Un HRSG ne fonctionne pas nécessairement, tout au long de sa durée de vie, dans les conditions nominales pour lesquelles son point de conception a été défini. Lorsque la charge de la turbine à gaz varie, le profil thermique des gaz et le rapport entre l’énergie disponible et le débit d’eau traversant l’économiseur varient également.
C’est dans ces conditions éloignées du point nominal qu’un phénomène peut se produire, qu’il convient de vérifier dès la phase de conception : la vaporisation de l’économiseur.
Le problème ne réside pas uniquement dans le fait qu’une partie de l’eau commence à s’évaporer avant d’atteindre l’évaporateur. Cette vaporisation peut altérer la répartition hydraulique à l’intérieur des tubes et générer des conditions de fonctionnement qui affectent la stabilité et, dans les cas graves, l’intégrité du faisceau.
C’est pourquoi l’analyse d’une HRSG uniquement à son point nominal peut s’avérer insuffisante. Le comportement à charge partielle fait également partie intégrante de la conception.

Dans des conditions normales, l’économiseur récupère la chaleur des gaz afin d’augmenter la température de l’eau d’alimentation avant que celle-ci n’entre dans la section d’évaporation.

L’eau doit rester à l’état liquide sous-refroidi sur toute la longueur de l’économiseur.

On appelle « steaming » le phénomène par lequel cette eau commence à se vaporiser partiellement à l’intérieur même des tubes de l’économiseur, dans une zone où la conception ne prévoit pas encore la formation de vapeur.

L’apparition de cette phase vapeur modifie le comportement hydraulique du circuit. Il ne s’agit donc pas simplement de récupérer davantage de chaleur que prévu, mais de passer à un état différent de celui pour lequel cette section du HRSG a été conçue.

Le point d’approche exprime l’écart entre la température de l’eau à la sortie de l’économiseur et la température de saturation correspondante.

Tant que cet écart subsiste, l’eau quitte l’économiseur alors qu’elle est encore à l’état liquide sous-refroidi.

Lorsque la marge diminue jusqu’à disparaître, l’eau atteint les conditions dans lesquelles elle peut commencer à se vaporiser à l’intérieur de l’économiseur.

C’est pourquoi le point d’approche ne doit pas être considéré uniquement comme un paramètre thermique du point nominal. Son évolution lorsque les conditions de fonctionnement changent est déterminante pour vérifier si l’économiseur continuera à fonctionner dans les limites prévues.

Une charge partielle modifie l’équilibre thermique dans lequel fonctionne le HRSG.

Lorsque la turbine à gaz fonctionne en dehors de son point nominal, le profil de température des gaz change. Dans certaines conditions, l’économiseur peut recevoir davantage de chaleur par rapport au débit d’eau circulant dans ses tubes.

Il en résulte une réduction de la marge par rapport à la température de saturation.

Si cette marge disparaît, l’évaporation partielle de l’eau à l’intérieur de l’économiseur commence.

Ce comportement explique pourquoi une HRSG qui fonctionne correctement dans les conditions nominales peut présenter des problèmes lorsqu’elle fonctionne à d’autres niveaux de charge.

La question essentielle n’est donc pas seulement de vérifier que l’économiseur fonctionne correctement à 100 % de charge, mais de s’assurer qu’il continue à maintenir l’eau à l’état liquide dans les différentes conditions de fonctionnement prévues pour la centrale.

La formation de vapeur à l’intérieur de l’économiseur entraîne une modification du comportement de l’écoulement.

Lorsque des bulles de vapeur apparaissent, la répartition n’est plus uniforme entre les différents tubes. Certains peuvent recevoir un débit plus important, tandis que d’autres se retrouvent avec un débit réduit.

C’est cette inégalité qui est à l’origine du problème.

Les tubes qui reçoivent un débit moindre perdent leur capacité à évacuer la chaleur qu’ils absorbent et peuvent subir des surchauffes localisées.

Ainsi, un phénomène qui commence par un écart thermique peut se transformer en un problème hydraulique et mécanique.

Les instabilités liées au « steaming » peuvent se manifester de différentes manières au sein du faisceau.

• Répartition inégale du débit entre les tuyaux.
• Surchauffes localisées dans les tuyaux où la circulation est la plus faible.
• Vibrations du faisceau tubulaire.
• Chocs de bélier liés à l’effondrement de bulles de vapeur.
• Érosion interne.
• Fatigue des tubes.
• Dans les cas graves, rupture du tube.

L’importance de ce phénomène réside précisément dans cette chaîne d’effets.

L’économiseur peut avoir été correctement dimensionné pour transférer la charge thermique prévue et, malgré cela, présenter un comportement inadéquat si les conditions réelles de fonctionnement entraînent l’évaporation de l’eau au sein même du faisceau.

La prévention commence avant la mise en service du HRSG.

Lors de la conception, il convient de vérifier le comportement de l’économiseur non seulement dans les conditions nominales, mais également aux charges partielles pertinentes pour l’exploitation prévue.

L’objectif est de vérifier que l’eau conserve une marge suffisante par rapport à la saturation et qu’elle ne commence pas à s’évaporer à l’intérieur de l’économiseur, quel que soit le régime de fonctionnement considéré.

Cette vérification revêt une importance particulière lorsque le profil de fonctionnement de l’installation comporte des variations de charge.

Se baser uniquement sur le point nominal pour la conception peut vous empêcher d’analyser avec précision les conditions dans lesquelles l’équilibre entre la chaleur disponible et le débit d’eau s’avère le plus défavorable.

Le « steaming » illustre un enjeu plus large dans la conception des équipements de récupération de chaleur : le fait d’atteindre correctement les performances nominales ne garantit pas à lui seul un comportement stable sur toute la plage de fonctionnement.

Dans un HRSG, la relation entre la température des gaz, le débit d’eau et les conditions de saturation varie en fonction de la charge.

C’est pourquoi l’analyse de l’économiseur doit tenir compte des conditions réelles dans lesquelles la centrale devra fonctionner.

Le point d’approche cesse ainsi d’être une simple donnée de conception pour devenir une marge qui doit être vérifiée au regard des différents scénarios d’exploitation.

Lors de la conception d’un HRSG ou de l’examen du fonctionnement d’une installation existante, l’analyse doit se concentrer sur la relation entre les conditions thermiques et le débit d’eau traversant l’économiseur.

Il convient notamment de vérifier :

• Les conditions nominales de conception de l’économiseur.
• Les points de chargement partiel prévus.
• Le profil de température des gaz dans ces conditions.
• Le débit d’eau circulant dans l’économiseur.
• La température de sortie de l’eau.
• La marge par rapport à la température de saturation.
• L’apparition éventuelle de vaporisation à l’intérieur des tuyaux.
• La stabilité de la répartition du débit entre les différents circuits.

L’objectif est de vérifier que l’économiseur continue de fonctionner comme tel sur toute la plage de fonctionnement prévue.

Le « steaming » ne doit pas être considéré comme un phénomène isolé.

Son apparition indique que, dans certaines conditions de fonctionnement, le bilan thermique de l’économiseur ne permet plus de maintenir l’eau dans le régime de liquide sous-refroidi prévu.

À partir de ce moment-là, des instabilités hydrauliques, des surchauffes locales et des contraintes mécaniques peuvent apparaître, ce qui affecte la fiabilité du faisceau tubulaire.

C’est pourquoi la meilleure stratégie ne consiste pas à réagir lorsque des vibrations, des coups de bélier ou des dommages sur les canalisations apparaissent, mais à s’assurer, dès la phase d’ingénierie, que ces situations ne se produiront pas.

Une HRSG correctement dimensionnée doit répondre non seulement aux spécifications de conception, mais également aux conditions de charge partielle dans lesquelles elle devra fonctionner tout au long de sa durée de vie.

Chez AITESA, la conception d’un HRSG repose sur les conditions réelles des gaz, la production de vapeur requise et le profil de fonctionnement prévu pour l’installation.

Dans le cas de l’économiseur, cela implique de vérifier que le comportement thermique reste conforme aux conditions prévues même en cas de variation de la charge, afin d’éviter que la marge nécessaire par rapport à la saturation ne disparaisse et qu’une vaporisation ne se produise au sein du faisceau.

Lorsqu’une installation présente des instabilités à charge partielle ou qu’on évalue la conception, la modification ou la modernisation d’un HRSG, l’analyse doit être réalisée en fonction des conditions d’exploitation concrètes de l’équipement.

Vous pouvez transmettre à l’équipe technique d’AITESA les observations relatives au fonctionnement, les conditions d’exploitation et les informations disponibles concernant le HRSG.

À partir de ces données initiales, il est possible d’analyser le cas et d’évaluer quels aspects de l’économiseur et du régime de fonctionnement il convient de réexaminer.