement la corrosion de la barre du stator en soi qui crée les problèmes. Avec de telles conditions d’eau pure, les fosses créées par toute corrosion localisée sont très petites. Le problème est la libération des oxydes de cuivre d’une zone qui s’accumulent dans une autre. Le taux de « corrosion » du cuivre peut être très faible, mais les conditions qui accélèrent la vitesse à laquelle l’oxyde de cuivre est libéré dans l’eau peuvent être très préjudiciables à l’état du système. Le taux de libération des oxydes de cuivre peut également être affecté par le pH et la température.

Il y a une sorte d’effet de cercle vicieux ici. Une augmentation de la température de l’eau de refroidissement du stator augmente le taux de libération d’oxydes de cuivre dans l’eau. Les dépôts et les brins partiellement bouchés peuvent réduire le débit d’eau. Plus l’eau se déplace lentement à travers la barre du stator, plus elle se réchauffe. Ce cycle peut provoquer un problème de refroidissement du stator surgir de nulle part.

La meilleure façon d’éviter les problèmes de corrosion du cuivre et de garder les barres du stator fluides et fraîches est de savoir quelle option de traitement vous allez utiliser et de surveiller le système de refroidissement par eau du stator de manière appropriée.

Un écoulement sans entrave à travers toutes les ouvertures de la barre du stator est essentiel au fonctionnement du générateur et minimise le transport des particules dans des endroits où elles peuvent provoquer un blocage. C’est pourquoi l’eau de refroidissement du stator doit être surveillée en permanence pour la conductivité et l’oxygène dissous. La conductivité est critique et est généralement maintenue en dessous de 0,5 μS / cm. (Le fabricant de votre équipement d’origine peut avoir des limites différentes.)

La surveillance de la santé des systèmes d’eau des stators ne comprend pas seulement les paramètres chimiques tels que l’oxygène dissous et la conductivité. Cela implique également d’examiner une variété de températures et de pressions connexes pour les tendances qui peuvent prédire un problème imminent.

La surveillance en ligne (in situ) de la conductivité et de l’oxygène dissous est recommandée dans les systèmes de stators. L’échantillonnage ponctuel n’est généralement pas effectué en raison de la quantité d’eau nécessaire pour rincer les lignes d’échantillonnage avant que l’on puisse être sûr d’obtenir un échantillon précis, qui doit ensuite être remplacé. Cela peut être un problème.

La différence de pression entre les filtres à cartouche et le désioniseur à lit mixte sont également importantes. La fréquence à laquelle le filtre doit être changé, en raison du colmatage des particules, est une indication des conditions corrosives dans le système. Ne pas changer les filtres à cartouche ou remplacer les résines déminéralisantes lorsque la pression différentielle l’exige accélérera le colmatage des barres du stator. Il est recommandé de remplacer les résines déminéralisantes si la conductivité dépasse 0,5 μS/cm ou si la différence de pression à travers le désioniseur dépasse 15 psid. Par mesure de précaution, les résines doivent être changées tous les 18 mois à deux ans.

Les filtres à cartouche qui sont normalement fournis sont de 5 μm, et certaines usines ont trouvé que le passage à un filtre à cartouche de 1 μm est utile. Toutes les particules piégées par les filtres ou par les résines de désionisation sont des particules qui ne peuvent pas se rattacher à la surface du canal de refroidissement du stator.

La surveillance de la consommation d’eau d’appoint dans un système de refroidissement du stator est également importante. Si le système fonctionne sous un régime à faible teneur en oxygène dissous, l’eau d’appoint apporte le seul oxygène dissous, mais aussi du dioxyde de carbone qui abaissera le pH de l’eau de refroidissement du stator et augmentera le taux de libération d’oxyde de cuivre, ce qui accélérera les problèmes de température.

De même, s’il y a une chute de pression importante à travers le désioniseur ou à travers les filtres à cartouche, ou s’il y a des problèmes avec les pompes à eau de refroidissement du stator, tout cela peut ralentir le flux de l’eau de refroidissement du stator à travers le système, accélérant la libération de l’oxyde de cuivre et augmentant le potentiel de colmatage.

Dans un article précédent, nous avons discuté plus en détail des options de traitement de l’eau de refroidissement des stators (« Forgotten Water: Stator Cooling Water Chemistry » dans le numéro de décembre 2007 de POWER). Parmi les centrales électriques qui ont des stators refroidis à l’eau, il y a une répartition presque égale des régimes riches en oxygène et à faible teneur en oxygène, avec un léger avantage numérique pour celles fonctionnant dans le régime à oxygène dissous élevé.

Une teneur élevée en oxygène dissous nécessite de maintenir plus de 2 ppm d’oxygène dissous dans l’eau de refroidissement du stator en tout temps. Cela force le cuivre à la forme CuO de l’oxyde et maintient la couche de passivation avec très peu de libération d’oxyde dans l’eau de refroidissement. Tout niveau inférieur à 1 ppm devrait générer une action immédiate pour corriger le problème. Souvent, il suffit de laisser le réservoir de tête ventilé pour garder l’eau de refroidissement du stator oxygénée, mais si de l’hydrogène fuit dans l’eau de refroidissement, il peut déplacer l’oxygène et provoquer de la corrosion. Le réservoir à tête ouverte permet également l’entrée de dioxyde de carbone, ce qui peut abaisser le pH de l’eau du stator, augmentant ainsi la corrosion. Certaines usines placent des absorbeurs de dioxyde de carbone sur l’évent du réservoir principal pour l’enlever, avant que l’air ne pénètre dans le réservoir.

Le fonctionnement d’un régime d’oxygène dissous faible nécessite que l’eau de refroidissement du stator maintienne toujours moins de 20 ppb d’oxygène dissous et, idéalement, aussi bas que possible. Cela génère la couche passive Cu2O mais sur une plus longue période de temps. La formation de l’oxyde cuprous est limitée par la quantité d’oxygène dissous dans l’eau. Une faible teneur en oxygène dissous peut être maintenue en gardant le système libre de fuite pour limiter la quantité d’eau d’appoint. L’oxygène peut également s’infiltrer par les brides, les pompes et les joints. Dans certains cas, l’oxygène s’échappe par une connexion ou une bride desserrée qui crée un effet venturi, aspirant l’air. Certaines plantes recouvrent le réservoir de tête d’azote, ou même d’hydrogène, pour empêcher tout air. L’état de faible teneur en oxygène doit être maintenu pendant les pannes majeures, ce qui peut nécessiter une certaine planification.

L’augmentation du pH de l’eau de refroidissement du stator s’est également révélée très efficace pour réduire la corrosion du cuivre et les taux de libération. Cependant, moins de services publics ont choisi d’opter pour les étapes supplémentaires nécessaires pour créer et maintenir un pH alcalin.

Le traitement au pH alcalin peut améliorer le régime d’oxygène dissous faible ou élevé. Le pH cible pour l’eau est généralement considéré entre 8,5 et 9,0 et peut être obtenu en ajoutant de petites quantités de caustique à l’eau ou en substituant la résine échangeuse de sodium à la résine cationique formant hydrogène dans l’un des récipients désioniseurs et en dosant l’eau à travers cet échangeur jusqu’à ce que le pH atteigne le niveau souhaité. ■

—David Daniels ([email protected]) est un collaborateur fréquent de POWER et un scientifique principal principal chez M&M Engineering Associates Inc.

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