De nombreuses centrales électriques à cycle combiné (CCPP) et centrales de cogénération ou de production combinée de chaleur et d'électricité (CHP) utilisent des systèmes de combustion supplémentaires, ou brûleurs à gaine, à l'intérieur des chaudières des générateurs de vapeur à récupération de chaleur (HRSG). Les brûleurs de gaine peuvent être activés à la demande pour augmenter rapidement et efficacement la production de vapeur du générateur de vapeur à récupération de chaleur vers le générateur de turbine à vapeur afin d'ajouter des mégawatts dans les centrales de cogénération, où la production de mégawatts peut se faire à la demande ou être planifiée à l'avance à partir de la répartition applicable du producteur pour répondre à la demande d'électricité. Les brûleurs de conduits peuvent également augmenter la production de vapeur pour l'usage des clients, ce qui permet au producteur de cogénération d'augmenter ses ventes.
Sur le marché intérieur, de nombreux brûleurs à conduits ont été installés dans des centrales nucléaires entièrement nouvelles et des centrales de cogénération construites entre 1995 et 2005. L'installation de brûleurs à conduits a ralenti dans les nouvelles centrales nucléaires et les centrales de cogénération entre 2005 et 2015. Depuis 2015, la construction de nouvelles centrales nucléaires et de centrales de cogénération est pratiquement au point mort en raison de la conjoncture économique et des pressions exercées récemment par les organismes gouvernementaux pour qu'ils recherchent et investissent dans les technologies des combustibles verts. En conséquence, l'infrastructure des centrales électriques sur le marché national vieillit et nécessite une attention particulière.
Malheureusement, en raison du vieillissement de l'infrastructure des équipements existants, de nombreux systèmes de brûleurs à conduits en place aujourd'hui ont atteint ou approchent rapidement leur cycle de fin de vie prévu et présentent une série de problèmes pour le producteur, tels que
Des inspections documentées fréquentes et une surveillance des équipements vieillissants sont essentielles pour comprendre l'état actuel des brûleurs de conduits d'une installation et savoir quand le budget d'investissement doit être mis en place pour les réparations ou le remplacement. Les inspections peuvent être effectuées pendant que l'équipement fonctionne, mais il est préférable de les réaliser pendant les arrêts, généralement au printemps et à l'automne, et de les confier à une entreprise de combustion réputée. Ces inspections permettent d'identifier les problèmes susceptibles d'affecter l'équipement existant, de diagnostiquer les causes des défaillances et de déterminer s'il est plus économique de remplacer l'équipement que de continuer à l'entretenir. Les inspections peuvent être réalisées en une journée seulement si elles sont coordonnées de manière à ne pas retarder le redémarrage de l'installation.
Le remplacement des systèmes de brûleurs à conduits est souvent plus facile que ne le pensent la plupart des producteurs. Il peut s'agir de la meilleure approche pour préserver le cycle de vie des capacités de production d'énergie, car le remplacement arrête le processus de vieillissement et remet les pendules à l'heure pour le producteur, éliminant ainsi l'un des nombreux soucis de l'équipe de direction. Cette étude de cas d'un remplacement clé en main d'un système de brûleur de gaine (Figure 1) effectué par Zeeco aide les propriétaires d'installations à comprendre le cheminement du diagnostic au démarrage et démontre les avantages de l'élimination de l'équipement vieillissant de l'infrastructure d'une centrale électrique.
En 2022, une importante compagnie d'électricité du sud-est des États-Unis a contacté Zeeco pour lui faire part de ses inquiétudes concernant son système de brûleurs à conduits. Zeeco a effectué une inspection des pannes et a consigné ses conclusions, qui incluaient les éléments suivants
Les stabilisateurs de flamme déformés peuvent résulter de l'incapacité à contrôler la forme de la flamme en raison d'un mauvais écoulement du gaz d'échappement de la turbine (TEG). Ce phénomène est généralement dû à des conceptions plus anciennes qui ont toujours été inadéquates, mais qui n'étaient pas connues avant l'introduction de technologies plus récentes. Le simple processus de vieillissement des équipements de combustion soumis à des années de cycles d'allumage et d'extinction use également les porte-flammes et les corps de chauffe. Dans le cas présent, ces deux éléments ont contribué à la dégradation de l'équipement.
L'incapacité de la veilleuse à allumer les flammes du combustible principal peut résulter de l'affaissement des éléments du brûleur. D'autres causes de cette défaillance sont simplement la destruction du ou des dispositifs de production d'étincelles qui se trouvent dans l'environnement du four du HRSG, jour après jour, à des températures extrêmes. Le circuit électrique général des systèmes d'allumage à haute énergie est facilement perturbé par la vapeur d'eau provenant du TEG et des systèmes de conduits ouverts, qui peuvent souvent être imbibés d'eau de pluie. Dans ce cas, l'affaissement de l'élément du brûleur était la cause principale de l'incapacité de la veilleuse à allumer le combustible principal. Les pointes d'étincelles ne se trouvaient plus dans la trajectoire du combustible principal et n'avaient aucune chance de s'allumer.
Une mauvaise reconnaissance de la flamme du combustible principal par le viseur de flamme peut également être attribuée à plusieurs facteurs :
Dans ce cas, les scanners étaient d'une technologie ancienne et s'étaient usés à différents stades sur les différents niveaux de brûleurs.
L'empiètement de la flamme sur la section du tube HRSG en aval est le principal facteur de destruction des chaudières HRSG, et la réparation de ces longs tubes de chaudière en alliage coûte des millions de dollars. Les flammes longues et paresseuses créent un empiètement de flamme lorsque le système de brûleur introduit le combustible brut dans le four de la chaudière HRSG (sous le contrôle total du système de gestion du brûleur [BMS]) et qu'il est allumé par l'allumeur pilote. Une fois que la flamme du combustible principal est allumée et reconnue par le détecteur de flamme, le système de contrôle distribué (DCS) du HRSG permet au combustible d'être augmenté pour répondre à la demande de vapeur de sortie.
Toutefois, lorsque les pointes des brûleurs s'érodent avec le temps sous la pression du combustible, ou que les stabilisateurs de flamme se déforment en raison de la recirculation du flux de TEG et de la flamme du brûleur, ou encore lorsque les éléments du brûleur s'affaissent (figure 2), le combustible peut s'écouler plus loin en aval de la pointe du brûleur avant qu'une combustion réelle ou complète n'ait lieu. Ces facteurs peuvent permettre aux flammes de s'allonger jusqu'à ce qu'elles touchent les tubes. Avec le temps, l'impact détruit les tubes. Ce problème doit être corrigé, faute de quoi une défaillance future est imminente. Dans ce cas, l'allongement des flammes dû à l'érosion de l'extrémité du brûleur a contribué à l'empiètement des flammes.
Ce projet comportait à la fois des défis communs et des défis spécifiques à la situation. En particulier, l'arrêt planifié était prévu pour 18 jours au printemps et était classé comme un arrêt non majeur, ce qui signifie qu'aucune modification de la turbine à combustion ou de la turbine à vapeur n'était prévue au cours de cet arrêt. Les arrêts sont généralement planifiés longtemps à l'avance sur de nombreux sites, ce qui rend très importante la compréhension de l'état actuel de l'équipement du brûleur de gaine afin que le remplacement puisse être effectué sans interrompre ou modifier les calendriers d'arrêts préprogrammés existants.
Le client a également expliqué que cette installation était essentielle pour le réseau, car la demande de production de vapeur et de mégawatts était de la plus haute importance en raison de l'importance de la clientèle. Il n'était pas envisageable de ne pas respecter le calendrier de l'arrêt, et l'unité devait être opérationnelle le dernier jour de l'arrêt. Le prochain arrêt planifié pour ce site n'était pas prévu avant plusieurs années, ce qui ajoutait une autre considération importante à l'équipement et à l'installation. Une planification clé en main approfondie a été nécessaire pour relever ce défi temporel, et une communication constante avec l'installation a été essentielle.
En général, la conception et l'installation doivent s'inscrire dans le cadre du budget d'investissement préapprouvé pour l'arrêt de la production. Dans ce cas, le client avait un budget d'investissement approuvé environ deux ans avant l'achat des nouveaux brûleurs. Cependant, l'inflation dans l'économie et la pandémie de sida ont fait de la tarification des matériaux un problème imprévu.
La synchronisation de l'appel d'offres avec les dates d'arrêt de l'installation a été la clé du succès. La conception, la fabrication, la livraison et l'installation prennent chacune un certain nombre de semaines sur le calendrier global pour être menées à bien. Il était donc crucial de commander l'équipement bien avant la date d'arrêt prévue. Une fois encore, la compréhension de l'état existant de l'équipement du brûleur de gaine a permis au propriétaire de l'installation de planifier correctement le remplacement.
La conception de la modernisation a été réalisée par une équipe très expérimentée qui a mené à bien de nombreux projets de remplacement clé en main de brûleurs de gaine, ainsi que la conception et la fabrication de nouveaux brûleurs de gaine pour une longue liste de fabricants d'équipement d'origine dans le monde entier. Le fait de garder une seule équipe d'ingénieurs et de gestionnaires sur le projet renforce les relations avec l'équipe du client et élimine les lacunes en matière d'information sur l'ensemble du projet.
Les achats de matériaux ont été effectués par du personnel ayant reçu une formation approfondie pour trouver les meilleurs prix et les meilleures livraisons. Zeeco utilise une liste exhaustive de fabricants agréés, contrôlée par son programme de l'Organisation internationale de normalisation (ISO), ce qui donne un pouvoir d'achat considérable aux acheteurs concernés et élimine le besoin de se préoccuper des fournisseurs nouveaux ou non testés.
La fabrication de l'équipement dans l'un des sept sites de production mondiaux de Zeecoa été étroitement surveillée par l'équipe d'assurance et de contrôle de la qualité (AQ/CQ) et par l'équipe d'ingénieurs chargés de l'exécution du projet. La livraison a été planifiée et réalisée par une équipe logistique composée d'experts en transport. Avant la phase d'exécution du projet, Zeeco a créé un plan et un schéma très spécifiques, tâche par tâche, pour tous les travaux mécaniques et électriques à effectuer sur le site. Le plan mis en œuvre a été suivi par des équipes de construction expérimentées.
Presque tous les projets d'installation clé en main donnent lieu à des découvertes qui permettent d'identifier des problèmes inconnus avant le début de la démolition de l'équipement existant. Dans le cas de ce projet, la découverte a été une grave corrosion interne des parois de l'enveloppe en acier au carbone du HRSG (figure 3). Ce type de découverte est de plus en plus fréquent pour les anciens appareils de chauffage et de combustion, en particulier lorsque les appareils de chauffage et de combustion sont installés à l'origine à proximité d'environnements marins ou dans des endroits où les températures extrêmes peuvent faire travailler extraordinairement dur l'enveloppe exposée, l'isolation des parois de l'appareil et le système de plaques de revêtement interne flottant de l'appareil.
D'autres découvertes courantes pour ces types de HRSG et de brûleurs à conduits sont la corrosion interne de la tuyauterie de combustible, la réduction de l'épaisseur des parois de la tuyauterie sous pression et la corrosion ou la destruction des sièges de vannes. Ces problèmes se développent au fil du temps en raison des fluctuations de la température du combustible dans l'ensemble de l'infrastructure de la tuyauterie de combustible de l'usine, causées par les changements de conditions météorologiques et saisonnières. Dans le cadre de ce projet, il était déjà prévu de remplacer la tuyauterie externe par une nouvelle tuyauterie, de nouveaux raccords et de nouvelles vannes exempts de corrosion.
Ce projet de remplacement clé en main d'un brûleur de conduit a été planifié en gardant à l'esprit ces types de découvertes courantes. Chaque découverte potentielle est discutée avec le client avant de finaliser l'achat de l'équipement et l'installation clé en main. Le fait d'atténuer les découvertes dès le départ grâce à une planification détaillée permet d'établir un calendrier de performance aussi fidèle que possible aux scénarios du monde réel et d'éliminer les surprises.
Lors d'un arrêt planifié, d'autres entrepreneurs sont souvent sur place pour travailler sur d'autres équipements, tels que les tours de refroidissement ou les bacs à ventouses et les soupapes de décharge des chaudières. Le site peut devenir encombré, et les remorques d'outils et les bureaux de construction peuvent réduire les zones d'entreposage des matériaux. Le recours à une entreprise d'installation réputée et la participation quotidienne aux réunions d'arrêt offrent à tous les entrepreneurs la possibilité d'exprimer et de partager quotidiennement leurs préoccupations et leurs plans prévisionnels. La coordination entre les entrepreneurs permet d'éviter des problèmes tels que la concurrence pour l'obtention d'une grue ou d'un espace de levage aérien, les dégagements pour les examens radiographiques non destructifs, ainsi que l'encombrement des routes dû à la livraison de matériaux et de consommables. Un projet bien communiqué est un projet plus sûr, qui élimine les accidents et peut sauver des vies.
Après le démarrage de ce projet et la démobilisation de l'équipe d'installation, les avantages pour ce client étaient très clairs. Chacun des points suivants a permis de répondre aux besoins du client et de redonner vie au système de brûleurs à gaine, qui en avait bien besoin pour de nombreuses années.
Un succès clé en main
Le remplacement du brûleur de gaine a été réalisé en 16 jours au lieu des 18 prévus, ce qui a permis de rallumer l'unité le dernier jour de l'arrêt.
Coût
Dans ce cas, le pouvoir d'achat mondial de Zeecoa permis à l'équipe de s'approvisionner en matériaux et d'économiser la valeur du budget d'investissement initial créé bien avant l'achat de l'équipement.
Nouvel équipement
Le client dispose désormais d'un nouveau système de brûleurs à conduits sans aucun des problèmes précédents. Les économies financières réalisées grâce à la réduction des coûts d'entretien et d'exploitation se traduiront par des économies au fil du temps.
Equipement correct
La conception et l'installation étaient conformes à 100 % au cahier des charges, ce qui signifie que le client a reçu tout ce qu'il demandait dans le cadre d'une panne et d'un coût budgétaire.
Dégagement de chaleur
Le nouvel équipement fournit la quantité appropriée de chaleur libérée dans la chaudière HRSG pour une production optimale de vapeur.
Fabrication
Zeeco a utilisé l'un de ses sept sites de production mondiaux pour réaliser l'équipement dans les délais et dans le respect total des exigences de l'entreprise et du client en matière d'assurance et de contrôle de la qualité.
Livraison
Le fait de savoir que l'équipement acheté serait livré sur le site en utilisant le système logistique du fournisseur a permis d'économiser de nombreuses heures de surveillance et d'inquiétude de la part de la direction du client.
Installation
Cette installation clé en main a fait appel à l'une des nombreuses équipes d'installation mécanique et électrique que Zeeco utilise et gère. Une installation entièrement clé en main a également permis au client d'économiser de nombreuses heures de surveillance et d'attention de la part de la direction.
Respect des délais
Le projet a été achevé plus tôt que prévu et au coût budgété, ce qui a profité au producteur et a permis de s'assurer que l'arrêt planifié était correct et qu'aucune prolongation n'était nécessaire.
Zéro incident ou accident de sécurité
Tout le monde est rentré chez soi à la fin de chaque journée sans avoir été blessé. À long terme, les primes d'assurance restent faibles, les mesures de suivi de la sécurité des installations restent impeccables et le bilan de l'entreprise en matière de sécurité est sans tache.
Amélioration de l'accès
Des zones d'accès moins encombrées à l'avant du brûleur permettent d'améliorer la maintenance et les opérations tout en créant des environnements de travail plus sûrs.
Formation
La formation de l'équipe opérationnelle au nouvel équipement du fournisseur est essentielle pour assurer des opérations sans faille et réduire les déplacements inutiles.
Émissions
La nouvelle technologie des équipements réduit considérablement les émissions dans de nombreux cas et permet aux entreprises d'exploitation de rester dans les limites de leurs tolérances en matière d'émissions.
Protection de l'équipement
La forme de la flamme étant bien ancrée et les longueurs de flamme s'adaptant bien au four du HRSG éliminent les dommages causés aux sections de tube en aval, aux parois de la gaine, aux plafonds et au sol.
Conformité avec la National Fire Protection Association (NFPA)
La norme NFPA 85, qui régit les brûleurs de conduits, et plus particulièrement le chapitre 8, est fréquemment mise à jour. Le fait de disposer d'un nouvel équipement signifie que les mesures de protection en vigueur sont déjà en place.
Garantie
Les nouveaux équipements offrent des garanties limitées aux propriétaires des installations.