Surveillance et traitement des systèmes d'eau de refroidissement en boucle fermée

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 de certains composants très critiques. Les deux systèmes les plus susceptibles d'exister sont ce qu'on appelle le système de refroidissement par eau des roulements (qui ne s'occupe pas que des roulements) et le système de refroidissement du stator, pour les installations équipées d'un stator refroidi par eau. Des systèmes de refroidissement en boucle fermée peuvent également être trouvés dans les refroidisseurs d'air situés à l'entrée 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 composition chimique ou dans les débits et les pressions différentielles dans tout le système peuvent ne pas être remarqués. Cependant, une fois que les processus de corrosion ont pris pied dans ces systèmes, il peut être très difficile de les corriger. Entre-temps, les équipements de données critiques peuvent être endommagés au point d'affecter la capacité de fonctionnement de l'usine. 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.

Comprendre les systèmes de refroidissement en boucle fermée

La plupart des centrales électriques utilisant le refroidissement par eau en boucle fermée pour les systèmes mécaniques (plutôt que pour le cycle à vapeur) comportent plusieurs sous-systèmes. Le système d'eau de refroidissement des roulements assure généralement le refroidissement des roulements et des 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 au panneau 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 calandre conventionnels ou des échangeurs de chaleur à plaques et cadres. Les systèmes à eau glacée (refroidisseurs d'air) échangent de la chaleur avec le compresseur, qui à son tour utilise une tour de refroidissement pour rejeter la chaleur dans l'environnement.

Généralement, l'eau déminéralisée est utilisée pour l'appoint d'eau de refroidissement en boucle fermée, mais des traitements chimiques sont nécessaires pour éviter 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 thermique, telles que les ensembles refroidisseurs d'air, peuvent être en cuivre ou même en aluminium. Les échangeurs de chaleur à plaques et à châssis sont souvent constitués de plaques en acier inoxydable. L'entretien et la conservation de ces systèmes nécessitent que vous prêtiez attention à tous les métaux.

Dans un système en boucle fermée, les piqûres d’oxygène constituent 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 provoquée par les produits de corrosion contre les surfaces des joints.

1. Piqûres d'oxygène dans un système d'eau de refroidissement en boucle fermée. Avec l'aimable autorisation : M&M Ingénierie

Pour que les piqûres d'oxygène se produisent, il doit d'abord y avoir un dépôt qui recouvre une partie de la surface métallique, créant un différentiel entre la teneur en oxygène sous le dépôt et la teneur en oxygène dans l'eau en vrac. La zone déficiente en oxygène située 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 microtrous.

Si les bactéries peuvent 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 encore certains types de bactéries, car elles utilisent le métal oxydé dans leur métabolisme.

Traitements chimiques pour le refroidissement par eau en boucle fermée

Lorsqu'un système de refroidissement en boucle fermée est étanche (sans perte d'eau), le traitement chimique appliqué peut durer des semaines ou des mois avant de devoir être rafraîchi. Cela peut conduire à la complaisance. D’un autre côté, les systèmes de refroidissement en boucle fermée qui présentent des fuites – et qui entraînent des pertes d’eau importantes – peuvent être presque impossibles (et parfois très coûteux) à maintenir aux niveaux de traitement appropriés. Des niveaux de traitement inappropriés entraîneront toujours la corrosion de ces systèmes.

Ci-dessous, nous listons 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 des roulements 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 vous vous y tenez.

Quel que soit le traitement chimique que vous choisissez, ils contiennent probablement également des tampons de pH (les caustiques et le borate de sodium sont courants) pour maintenir un pH alcalin, propice à minimiser la corrosion de 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 en 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 lorsque tout devient cathode et qu’il n’y a pas d’anode, la corrosion s’arrête.

Un apport constant de nitrite dans le système garantit que les zones dénudées créées deviennent rapidement passivées. Cependant, s'il n'y a pas suffisamment de nitrite dans la boucle d'eau glacée, une anode peut se former dans la tuyauterie, et encore une fois nous avons la grande cellule de corrosion cathode/petite anode. Les directives générales pour les traitements à base de nitrite sont d'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 constituent des anodes pour le reste de la tuyauterie. L'ajout de nitrite ne fait qu'accélérer davantage la reproduction des bactéries, aggravant ainsi le problème. Les systèmes utilisant du nitrite 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 inhibiteur oxydant anodique. Le molybdate agit avec l'oxygène dissous dans l'eau pour former un complexe ferrique-molybdate protecteur sur l'acier.

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

Ironiquement, dans les systèmes en boucle fermée très étanches, les niveaux d'oxygène dissous peuvent chuter, minimisant ainsi l'efficacité d'un traitement au molybdate (qui nécessite que l'oxygène dissous forme une couche passive). Les experts recommandent un minimum de 1 ppm d'oxygène dissous dans les systèmes traités au molybdate.

Traitements polymères. Les traitements aux polymères sont utilisés depuis de nombreuses années pour empêcher l’accumulation de tartre et de produits de corrosion dans les tours de refroidissement ouvertes. Des polymères similaires sont également désormais vendus pour être utilisés dans des systèmes en boucle fermée. Il semble que le polymère agit comme un dispersant pour les produits de corrosion ou le tartre qui pourraient se former. Il prévient donc la corrosion en gardant la surface propre et en garantissant que tout oxygène dissous dans l'eau attaque uniformément toutes les surfaces. 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, même si tant que le système en boucle fermée reste fermé, il ne devrait y avoir aucun impact sur l’environnement.

Surveillance de l'eau de refroidissement en boucle fermée

La surveillance régulière est essentielle au bon fonctionnement de votre système en boucle fermée. Quel que soit l'agent actif de votre traitement (nitrite, molybdate ou polymère), sa concentration doit être régulièrement surveillée. En général, des tests hebdomadaires suffisent à moins que les niveaux de traitement ne baissent. (Vous ne le saurez pas si vous ne surveillez pas régulièrement.) Étant donné que le traitement contre la corrosion de l’acier au carbone et du cuivre est généralement mélangé en un seul produit, de faibles niveaux de traitement peuvent affecter bien plus que la tuyauterie en acier au carbone.

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

Soyez à l'affût d'autres signes de contamination bactérienne, tels qu'une croissance visqueuse dans les voyants ou les indicateurs de débit, ou des odeurs septiques lors du prélèvement de l'échantillon. Les échangeurs de chaleur à plaques et à châssis ont une très grande surface et un petit espacement pour l'échange thermique entre les plaques. La contamination bactérienne peut non seulement affecter sérieusement le transfert de chaleur, mais elle peut également provoquer des fuites par piqûres dans les plaques en acier inoxydable. En fonction de 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.

N’oubliez pas qu’il est beaucoup plus facile de prévenir une contamination bactérienne que d’essayer de récupérer d’un système gravement contaminé.

Systèmes d'eau de refroidissement du stator

Le système d’eau de refroidissement du stator est une boucle fermée très spéciale pour plusieurs raisons. Premièrement, il protège l’un des équipements 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 intact. 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.

■ Un réservoir de tête contenant l'eau déminéralisée qui assure l'aspiration des pompes

■ Pompes de circulation

■ Échangeur de chaleur

■ Filtres (filtres à cartouche, crépines 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 déioniseurs et deux ensembles de filtres pour permettre d'en retirer un pour remplacer la cartouche filtrante ou pour le remplacement des résines à lit mélangé.

La boucle de refroidissement élimine la chaleur des barres du stator et l'évacue via des échangeurs de chaleur. L'eau passe continuellement à travers un polisseur à lit mélangé 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 les 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 l’accumulation de produits de corrosion dans les résines) nécessite le remplacement des résines.