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Exploitez les ondes de détonation pour nettoyer les tubes de la chaudière

Mar 28, 2023

L'une des grandes surprises auxquelles sont confrontées les centrales qui passent d'un charbon bitumineux plus ou moins standard à un charbon occidental est l'augmentation des scories et de l'encrassement. De nombreuses usines ont signalé beaucoup plus d'encrassement avec le charbon du bassin Powder River (PRB) qu'avec leur charbon précédent. Faire face à plus d'encrassement signifie généralement modifier le nombre, le type ou l'emplacement des souffleurs de suie ainsi qu'augmenter leur fréquence de fonctionnement. Un certain nombre de systèmes d'automatisation sont également disponibles qui utilisent des modèles thermodynamiques du générateur de vapeur pour prédire le type et la fréquence de nettoyage ; d'autres utilisent des capteurs dans le trajet du gaz pour "signaler" lorsque les surfaces des tubes doivent être nettoyées. La seule constante depuis près d'une décennie a été la mécanique du soufflage de suie.

Ne pas mettre en ordre le régime de nettoyage de la surface de votre passage de gaz coûte cher. Les cendres accumulées entraînent un fonctionnement moins efficace des générateurs de vapeur. Cela signifie que plus de carburant est brûlé et que la spirale de la mort commence. Le défi est que chaque chaudière, combustible et scénario de fonctionnement est unique et nécessite généralement une solution personnalisée pour être efficace. La bonne combinaison peut être insaisissable. Des niveaux d'efficacité inférieurs sont indiqués par une augmentation de la chute de pression globale, de la température des gaz de sortie et/ou de la puissance du ventilateur ; érosion et fuites supplémentaires des tubes ; dépenses d'exploitation et d'entretien élevées et continues ; et des pannes imprévues plus fréquentes uniquement pour le nettoyage. Si cela ressemble à votre usine, nous avons peut-être la solution que vous recherchez.

Une nouvelle technologie a été introduite dans l'industrie américaine de la production d'électricité il y a environ cinq ans. Il utilise le nettoyage par détonation, dérivé du Pulse Detonation Engine de Pratt & Whitney, qui est utilisé pour propulser un engin supersonique (Figure 1). Les ingénieurs développant le moteur futuriste à détonation par impulsions n'auraient pas pu prévoir que cette technologie migrerait dans l'industrie de l'énergie électrique en tant que technologie de nettoyage de chaudière la plus innovante depuis de nombreuses années. La nouvelle chambre de combustion à nettoyage par détonation ShockSystem (Figure 2) n'a rien à voir avec l'utilisation de dynamite ou de cordeau détonant lorsqu'une unité est hors ligne, la méthode de nettoyage la plus invasive encore utilisée. Il ne fait pas non plus référence à d'autres options de système de nettoyage en ligne telles que les avertisseurs sonores ou les canons à eau.

1. Onde de choc. Il s'agit d'un concept d'artiste d'un moteur à détonation par impulsions alimentant un vaisseau spatial. Le concept est simple : un mélange combustible/oxydant remplit un tube et s'enflamme. La combustion rapide se transforme en une onde de détonation qui traverse le cylindre jusqu'à huit fois la vitesse du son. La combustion est terminée avant que le gaz ait eu le temps de se dilater. La pression explosive résultante est ensuite convertie en poussée pour le véhicule. Courtoisie : Centre de vol spatial Marshall de la NASA

2. Conception simple du système. Une chambre de combustion Pratt & Whitney ShockSystem typique utilisée pour le nettoyage en ligne des chaudières. Avec l'aimable autorisation de Pratt & Whitney MMI

Le processus de création d'une détonation consiste à injecter un mélange de carburant et de comburant dans une chambre, à enflammer ce mélange, à transformer l'onde de combustion résultante en une onde de détonation, puis à purger avec de l'air pour préparer le cycle suivant (Figure 3). L'onde de détonation se déplace à des vitesses supersoniques dans la chambre de combustion et se désintègre rapidement en une onde de souffle une fois qu'elle quitte la chambre et se propage dans un espace ouvert (ou dans une grande structure, telle qu'une chaudière). L'onde de souffle, également connue sous le nom d'onde de pression, d'impulsion de pression ou simplement d'impulsion, a l'énergie nécessaire pour éliminer les cendres frittées et non frittées dans le backpass des chaudières. Cette onde de pression a peu ou pas d'effets négatifs sur l'érosion du tube, et la fréquence de fonctionnement requise est bien inférieure à celle des cornes acoustiques.

3. Travaux intérieurs. Ce dessin illustre le cycle de fonctionnement du ShockSystem. Source : MMI Pratt & Whitney

Le nettoyage par détonation crée une onde de souffle qui se propage de manière omnidirectionnelle à partir de la sortie de la chambre de combustion. À ce jour, toutes les applications ont été montées à l'extérieur de la paroi de la chaudière et dirigent l'onde de choc à travers une pénétration. Ces applications ont été installées sur des chaudières à tirage positif et équilibré. L'avantage de ce type d'installation est que la chambre de combustion peut être installée le long de la paroi de la chaudière ou acheminée autour de structures externes sans risquer de perdre un tube de lance en raison d'une flexion, d'un blocage ou d'une rupture pendant le fonctionnement. Un autre avantage majeur pour les opérateurs de chaudière est que les ondes de pression sont contrôlées et appliquées en ligne, éliminant ainsi les pannes inutiles. Les effets à long terme sur l'érosion des tubes sont minimes, les émissions de l'usine sont réduites, la température des gaz de sortie est diminuée et l'efficacité globale de la chaudière est augmentée.

L'onde de souffle omnidirectionnelle du nettoyage par détonation se propage à travers l'ensemble du tube, tandis que la technologie de soufflage de suie est limitée au nettoyage en ligne de mire. Chaque impulsion de détonation équivaut à plusieurs cycles de soufflage de suie de 6 minutes, et une chambre de combustion peut remplacer jusqu'à quatre souffleurs de suie, selon la configuration de la chaudière. Un programme standard de nettoyage par détonation nécessite 10 impulsions (chacune ne durant que quelques millisecondes), répétées toutes les 12 heures par chambre de combustion. Les souffleurs de suie nécessitent généralement un cycle de 6 minutes toutes les 4 heures par souffleur de suie. Le nettoyage par détonation réussit en mode de maintenance continue et en mode de nettoyage correctif, éliminant les dépôts établis lors de l'installation initiale. Les souffleurs de suie sont principalement utilisés en mode d'entretien continu et sont inefficaces pour éliminer les cendres qui ont pu s'accumuler et se fritter.

Les chambres de combustion de nettoyage par détonation résident à l'extérieur de la chaudière, tandis que les souffleurs de suie doivent traverser à l'intérieur de la chaudière. Le système d'amortisseur Pratt & Whitney n'a que deux exigences d'entretien de routine : le remplacement des filtres à carburant/oxydant et le remplacement de la bougie d'allumage de la chambre de combustion, ce qui n'est pas sans rappeler l'entretien de routine de votre véhicule. Comparez cela à l'entretien requis pour les souffleurs de suie à lance rétractable standard, où les buses et les joints de boîte de vitesses sont usés ou endommagés ; tubes de lance déformés, fondus ou corrodés ; et les tubes d'alimentation endommagés nécessitent une attention constante.

Un souffleur de suie à détonation offre d'énormes économies par rapport aux souffleurs de suie traditionnels à air et à vapeur, comme indiqué dans le tableau. Les économies réelles sont probablement encore plus élevées, car les souffleurs de suie à détonation peuvent souvent remplacer plusieurs souffleurs de suie traditionnels. De même, il y a un avantage financier associé à l'élimination des périodes d'arrêt pour les réparations du souffleur de suie ou pour le nettoyage supplémentaire de la chaudière.

Alternative économique. Les coûts d'exploitation et de maintenance avec le système de détonation ShockSystem peuvent être inférieurs à ceux des systèmes de soufflage de suie conventionnels. Source : Pratt & Whitney

L'industrie a également utilisé un nettoyage acoustique omnidirectionnel sans les effets négatifs d'érosion des tubes des souffleurs de suie traditionnels à air et à vapeur. Les résultats des cors acoustiques ont été au mieux modérés. Les cornes acoustiques créent des ondes sonores, à différentes fréquences, pour déloger les cendres non frittées dans les régions à basse température du backpass. Ils ont également été installés sur des composants environnementaux plus en aval. Même ici, les klaxons acoustiques n'offrent souvent pas les performances annoncées. Dans certaines applications, les cornes acoustiques doivent fonctionner beaucoup plus souvent que prévu à l'origine dans le but d'améliorer leurs performances. Cela a causé un niveau élevé de préoccupation pour l'intégrité à long terme de la chaudière, compte tenu du nettoyage relativement minimal réalisé.

Le soufflage de suie par détonation offre également une flexibilité supplémentaire pour le placement de l'équipement. Les souffleurs de suie conventionnels nécessitent de grands espaces de pont sur lesquels reposer les tubes de lance rétractables lorsqu'ils ne sont pas en fonctionnement. Les chambres de combustion à détonation peuvent être installées dans de nombreuses configurations différentes sans perdre aucune force de nettoyage.

Les produits de nettoyage à détonation peuvent être installés le long de la paroi de la chaudière et peuvent être pliés pour éviter les obstacles. Dans une configuration de tube courbé, le bord extérieur d'une chambre de combustion n'est qu'à environ 6 pieds de la paroi de la chaudière. L'emboîtement de plusieurs tubes optimise le nettoyage tout en minimisant l'empreinte physique de l'appareil. Étant donné que les produits de nettoyage par détonation remplacent les souffleurs de suie dans de nombreuses applications, ils peuvent également être placés dans des emplacements de souffleurs de suie existants en adaptant les pénétrations du souffleur de suie pour s'adapter à la chambre de combustion (Figure 4).

4. De nombreuses options d'installation. Les souffleurs de suie à détonation offrent au propriétaire de nombreuses options d'installation, notamment (de gauche à droite) : des configurations de chambre de combustion courbée, de chambre de combustion emboîtée et de chambre de combustion droite. Avec l'aimable autorisation de Pratt & Whitney MMI

La technologie de nettoyage de chaudière en ligne basée sur la détonation n'est pas un klaxon acoustique "turbo". L'onde de souffle créée par une chambre de combustion à détonation est une discontinuité de pression discrète, qui est fondamentalement différente des ondes cycliques des cornes acoustiques. L'amplitude de pression est également supérieure d'un ordre de grandeur pour une onde de souffle par rapport à une onde acoustique de klaxon.

Bien que les technologies acoustiques soient de nature omnidirectionnelle, chaque impulsion d'onde de souffle d'une chambre de combustion à détonation fournit beaucoup plus d'énergie qu'un klaxon acoustique, fonctionnant dans la plage de 25 à 220 Hz, ne peut fournir en une journée entière, même s'il fonctionne en continu. Mesurée à l'échelle des décibels, l'onde de souffle produite par le ShockSystem à l'intérieur de la chaudière est supérieure à 175 dB, alors que les klaxons acoustiques tournent entre 130 et 150 dB. À l'extérieur de la chaudière, les niveaux de bruit ont été mesurés dans la plage de 100 dB, bien en dessous des limites acceptables de l'OSHA et ne nécessitant pas plus de protection auditive que celle généralement utilisée dans une centrale électrique.

Le nettoyage par détonation réussit en mode de maintenance continue et en mode de nettoyage correctif où les dépôts établis doivent être éliminés. Le nettoyage acoustique est principalement utilisé dans un mode d'entretien continu et est inadéquat pour éliminer les cendres qui ont pu s'accumuler et se fritter. Une série de photos avant et après affichées sur le site Web de ShockSystem (www.shock-system.com) illustrent l'efficacité de nettoyage du système.

Les résultats des démonstrations ainsi que des installations permanentes du ShockSystem ont montré que le nettoyage par détonation en ligne dans diverses régions de la chaudière était aussi efficace ou plus efficace que les méthodes conventionnelles pour contrôler l'accumulation des dépôts de cendres, limiter les pannes de l'usine et améliorer le taux de chaleur (Figure 5).

5. C'est génial. La nature omnidirectionnelle du souffle libère de l'énergie en trois dimensions, donnant ainsi à la surface de transfert de chaleur un nettoyage en profondeur. Le processus comporte trois étapes (de gauche à droite) : le premier est le pontage et la platine - illustré dans une coupe transversale d'une chaudière avant le nettoyage, puis une onde de choc se déplace à travers l'espace du tube de la chaudière lorsque le ShockSystem est allumé, et, enfin, un nettoyage partiel des surfaces du tube est illustré après la dissipation de l'onde de choc. Le nettoyage peut être répété au besoin. Avec l'aimable autorisation de Pratt & Whitney MMI

La capacité de nettoyage hors ligne de mire de l'onde de souffle ne peut pas être obtenue par des jets de souffleur de suie conventionnels. Le dispositif de nettoyage par détonation fonctionne pendant les opérations normales de la chaudière, réduisant ainsi le nombre et/ou la durée des arrêts de l'installation nécessaires pour nettoyer des emplacements autrement inaccessibles. Cette nouvelle technique devrait entraîner une moindre usure des tubes attribuable à l'érosion par impact de particules, grâce à la plus faible vitesse des cendres entraînées associée à l'onde de souffle. Cela se traduit par une durée de vie plus longue de l'unité et un nombre réduit d'arrêts imprévus.

La chambre de combustion de nettoyage par détonation en ligne n'alourdit pas les ressources précieuses de l'usine telles que la vapeur ou l'air à haute pression (et les compresseurs associés). On s'attend à ce que cet avantage se traduise par un coût d'exploitation nettement inférieur. Un autre avantage par rapport à la technologie conventionnelle du souffleur de suie est que le dispositif de nettoyage par détonation en ligne comporte moins de pièces mécaniques, car il n'a pas besoin d'entrer dans la chaudière ou de s'escamoter. Cela signifie des coûts de maintenance réduits. De plus, la chambre de combustion à détonation peut être configurée de différentes manières, permettant des installations dans des zones plus confinées que les souffleurs de suie rétractables conventionnels, qui nécessitent généralement un long espace ouvert à l'extérieur de la chaudière pour l'installation.

Kirk Lupkes ([email protected]) est le directeur technique de Pratt & Whitney MMI. A. Tofa McCormick ([email protected]) est analyste senior au sein du groupe Marketing & Communications.

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