Les principes de base de l'équipement chauffé
Sreeram Krishnan, Zeeco, Inc., étudie les systèmes de sécurité destinés aux équipements à combustion dans le secteur du GNL.
On trouve des équipements à combustion dans la plupart des installations en service à travers le monde, quel que soit le secteur d’activité. Techniquement, on entend par « équipement à combustion » tout dispositif qui brûle un combustible pour produire de la chaleur ou de l’énergie. Cet article se concentrera plus particulièrement sur trois types d’équipements à combustion couramment utilisés comme dispositifs de sécurité, de traitement ou de contrôle des émissions dans l’industrie du GNL : les torchères, les incinérateurs et les réchauffeurs à combustion. Chacun de ces dispositifs de combustion peut être utilisé dans diverses applications liées au GNL, depuis la production et la liquéfaction du gaz naturel en amont jusqu’au transport, au stockage et à la regazéification en aval. Malgré leurs nombreuses utilisations, les équipements à combustion ont souvent la réputation de figurer parmi les unités les plus spécialisées et les plus complexes au sein de toute installation d’exploitation.
Pourtant, leurs principes de conception fondamentaux sont en réalité très simples. Même le terme « équipement à combustion » est assez explicite : le feu sert littéralement à faire fonctionner l'équipement.
Bien que le mot « feu » puisse avoir une connotation négative dans le domaine de l’exploitation et de la maintenance des installations, les systèmes d’équipements à combustion comptent parmi les unités les plus sûres au sein de toute installation en service. Cet article abordera les codes techniques, les normes et les dispositifs de sécurité spécifiques couramment intégrés à la conception des torchères, des incinérateurs et des réchauffeurs à combustion dans l’industrie du GNL. Il est également important de savoir distinguer ces trois grands types d’équipements à combustion ; c’est pourquoi cet article mettra en évidence leurs similitudes et leurs différences. Bien qu’ils soient utilisés dans des applications similaires, ces dispositifs de combustion diffèrent par leur conception générale, leurs performances et leur fonctionnement.
Torches
Lorsque l'on passe en voiture devant une usine de GNL la nuit, il arrive parfois d'apercevoir une flamme jaune-rouge qui semble suspendue dans les airs ; cette flamme provient très probablement d'une torche située en hauteur.
Il existe une grande variété de systèmes de torchères que l'on retrouve dans les usines pétrochimiques et les installations de GNL à travers le monde. Cependant, les plus courants sont les torchères surélevées, les torchères au sol à points multiples (MPGF) et les torchères au sol fermées (EGF). En général, les torchères sont considérées comme le type d'équipement de combustion le plus réactif et le plus polyvalent par rapport à un incinérateur ou à un réchauffeur à combustion. Elles offrent des taux de régulation nettement supérieurs et sont également capables de brûler et de détruire un volume important et soudain de gaz ou de liquides volatils avec un rendement de destruction (DRE) de 98 % ou plus. C'est pour ces raisons que les torchères sont couramment utilisées comme dispositifs de secours ou de décompression d'urgence dans les usines de GNL ou les installations en exploitation, afin de protéger les équipements et le personnel.
Deux caractéristiques de conception essentielles doivent être prises en compte pour une torche : une purge continue et un système de veilleuse et d’allumage sûr et fiable. De l’azote ou du gaz combustible doit être purgé en continu à travers la torche et la tuyauterie du collecteur afin d’empêcher toute infiltration d’oxygène, qui pourrait entraîner une accumulation accidentelle de gaz hautement inflammables à l’intérieur du collecteur de la torche. Si la veilleuse de la torche enflamme ces gaz, un retour de flamme ou une explosion pourrait se produire, présentant des risques supplémentaires pour le personnel de l’usine et les équipements environnants. Un système de veilleuse et d’allumage sûr et fiable est tout aussi important que la purge continue d’une torche, car il garantit le maintien permanent d’une flamme de veilleuse continue et stable. Si la flamme de veilleuse s’éteint et qu’un brûlage d’urgence se produit, des vapeurs de déchets dangereux issues du processus en amont pourraient être rejetées dans l’atmosphère sans avoir été correctement brûlées et détruites. Ces vapeurs peuvent être hautement explosives et toxiques, ce qui pourrait présenter des risques supplémentaires pour la sécurité du personnel de l’usine et des riverains.
Afin de prévenir toute extinction de la flamme, les veilleuses de torchère ZEECO® ont été développées et testées dans les conditions météorologiques les plus extrêmes à travers le monde, afin de garantir leur capacité à produire et à maintenir une flamme continue et stable en toutes circonstances, même en cas de vents de la force d’un ouragan et de fortes pluies. Les dispositifs de détection de flamme, tels que les thermocouples et le système ZEECO , sont les plus couramment utilisés pour détecter et confirmer la présence de la flamme pilote de la torche. Cependant, des dispositifs plus complexes, tels que les systèmes ZEECO et ViZion™, peuvent être utilisés pour détecter à la fois la flamme pilote et la flamme principale de la torche. Ces dispositifs permettent également de surveiller et de contrôler des indicateurs de performance clés, tels que le rendement de combustion et l’opacité de la fumée.
Il est également courant qu’une torche soit équipée d’un système d’allumage et de commande certifié pour une utilisation dans une zone dangereuse de classe I, division II, et conçu conformément aux normes API-521 et 537, offrant ainsi au personnel de l’installation des méthodes intrinsèquement sûres pour allumer et faire fonctionner l’unité. Des dispositifs de sécurité supplémentaires, tels que des dispositifs anti-détonation ou anti-déflagration, peuvent également être intégrés à la conception d’un système de torchère. Cependant, ces éléments ne sont pas aussi essentiels que ceux déjà évoqués. Cela dit, il est important d’évaluer la nécessité globale de ces dispositifs pour chaque application de torchère en fonction de son processus et de ses conditions d’alimentation spécifiques.
Figure 1. Système typique de torchage pour la décompression d'urgence.
Incinérateurs
On se demande souvent s’il existe une différence entre un incinérateur et un oxydateur thermique, mais ces termes sont utilisés de manière interchangeable pour désigner le même type d’équipement à combustion. Il peut être difficile d’identifier un incinérateur en plein jour, et encore plus la nuit. Contrairement à la flamme apparente d’une torche surélevée, la flamme d’un incinérateur est confinée et n’est pas visible de l’extérieur pendant son fonctionnement, ce qui rend difficile sa distinction au sein d’une raffinerie ou d’une usine de GNL.
Les incinérateurs sont généralement considérés comme les équipements à combustion les plus complexes et les plus automatisés par rapport à une torche ou à un réchauffeur à combustion. Bien que les incinérateurs ne soient pas aussi réactifs qu’une torche, ils sont capables de brûler et de détruire plusieurs flux d’alimentation gazeux ou liquides générés en continu à des températures très élevées, ce qui leur permet d’afficher des taux de destruction finale (DRE) impressionnants, de l’ordre de 99,9999 % ou plus. Les incinérateurs sont également généralement équipés d’un ensemble de commandes et d’instrumentation conforme à la norme NFPA-86, ainsi que d’un système de gestion des brûleurs (BMS) doté d’un automate programmable (PLC) qui contrôle les séquences de purge, d’allumage, de préchauffage, d’introduction des déchets et d’arrêt de l’unité. Les normes NFPA-86 remplissent pour les incinérateurs la même fonction générale que les normes API-537 pour les torchères : elles fournissent au personnel de l’installation des méthodes intrinsèquement sûres et simples pour exploiter l’unité sans prendre de risques supplémentaires.
L'une des mesures de sécurité les plus cruciales prévues par la norme NFPA-86 est la purge préalable à l'allumage, qui élimine les composés potentiellement inflammables de l'incinérateur avant l'allumage. Les détecteurs de flamme constituent un dispositif de sécurité courant qui vérifie la présence des flammes du brûleur pilote et du brûleur principal pendant l’allumage et après l’introduction des déchets. Les signaux de fonctionnement du ventilateur, les contacteurs de débit d’air de combustion, ainsi que les déclenchements liés à la température de consigne et à la pression du combustible sont également des dispositifs de sécurité essentiels régis par la norme NFPA-86 et couramment intégrés au système de gestion de l’incinérateur (BMS) afin de garantir davantage la sécurité du personnel et des équipements.
C'est dans les usines de liquéfaction de gaz naturel que l'on trouve certains des systèmes d'incinération les plus grands et les plus complexes au monde. Ces systèmes peuvent être équipés d'une large gamme de dispositifs de traitement post-combustion qui permettent à l'incinérateur de se conformer à des exigences plus strictes en matière d'autorisations d'émissionde SOX,NOX et CO. Il est également courant que ces systèmes soient équipés d'unités de récupération de la chaleur résiduelle (WHRU) qui utilisent les gaz de combustion chauds de l'incinérateur pour réduire la consommation globale de combustible et produire l'énergie nécessaire aux processus de GNL en aval.
Les systèmes d’incinération complexes offrent à l’utilisateur final un nombre important d’avantages, mais ont un coût. Les ensembles d’équipements plus volumineux et plus diversifiés sont généralement soumis à des codes et normes d’ingénierie plus stricts afin de garantir davantage la sécurité du personnel et des équipements ; c’est pourquoi ils se voient couramment attribuer un niveau d’intégrité de sécurité (SIL) de 2 ou 3 à l’issue de l’analyse des risques liés au procédé (PHA) ou de l’étude des risques et de l’exploitabilité (HAZOP). Les dispositifs de traitement post-combustion et les récupérateurs de chaleur des gaz d'échappement (WHRU) contribuent généralement à des pressions statiques internes de fonctionnement et de conception plus élevées, ce qui nécessite souvent des critères de conception mécanique et structurelle plus stricts, tels que ceux énoncés dans les codes de conception ASME Section VIII et Section I. Il est également courant que les soufflantes/ventilateurs de ces systèmes soient conçus conformément aux normes API-560 ou 673, qui exigent une marge plus importante tant au niveau des débits que des pressions de conception, ainsi que des équipements d’instrumentation supplémentaires à des fins de surveillance et de contrôle. Il convient de garder à l’esprit que, bien que ces codes et normes de conception ne s’appliquent pas nécessairement à tous les systèmes d’incinération complexes de l’industrie du GNL, chaque système doit être évalué en fonction de son application et de son utilisation spécifiques.
Figure 2. Système d'incinération complexe équipé de préchauffeurs de gaz acides et d'air (WHRU).
Chauffages à combustion
Les générateurs de chaleur à combustion présentent une conception et une complexité globale très similaires à celles des incinérateurs ; ils sont également couramment utilisés dans les processus en aval du GNL, tels que la déshydratation au glycol et la regazéification.
Ce type d'équipement à combustion brûle du combustible dans une section radiante afin de générer des gaz de combustion chauds qui transfèrent la chaleur vers une série de tubes ou de serpentins situés dans la section convective. Ces serpentins contiennent généralement un fluide caloporteur liquide tel que le Therminol®, qui est ensuite distribué vers divers procédés de GNL en aval. Les réchauffeurs à combustion peuvent également brûler des sous-produits issus d’autres procédés, mais contrairement à un incinérateur, ils se limitent généralement à un seul gaz résiduaire exothermique qui ne représente qu’environ 10 % au maximum du dégagement de chaleur total du système. Cette limitation vise à garantir le maintien permanent d’une flamme de brûleur continue et stable. Les gaz de combustion à la sortie d’un réchauffeur à combustion sont rejetés dans l’atmosphère avec un taux de réduction des émissions (DRE) de 99,9 % ou plus et, à l’instar d’un incinérateur, les réchauffeurs à combustion peuvent être équipés d’un système de réduction catalytique sélective afin de réduire davantage les émissions de NOX si nécessaire.
Les réchauffeurs à combustion sont généralement conçus conformément aux normes API-560 et sont généralement fournis avec un ensemble de commandes et d’instrumentation conforme à la norme NFPA-87, ainsi qu’avec un automate programmable (PLC) de gestion technique du bâtiment (BMS). Bien que la norme NFPA-87 soit spécifiquement destinée aux réchauffeurs à combustion, elle est similaire à la norme NFPA-86 : toutes deux traitent des mêmes séquences générales et des mêmes exigences de sécurité, à quelques différences près. Les thermocouples de type « skin » constituent des dispositifs de sécurité supplémentaires couramment installés sur les serpentins à tubes à l’intérieur du réchauffeur à flamme. Ces dispositifs servent à surveiller la température des serpentins à tubes afin d’éviter leur surchauffe ou leur rupture, ce qui pourrait entraîner un rejet dangereux et imprévu d’hydrocarbures dangereux. Des transmetteurs de pression différentielle peuvent également être utilisés pour des raisons similaires : ils réduisent le risque global d’événements de surpression à l’intérieur de l’enveloppe du réchauffeur à combustion, qui pourraient entraîner un rejet imprévu d’hydrocarbures dangereux.
Des dispositifs de contrôle et d’instrumentation supplémentaires peuvent être intégrés au système de gestion technique (BMS) d’un réchauffeur à combustion afin de renforcer encore la sécurité du personnel et des équipements. Par exemple, des analyseurs d’oxygène peuvent être utilisés comme dispositifs de régulation pour garantir le maintien constant d’un niveau d’oxygène minimal à l’intérieur de l’unité (généralement ≥ 3 % vol.). Des analyseurs de combustibles et/ou de méthane peuvent également être mis en place pour surveiller les concentrations de composés organiques volatils dans les gaz de combustion, afin de prévenir tout rejet, accumulation ou inflammation potentiels d’hydrocarbures dangereux. Ces fonctionnalités ne sont pas réservées aux applications de réchauffeurs à combustion : elles peuvent également être utilisées sur un système d’incinération à des fins générales similaires.
Figure 3. Composants typiques d'un chauffage à combustion directe.
Conclusions
Le feu peut être dangereux, mais cela ne signifie pas pour autant que les équipements fonctionnant au combustible soient eux aussi intrinsèquement dangereux. Un partenaire de confiance en matière de conception et de fabrication peut vous aider à faire ce choix en toute sérénité, à l’image des experts de Zeeco, qui possèdent près de 50 ans d’expérience dans la conception de torchères, d’incinérateurs et de réchauffeurs à combustion sur mesure.
Ces équipements fonctionnent en toute sécurité chaque jour dans d'innombrables sites d'exploitation à travers le monde. Non seulement ils constituent des dispositifs de contrôle des émissions extrêmement efficaces, mais ils peuvent également servir à produire ou à récupérer des ressources utiles pour les processus en aval, ce qui représente un avantage supplémentaire pour l'utilisateur final.
