Étude et analyse des causes de la corrosion des échangeurs de chaleur et proposition...

7/24/2019 tude et analyse des causes de la corrosion des changeurs de chaleur et proposition damlioration

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Projet Industriel de Fin dtudes

Prsent

Pour lobtention du ti tre :

Ingnieur dtat Arts et MtiersPar :

Sami LOUAH

Titre :

tude et analyse des causes de la corrosion des

changeurs de chaleur et proposition damlioration

Jury :

M. Said ETTAQI.................................................. Prsident

M.Mohammed ASSOUAG.................................... Rapporteur

M Moustapha El JAI............................................Examinateur

M.abdellah LAAZIZI......................... ................ ..Parrain acadmique du Projet

M.Sofia JANATNI................................................Parrain industrielle du Projet

Anne universitaire 2014/2015


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3/91LOUAH Sami Anne Universitaire 2014-2015

Projet Industriel de Fin dtude ENSAM Mekns/ONEE Kenitra

REMERCIEMENT

La reconnaissance est la mmoire du cur.

Hans Christian Andersen

Nous ne pouvons entamer ce prsent rapport sans exprimer nos sincres remerciements tous ceux

qui ont contribu, de prs ou de loin, laboutissement de ce projet.

Tout dabord, je tiens prsenter mes remerciement et mes sentiments de reconnaissance aux corps

professoral et administratif de lENSAM et plus spcialement M. lAAZIZI et M. ETTAQI; Ceux-ci

mont entour de leur sollicitude depuis mon accs la prestigieuse institution quest lENSAM.

Quils trouvent dans ce travail lexpression de ma profonde gratitude.

Jadresse aussi mes sincres remerciement Madame JANATNI, qui, en tant que Parrain industriel du

projet, sest toujours montr lcoute et trs disponible tout au long de la ralisation de ce mmoire,

ainsi pour linspiration, laide et le temps quelle a bien voulu me consacrer et sans qui ce mmoire

naurait jamais vu le jour.

Enn, Je tmoigne ma profonde gratitude lensemble du corps professoral. Je tiens remercier les

membres du juryM. et M. Qui mont fait lhonneur daccepter de juger ce travail.




RSUM

La Centrale Thermique de Kenitra, mise en service en Aot 1978, est lune des trois anciennes cen-

trales thermiques installes au Maroc. Par consquent, ces installations, en particulier les gnrateurs

de vapeur sont touchs plus particulirement par dimportants problmes de dgradation.

Dans le dessein de lutter contre la dgradation des chaudires de la Centrale Thermique de Kenitra

tout en augmentant la disponibilit de ses quatre tranches, nous avons ralis le prsent projet. Ce

dernier, intitul tude et analyse des causes de la corrosion des changeurs de chaleur et propo-

sition damlioration, sinscrit dans un cadre danalyse de la situation actuelle et didentication

des modes de dfaillance potentiels avec les diffrents facteurs agissant sur la dgradation des ces

lments.

Dans un cadre industriel, lquipe projet sera amene rduire les temps darrt de la centrale

thermique. Pour ce faire, nous dterminerons les principaux modes de dgradation responsables des

endommagementsdeschangeurs de chaleur des chaudires.

Par la suite, nous effectuerons un diagnostic approfondi de ses phnomnes de dysfonctionnement.

Enn, nous proposerons des actions prventives ainsi que correctives pour remdier ces pro-

blmes sans pour autant ngliger les facteurs cot et faisabilit des solutions.

Mots cls: gnrateurs de vapeur, dgradation, changeur de chaleur, disponibilit, cot, faisabilit.




Abstract

The Kenitra thermal power, which opened in August 1978, is one of the three oldest Moroccan

thermal plants. Therefore, these facilities, especially the steam generators are affected by dgrada-

tion significant problems.

The present project, entitled "Kenitra thermal power boilers dgradation study and analyse", was

realized on the purpose of ghting against the Kenitra thermal power boilers dgradation, while

increasing its four phases availability. This project took place under the current situation analysis

framework and the potential modes of failure identication with different factors affecting these

elements dgradation.

In an industrial setting, the project team would be required to reduce the thermal power plantdowntime. To do this, the major responsible dgradation patterns of damage to the boiler heat ex-

changers would be identied.

Subsequently, a thorough diagnosis of these malfunction phenomena would be carried out. Finally,

preventiveand corrective actionsto address these problems would be suggested without neglecting

the solutions' cost and feasibility factors.

Key words : Steam generators, dgradation, heat exchangers, availability, cost, feasibility.




CCG :Cycles Combins Gaz

CED :la Compagnie Eolienne du Dtroit

CT : Centrale Thermique

CTJ :Centrale Thermique de Je-rada

CTK :Centrale Thermique de Kenitra

CTK :Centrale Thermique de Mohammdia

ED :Eau Dminralise

IPPs :Independent Power Producers

JLEC:Jorf Lasfar Energy Company

ONEE :Lofce National dlectricit de lEau potable

PERG :Programme dlectrication Rurale Global

PNAP:Plan National dAction Prioritaire

TGA :Turbine Gaz dAgadir

TGK :Turbine Gaz de Kenitra

TGL :Turbine Gaz Layoune

TGM :Turbine Gaz de Mohammdia

TOFD:Time Of Flight Diffraction

ZAT :Zone Affecte Thermiquement

ABRVIATIONS




Table des matire

INTRODUCTION GNRALE ................................................................ 13

Chapitre 1 :CONTEXTE GNRAL DU PROJET1. Lnergie lectrique du Maroc ........................................................16

1.1 Les principales rformes du secteur lectrique depuis 1994 16

1.2 La production dlectricit 16

1.3 La consommation dlectricit 17

1.4 Les Choix stratgiques pour le futur 17

1.5 Prsentation du groupe ONEE 18

1.5.1 Cration du groupe : ...........................................................................................18

1.5.2 Domaine dactivit de lONEE branche lectricit : ........................................18

2. Les centrales thermiques flamme ............................................... 20

2.1 Gnralits sur les centrales thermiques flamme 20

2.2 Les centrales thermiques du Maroc 20

2.3 Centrale thermique de Kenitra 21

2.3.1 Prsentation gnral .........................................................................................21

2.3.2 Principe de la production de llectricit la CTK .........................................222.3.3 Dfinition des composants dune tranche de la CTK .....................................24

2.3.4. Les principales installations communes ........................................................28

3. Problmatique et dmarche adopte .............................................30

3.1 Problmatique 30

3.2 Dmarche du Projet : 31




Chapitre 2 :TUDE BIBLIOGRAPHIQUE & ANALYSEDE LEXISTANT1. Gnralit sur les chaudire vapeur .............................................34

2. LES MODES DE DGRADATION DES CHAUDIRES .............................36

2.1 Dgradation propres au circuit eau/vapeur [10] 36

2.2 La corrosion du circuit air/fume 39

3. Caractristique du cycle dexploitation des chaudires .................. 42

3.1 Caractristique mtallurgie des tubes chaudires : 42

3.2 Eau dalimentation 42

3.2.1 Dminralisation de leau dalimentation de la chaudire ...........................42

3.2.2 Conditionnement de l eau et de la vapeur des chaudires ...........................43

3.2.3 Dgazage ..............................................................................................................43

3.3 Thorie de la combustion 44

3.3.1 Gnralits ...........................................................................................................44

3.3.2 Conditions thoriques dune bonne combustion .........................................44

3.4 Le fuel-oil 45

3.4.1 Gnralits ...........................................................................................................45

3.4.1 Constitution .........................................................................................................45

4.4 Procds de nettoyage des chaudires 47

4.4.1 Lessivage acide ...................................................................................................47

4.4.2 Lavage alcalin ......................................................................................................47

4.4.3 Ramonage ............................................................................................................47

Chapitre 3 : DIAGNOSTIC DES CHAUDIRES DE LACTK1. Diagnostic visuel ...........................................................................50

1.1 Etat des tubes crans 50

1.2 Etat du surchauffeur primaire 511.4 Etat de surchauffeur secondaire 51




1.3 Etat de lconomiseur 51

2. Investigation sur les analyses du laboratoire ..................................52

2.1 Analyse chimique de dpt externe 52

2.2 Suivi de la temprature 53

2.3 Suivi de la qualit du fuel-oil lourd n2 53

2.4 Suivi de leau de cycle 55

2.5 Analyse des produits de lavage 56

2.5.1 lavage alcalin .......................................................................................................56

2.5.2 lessivage acide ....................................................................................................56Conclusion 57

Chapitre 4 :DISCUSSION DES RSULTATS & RECOM-MANDATIONS.Partie A: Discussion des rsultats .......................................................59

1. Dgradation externe des tubes 591.1 Dgradation haute temprature (Oxydation du Vanadium) ............................59

1.2 Dgradation Basse temprature (acide sulfurique) ..........................................60

1.3 Lencrassement ......................................................................................................62

1.2 rosion.....................................................................................................................62

2. Dgradation interne des tubes 63

2.1 Piqres de corrosion ..............................................................................................63

2.2 Fissuration...............................................................................................................63

2.3 Perte dpaisseur & clatement des tubes .........................................................64

Partie B : Amliorations & Recommandations .....................................65

1. Actions correctives 65

1.1 Rglage de la combustion.....................................................................................65

1.2 Entretien des brleurs ...........................................................................................65

2. Actions prventives 652.1 Utilisation des additifs pour le traitement du fuel-oil ......................................65




2.2 Le principe inhibiteur des organomtalliques daddition : .............................66

2.3 Mthode dinjection de l additif : ........................................................................66

2.4 Injection dadditifs base de magnsium MgO ; ..............................................67

2.5 Injection dadditifs base de nickel : ..................................................................67

2.6 Additifs pour lutte contre la dgradation cause par le SO3: ...........................68

2.7 La quantit ncessaire de MgO pour une tonne de fuel-oil: ...........................69

2.8 Caractristiques du produit : ................................................................................70

2.9 Contrles en ligne ..................................................................................................70

Partie C : tude conomique ..............................................................71

1. Le cot de lindisponibilit 71

1.1 Dfinition ................................................................................................................711.2 Calculs ....................................................................................................................72

2. Cot du traitement chimique prventif 72

3. Estimation du gain rapport par les solutions proposes 73

Partie D : laboration dune application de gestion des interventions. 74

1. Problmatiques : 74

2.Description de lapplication 74

3. Mode de fonctionnement 74

4. Dcoupage fonctionnel pour la base de donne 77

CONCLUSION ET PERSPECTIVES .........................................................78

Bibliographie ........................................................................................79Annexe ...............................................................................................80




Liste des Figures

Figure 1: Structure de la production de llectricit en 2014. ................................17Figure 2: Rpartition dlectricit consomme fin 2014 (en %). .........................18

Figure 3 : Prsente lorganisation des different dpartement de lONEE. ...........20

Figure 4 :la puissance installe des diffrentes centrale thermique .....................22

Figure 5 : Lensemble du processus de production de la CTK. ...............................23

Figure 6 : Cycle de production de lnergie lectrique la CTK .............................24

Figure 7 : Image relle de la chaudire .....................................................................25

Figure 8 : Image relle de la turbine ..........................................................................27

Figure 9 : Image relle de lalternateur ......................................................................28

Figure 10 : Heures dindisponibilit des lments ..................................................32

Figure 11 :Schma de la Chaudire de type BERDA ................................................35

Figure 12 : Mcanisme lectrochimique dattaque de loxygne ...........................37

Figure 14 : Mcanisme de Fragilisation par lhydrogne .........................................38

Figure 13 : Mcanisme de la corrosion caustique ....................................................38

Figure 15 : Mcanisme de la Corrosion-rosion .......................................................39

Figure 16 : clatement de tube caus par la surchauffe. ........................................42Figure 17 : Paroi postrieure des tubes crans ........................................................51

Figure 18 : Paroi gauche des tubes crans ................................................................51

Figure 19 : Parti infrieure du surchauffeur primaire ..............................................52

Figure 20 : Partie suprieur du surchauffeur Secondaire........................................52

Figure 21 : Serpentin de lconomiseur .....................................................................53

Figure 22 : Suivi de la temprature de fume la sortie de la chaudire. ...........54

Figure 23: volution du taux de Fe, de V, de S et de K+Ca dans le combustible ..55

Figure 24 : Rsultats d'analyse de l'eau de ballon. ..................................................56Figure 25 : Dpt vanadate-sodique pos sur les tubes de SH2. ..........................60




Figure 26: Vitesse de corrosion sous dpt en fonction de la temprature .........61

Figure 27 : volution de la formation de H2SO4 en fonction de la temprature .62

Figures 28 : Piqres de corrosion sur la surface interne des tubes crans ...........64Figure 29 :fonctionnement de lapplication .............................................................72

Figure 30 : fiche de planification de maintenance...................................................77




Liste des Tableaux

Tableau 1 :la puissance installe suivant le type de combustible utilis. ............21

Tableau 2 : Paramtrs des surchauffeur SH1 et SH2.............................................26

Tableau 3 : Paramtrs des ventilateurs de soufflage. .......... ........... ........... ...........26

Tableau 4 : Caractristiques des turbines de la CTK ...............................................27

Tableau 5: Paramtres des soutirages turbine .........................................................28

Tableau 6 : caractristiques de lalternateur.............................................................28

Tableau 7 : Heure dindisponibilit de la tranche 1 ................................................31



Tableau 10 : Heure dindisponibilit de la tranche 4 ..............................................31

Tableau 11 : Analyse chimique des composant des tubes chaudires .................43

Tableau 12: Caractristiques de leau en circuit .......................................................44Tableau 13: Caractristiques physico-chimiques du combustible ........................47

Tableau 14 : Principales caractristiques du systme de ramonage de la CTK. ..48

Tableau 15: Analyse chimique de dpt prlev de SH2. .......................................53

Tableau 16 : Ractifs utiliss dans lavage alcalin. ...................................................57

Tableau 17 : Ractifs utiliss dans le lessivage acide. .............................................57

Tableau 18 : Variation du point de fusion des dpts .............................................67

Tableau 19 : Caractristiques chimiques et thermiques de la poudre de MgO. ..71

Tableau 20 : Consommation de la vapeur pour le ramonage ................................73


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Chapitre 1 Contexte gnral du projet

LOUAH Sami Anne Universitaire 2014-201514

ENSAM

INTRODUCTION GNRALE

ans la plupart des installations de production dlectricit telles que les centrales nuclaires,hydrauliques ou combustible fossile et les oliennes, la production de lnergie lectrique

est base sur la transformation de lnergie cintique, cest dire la transformation de lner-

gie du mouvement, en un ux dlectrons que lon appelle lectricit . la diffrence dautres pro-

duits, llectricit doit tre consomme ds quelle est produite, mesure que la demande saccrot,

loffre doit augmenter proportionnellement.

Il sagit donc dun d relever par les pays pour quilibrer loffre et la demande en lectricit. Au

Maroc, lnergie lectrique dorigine thermique, base des combustibles (fuel-oil, charbon, gas-oil et

gaz naturel), assure lessentiel de la production de llectricit.

Ainsi, le Maroc dispose dune large implantation des centrales thermiques vapeur dans diffrentes

rgions, parmi lesquelles gure la centrale thermique vapeur de Kenitra, lieu de mon stage de n

dtude. Comme dans toutes les centrales thermiques vapeur, il y a la prsence dun gnrateur de

vapeur qui assure la transformation de leau en vapeur. La vapeur est ensuite transfre, sous pres-

sion et haute vitesse, par de gros tuyaux une turbine dont elle fait tourner les ailettes. La turbine

fait tourner lalternateur, qui produit llectricit. Mis part le gnrateur de vapeur qui reprsente

le maillon principal de la production de llectricit dans une centrale thermique vapeur, il y adautres changeurs non directement en liaison avec leau ou la vapeur du cycle, mais qui sont aussi

indispensables, non seulement au bon fonctionnement de linstallation mais encore pour lamliora-

tion du rendement du cycle de production.

Les changeurs thermique rencontrent plusieurs problmes de fonctionnement qui ont trait aux

phnomnes de corrosion et dencrassement. Ces deux phnomnes sont particulirement dangereux

car ils peuvent conduire des dgradations et des ruptures qui mettent en pril la dure de vie de

linstallation, qui augmentent les cots dexploitation et entranent des pertes de production. Dolintrt de mon projet de n dtude qui consiste faire une tude de dgradat ion des chaudire

au niveau de la central lectrique de Kenitra.

Ce prsent rapport, comprenant les dtails de cette tude, est constitu de quatre chapitres qui seront

prsents comme suit :

Le premier chapitre,comprendra une prsentation du contexte gnral du projet, il donnera une

prsentation de lONEE et en particulier la Centrale Thermique de Kenitra. A la n de ce chapitre

nous allons identier le primtre de ltude.

D


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Dans ce premier chapitre, nous allons donner un aperu global sur notre

projet intitul tude et analyse des causes de la corrosion des changeurs

de chaleur et proposition damlioration . En premier lieu, nous prsen-

terons de manire gnrale le secteur dnergie lectrique au Maroc. Par la

suite, nous allons introduire les centrales thermiques amme ainsi que le

processus de production dlectricit au sein de la Centrale Thermique de

Kenitra. Ensuite, nous allons exposer le projet traiter, sa problmatique

et la dmarche adopte pour llaboration de ce travail.

1. Lnergie lectrique du Maroc

2. Les centrales thermiques flamme3. Problmatique et dmarche adopte

Rsum

Chapitre I : Contexte gnral du projet


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ENSAM

1.3 La consommation dlectricit [4]

Durant le premier semestre de lanne 2015, la consommation dlectricit a augment de 10,5%

selon lOfce National de llectricit (ONEE). Cette demande accrue a t satisfaite par une aug-

mentation de la production dorigine thermique, prcisment partir du gaz naturel, et des impor-tations en provenance dEspagne (Figure 2).

1.4 Les Choix stratgiques pour le futur [5]Le premier choix du Maroc est le charbon :

En 2015, le parc des centrales charbon aura une capaci-

t de production supplmentaire de plus de 14000 GWh,

soit trois fois plus que le parc solaire cinq ans plus tard.

Lensemble des centrales charbon produiront plus de50% de llectricit marocaine, une part en augmentation

par rapport 2010. On notera que la centrale schistes

bitumineux de Tarfaya elle seule, si elle est mene la

puissance vise de 500MW, va produire presque autant

dlectricit que lensemble des installations solaires.

Une pause dans la construction de centrales gaz :

Le Maroc enregistre une pause dans les chantiers de construction de centrales gaz. Cependant, dansune politique visant laugmentation des productions doliennes et de solaire, un tel parc exible se

voit indispensable. Il faudrait regarder de trs prs les relations Algero-marocaines. Pour le moment,

lentreprise algrienne Sonelgaz ne fournit quune quantit correspondante au droit de passage du

gazoduc Algrie-Espagne qui emprunte le territoire marocain. Si les discussions actuelles aboutissent

un accord, il est certain que le Maroc construira de nouvelles centrales gaz que lAlgrie souhaite

galement.

Les nergies renouvelables :

Les chiffres ofciels de prvision de production solaire pour lanne 2012 sont de 4405 GWh, soit

8,8% des besoins totaux en lectricit. Ceci, mis part une production olienne estime 3000GWh

(en se basant sur une disponibilit un peu suprieure 20%. Ajoutant une production hydraulique

probablement augmente de moiti donc de lordre de 5250 GWh, soit 10,5%. Les nergies re-

nouvelables pourraient en 2020 produire 12 655 GWh soit 25,3% de llectricit marocaine, 8,8%

solaire, 6% olien et 10,5% dhydraulique.

Ces rsultats forts honorables seront obtenus si tous les projets actuels sont mens bien. Par cons-

quent, ils feront passer la part dnergies renouvelables dans la production dlectricit du Royaume

de 15,6% en 2010 25,3% en dix ans.

Figure 2: Rpartition dlectricit consomme par

source dnergie fin 2014 (en %).

Renouvlable

8 %

Importation

17 %

Gaz Naturel

17 %

Fioul

20 %

Chabon

38 %


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ENSAM

1.5 Prsentation du groupe ONEE

Lofce National de llectricit et de lEau potable (ONEE) est lunique marocain de la four-

niture dlectricit du pays. Etablissement public caractre industriel et commercial cr en 1963,

dot de la personnalit civile et de lautonomie nancire. Sa principale mission est de satisfaire lademande en lectricit du Maroc aux meilleures conditions de cot et de qualit de service .

1.5.1 Cration du groupe :

Au lendemain de lindpendance, ltat a d prendre lui-mme en main le secteur lectrique an

de lorganiser, le soutenir et de garantir le service public. Lofce National de llectricit a t cr

par Dahir en aot 1963 et a t substitu la Socit lectrique du Maroc qui tait cone depuis

1924, la concession dune organisation de production, de transport et de distribution de lnergie

lectrique. A cette date, les usines de lnergie lectrique du Maroc assuraient 90% de la productionnationale.

1.5.2 Domaine dactivit de lONEE branche lectricit :

Le groupe ONEE, plac sous la tutelle administrative et technique du Ministre de lnergie et des

Mines, est charg depuis sa cration en 1994 de la production, du transport et de la distribution de

lnergie lectrique.

A. Production de llectricit :

La production est assure par des centrales thermiques, des centrales hydrauliques (qui sont associes

des amnagements buts multiples permettant de satisfaire les besoins en eau potable, en eau dir-

rigation et en nergie lectrique), des turbines gaz et des centrales diesel.

B. Transport :

Le transport de lnergie lectrique produite est du ressort exclusif de lONEE branche lectricit.

Cest un rseau maill ralisant une interconnexion entre les moyens de production. Dune longueur

totale de 21 434 km en 2013, le rseau de transport national est interconnect aux rseaux lectriques

espagnol et algrien an de renforcer la abilit et la scurit dalimentation.

C. Distribution :

LONEE branche lectricit est Le premier distributeur dlectricit au Maroc avec une part de mar-

ch de 55%, 10 directions rgionales sur tout le territoire et plus de 4,5 millions de clients dans tout

le monde rural et plusieurs agglomrations urbaines. Le reste de la clientle tant gre par des Rgies

de distribution publiques ou des Distributeurs privs qui sont eux-mmes clients Grands Comptes

de la Branche Electricit.

La gure 3 prsente lorganisation des diffrent dpartement de lofce national de llectricit.


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ENSAM

2. Les centrales thermiques flamme

2.1 Gnralits sur les centrales thermiques flamme

Une centrale thermique amme est une centrale lectrique qui produit de llectricit partir dunesource de chaleur selon le principe des machines thermiques. Les centrales thermiques amme sont

les plus rpandues au monde ; les besoins mondiaux en nergie lectrique sont actuellement couverts

65 % par les centrales thermiques combustibles fossiles(centrale thermique amme). La plus

part de ces centrales sont ges de plus de 15 ans. [6]

Les centrales thermiques amme fonctionnent partir de ressources naturelles : charbon, oul et

gaz. Ce combustible est brl dans une chaudire qui peut atteindre 90 mtres de hauteur. La chaleur

dgage rchauffe de leau contenue dans des tubes qui tapissent les parois de la chaudire. Leau est

transforme en vapeur qui, injecte sous pression, entrane une turbine connecte un alternateur

qui lui-mme produit de llectricit. Ensuite, la vapeur est refroidie en eau, puis repart vers la chau-

dire pour un nouveau cycle (cycle ferm) . Dans les centrales charbon, le combustible est broy

sous forme de poudre, puis brl dans la chaudire en dgageant de la chaleur.

Dans les centrales au fuel-oil, le combustible est inject par les brleurs, en trs nes gouttelettes,

dans la chaudire. Quant au gaz, il est utilis sous deux formes : naturel pour les cycles combins gaz

(CCG) ou sidrurgique pour les centrales traditionnelles .

2.2 Les centrales thermiques du Maroc

Lofce National de llectricit dispose de trois centrales thermiques amme essentielles (Moham-

mdia, Je-rada et Kenitra). Mais suite laugmentation incroyable de la consommation de lnergie

lectrique durant ces dernires annes lONEE cherche amliorer sa production en lectricit soit

par la rnovation des centrales thermiques (Mohammdia), soit par linvestissement dans des nou-

velles installations (turbine gaz) ou par la collaboration avec dautres socits prives (JLEC), la

puissance total produite est 4 470 Mw.

Le graphique ci-dessous prsente la puissance installe des diffrentes centrale thermique amme

sur le territoire national suivant le type de combustible utilis (Figure 4).

Combustible Charbon Fuel-oil Centrales turbine gaz Cycle combins Turbo-Alternateur

Pourcentage % / Type 40 % 13 % 23 % 19 % 5 %

La puissance total (Mw)/ Type 1 785 600 1 054 857 174

Tableau 1 :la puissance installe sur le territoire suivant le type de combustible utilis.


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ENSAM

2.3 Centrale thermique de Kenitra

2.3.1 Prsentation gnral

Parmi les objectifs du plan thermique de lofce National dlectricit gurait le projet de construc-

tion de la Centrale Thermique de Kenitra de type vapeur en 4 tranches dune puissance de 75 MW

chacune cest--dire 300 MW en total soit 7% de la puissance thermique totale installe au Maroc.

La Centrale Thermique de Kenitra est lune des trois anciennes centrales thermiques installe auMaroc, elle a un ge de 35 ans. Les tranches de production ont t mises en service respectivement:

Le 02/08/1978 :Mise en service de la premire tranche;

Le 05/01/1979 : Mise en service de la deuxime tranche;

Le 07/04/1979 :Mise en service de la troisime tranche;

Le 22/08/1979 :Mise en service de la quatrime tranche.

Situation gographique de la centrale,

La DXK se situe au Nord de la zone industrielle de la ville de Kenitra 7 Km de la cote atlantique,

et stend sur un terrain de 180.000 m2. Le terrain est bord par la rive gauche de lOued Sebou o

on prlve et renvoie leau pour le refroidissement des condenseurs. Dans la direction Nord-Ouest,

se trouve louvrage de prise deau. Au sud-ouest du terrain, est install le parc de stockage des com-

bustibles avec quatre rservoirs de fuel-oil de 10 000 m3

chacun, et un rservoir de gas-oil de 950 m3

Figure 4 :la puissance installe des diffrentes centrale thermique sur le territoire suivant le type de combustible utilis.

(MW)

800

1000

12001400

600

400

0

200

CTK

CTJ

JLEC

CTK

CTK

TGK

TGA TG

L

TGM

AinBe

niMatha

r

Taha

ddart

Tan-Ta

n

Dakh

la

Lay

oune

Turbo-AlternateurCycle combinsCharbon Fuel-oil Centrales turbine gaz


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24/91


Projet Industriel de Fin dtude ENSAM Mekns/ONEE KenitraENSAM

24

Chemine

Fuel oiel

HP 4 HP 3

SH2

BP 2

Poste deauBP

Pompe Alimentaire

Pompe dextraction etreprise

Condensateur

Bache Alimentaire

Turbine

Alternateur

Economiseur

Surchauffeur

Rchauffeur dairLJUNGSTRM

36 bruleursur 3 tage

Chaudire typeBERDA

ReservoirVapeur

535 C / 95 bar

232 C / 120 bar

85 C / 14 bar

298 C

317 C

155 C

120 C

35 C

470 C

Pr-rchauffeur delair comburant

7

8

12

Condensateur

11

13

Poste deauHP14

10

9

3

Tube Ecran2

Foyer 1

Dsurchauffeur4

Ventilateursde soufflage

5

6

Air

360 C

Figure 6 : Cycle de production de lnergie lectrique la CTK

Cycle de production de Central Thermique de KenitraIllustre par S.LOUAH


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ENSAM

2.3.3 Dfinition des composants dune tranche de la CTK

Les chaudires de la CTK :

La chaudire est un gnrateur de vapeur permet-

tant de transformer lnergie chimique contenuedans le combustible en nergie calorique cde

leau circulant lintrieur des tubes. La chaudire

est de type BREDA,[7] corps cylindrique, cir-

culation naturelle et parois en panneaux souds

(tubes crans). Sur la paroi faade, six brleurs en

3 tages utilisant le fuel-oil N 2 comme combus-

tible principal, pulvris au moyen de la vapeur

sous pression constante (7 bars). Elle comprendplusieurs lments.

Foyer :Cest la chambre o se droule le phnomne de combustion, chambre de combus-

tion, en dgageant de lnergie calorique sous forme de gaz chauds. Lchange thermique de la

chaleur produite par ce phnomne se fait par rayonnement et/ou convection. Le volume de la

chambre de combustion est de 525 m3

Tubes crans : Ils sont constitus de tubes crans qui tapissent les parois du foyer. Sous lef-

fet de la chaleur dgage par la amme, leau contenue dans ces tubes se vaporise. La circulationde leau dans ces tubes se fait naturellement peu prs en mme temps que la production de

vapeur. Elle repose sur la diffrence de poids qui existe entre le tube de descente plein deau et

la colonne montante remplie du mlange eau-vapeur plus lger (Le principe de la circulation

naturelle).

Surchauffeur (Primaire & Secondaire ) : les surchauffeurs sont des tubes de faible diamtre,

qui utilise la partie des fumes la temprature la plus leve de la chaudire pour produire de

la vapeur surchauffe et a haute pression.

La vapeur surchauffe a une temprature largement suprieure la temprature de condensation

dpendante de la pression. De telles tempratures sont ncessaires an de faciliter la forte chute

de pression dans la turbine vapeur, vitant ainsi que de la condensation napparaisse rapide-

ment lors de la dtente de la vapeur dans la turbine. La dtente de vapeur saccompagne dune

chute de pression et dune baisse adiabatique de la temprature de vapeur.(Annexe A)

SH1 : surchauffeur primaire serpentins horizontaux form de deux tages;

SH2 : surchauffeur secondaire serpentins continus form de deux ranges verticales.;

Figure 7 : Image relle de la chaudire

1

2

3


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ENSAM

Le rchauffeur dair LJUNGSTRM :cest un changeur de chaleur dont le but est de rcu-

prer une partie de la chaleur contenue dans les gaz de combustion qui sortent de lconomiseur

une temprature de 360C pour amliorer la combustion.

conomiseurs :Quelle que soit la perfection dune chaudire, il est vident que la tempra-ture des fumes vacues sera toujours suprieure celle de leau et de la vapeur quelle contient.

La perte par chaleur emporte par les fumes nest pas trs grande. Par contre au-dessus de 25

Bars, la temprature intrieure tant suprieure 232C, les fumes atteignent ou dpassent

300C, ce qui est excessif, donc inadmissible.

Pour y remdier, sur le parcours des fumes aprs leur sortie de la chaudire, un changeur lin-

trieur duquel faisant passer leau dalimentation. Cet appareil est appel conomiseur . Grce

lui, la temprature des fumes sabaisse une valeur raisonnable ; et au mme temps il conomise laquantit du combustible en chauffant leau dalimentation.

9 Les turbines de la CTK :Les turbines dune tranche de la CTK sont constitue de 13 tages

simples hautes pression et 6 tages basse pression. Chaque tage comporte une roue xe et un

autre mobile espaces dune distance permettant le passage de la vapeur. La vapeur surchauffe se

dtend ensuite dans le corps haute pression (HP) et basse pression (BP) de la turbine tout en crant

un couple moteur (la vapeur attaque par le haut et le bas les aubes de la roue mobile), ce dernier

entrane la rotation de larbre de la turbine et par suite celui de lalternateur. Pendant ces dtentes

successives, lnergie calorique est transforme en nergie mcanique.

10 Les soutirages :On distingue 5 soutirages placs des diffrents tages de la turbine, leur

rle essentiel est damliorer le rendement de la tranche.

7

8

Figure 8 : Image relle de la turbine

CaractristiquesType Corps simple

Puissance 75 MW

Pression vapeur ladmission 94,1 bars

Temprature vapeur ladmission 532 C

Pression vapeur lchappement 0,06 bar.

Dbit vapeur lchappement 192 t/h

T.Vapeur lchappement 32 C

Pression vapeur boites tanches 0,15 0,2 bar

Tableau 4 : Caractristiques des turbines de la CTK

10


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ENSAM

La vapeur soutire permet dlever la temprature deau dalimentation chaudire de 32C

232C ( au niveau des rchauffeurs deau ) et la temprature dair de 18C 70C (au niveau de

rchauffeurs dair vapeur ou RAV).

Les alternateurs de la CTK:

Lalternateur est un transformateur dnergie mcanique gnre par la turbine en nergie lectrique.Il gnre une puissance triphase denviron 93,750 MVA, avec un facteur de puissance de 0,8 ; ce

qui vaut 75 MW en termes de puissance active fournie. Avec une vitesse de 3000 tr/min et une paire

de ple, lalternateur fournit une tension de 13,8 KV (un courant de 3923 A).

Lalternateur est reli la turbine par un arbre, est form dune partie mobile, appele rotor, et dune

partie xe, appele stator. La paroi externe du rotor est compose dlectroaimants. Par ailleurs, la

paroi interne du stator est un enroulement de barres de cuivre. Lorsque le rotor tourne dans le stator,

les lectrons prsents dans les barres de cuivre vibrent. Le mouvement des lectrons cre un courantlectrique. Le refroidissement est assur par lhydrogne sous pression de 2 bars.

Le transformateur principal

Cest un transformateur triphas. Dune puissance de 93,075 MVA, dun rapport de transformation

de 13,8/225 kV et dun transformateur de soutirage de 6/7,2 MVA avec un rapport de transforma-

tion de 13,8/ 6,8 kV avec liaison par gaines coaxiales. Ce transformateur fournit aussi la puissancencessaire aux auxiliaires de la tranche .

Soutirages tage Pression (bar) Temprature (C) Dbit(t/h) Destination1er 6me 30 375 25 RHP5 et TV

2me 10me 14 285 19 RHP4 et RAV

3me 14me 5,6 255 12,5 Bche alimentaire

4me 16me 2,3 125 15 RBP2

5me 18me 0,66 85 19 RBP1

Tableau 5: Paramtres des soutirages turbine

11

Tableau 6 : caractristiques de lalternateur

Caractristiques :Puissance apparente 93 750KVA

Tension 13 800V_+10%

Vitesse 3 000 tours/mn

Frquence 50 Hz

Cos ( Phi ) 0,8

Figure 9 : Image relle de lalternateur


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ENSAM

Les principaux changeurs de la CTK :

Nous rappelons que le cycle de production la CTK est un cycle ferm. La vapeur issue de la turbine

sera condense par le condenseur pour subir un changement dtat. Leau condense passera par la

suite par le poste BP, la bche alimentaire et le poste HP pour le rchauffage avant denter la chau-

dire pour la vaporisation (gure 3).

12 Condenseur :Cest un changeur par surface qui assure la condensation de la vapeur issue

de la turbine,La vapeur vient de la turbine vers le condenseur travers la bouche dadmission, et

est distribue dans lespace vapeur de lenveloppe. Dans le faisceau tubulaire la vapeur dchap-

pement se condense au contact extrieur des tubes froids parcourus intrieurement par leau

aspire de la rivire. Suite la diffrence de temprature, la chaleur est transfre de la vapeur

( travers les parois des tubes) leau de circulation qui fait condenser la vapeur au contact des

parois externes des tubes. Leau condense est recueillie dans le puits du condenseur, duquel elleest extraite et renvoye, de nouveau vers la chaudire. Il occupe une place importante dans la

centrale. Il est linterface entre le cycle eau vapeur et la source froide, et il est constitu :

Dun corps formant une enveloppe tanche, la partie suprieure est raccorde lchappementde la turbine par une manchette en acier inoxydable et la partie infrieure forme le puits;

Dun faisceau de tubes parallles traversant le corps de part en part et x sur chacune des ex -trmits sur une plaque tubulaire;

De deux botes eau disposes lentre et la sortie condenseur ayant la fonction de diriger ledbit de leau travers la juste section des tubes;

Il maintient la dpression (0,05 bar) au dessous de la pression atmosphrique la dcharge dela turbine ; donc il augmente le rendement de celle-ci;

Il conserve le uide de travail pour lutiliser de nouveau dans le cycle : ce uide est trs pur donctrs cher.

13 Le poste deau BP :Comporte deux changeurs qui utilisent un soutirage de la vapeur

basse pression pour le chauffage de leau de cycle. Ce sont des changeurs par surface et sous

forme dun faisceau tubulaire en U.

14 Le poste deau HP :Le poste HP contient son tour deux changeurs par surface, monts en

position horizontale et constitus dun faisceau tubulaire. Ils assurent la continuit du rchauf-

fage de leau du cycle laide de la vapeur haute pression soutire de la turbine.

2.3.4. Les principales installations communes

Comme nous lavons dj mentionn auparavant, dans la CTK, on trouve quelques installationscommunes soit entre les quatre tranches ou entre deux tranches seulement, il y a :


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ENSAM

3. Problmatique et dmarche adopte

3.1 Problmatique

Les installations industrielles sont confrontes des problmes de dgradations chimiques et mca-niques, qui sont particulirement critiques dans les centrales thermiques. En effet, la production de

llectricit dans ces centrales fait appel des procds dont les conditions opratoires peuvent tre

fortement corrosives du-fait de la nature chimique du combustible, du comburant, de leau ainsi que

des pressions et tempratures leves mises en jeu. Ainsi, plusieurs phnomnes y sont entre autres

rencontrs qui occasionnent des risques et des cots importants, notamment parce quils peuvent

entraner des accidents graves et des arrts fortuits de la production.

Pour rpondre au pourquoi du sujet, nous allons procder un recensement des indisponibilits

fortuites de la centrale en heures des principaux composants, tout au long des trois dernires annes

(2012 ; 2013 ; 2014), dmontrant ainsi les dfaillances cause dans les chaudires de la CTK.

Elements Tranche 1 Heure dindisponibilit ( h )

conomiseur 0

Nez de vote 0

Paroi droite (PD) 50

Paroi frontale [PF] 0

Paroi gauche (PG) 0Paroi postrieure (PP) 200

Paroi sole (PS) 232,08

Sh1 13,4

Sh2 248,48

TOTAL ( h ) 743,96

Tableau 7 : Heure dindisponibilit de la tranche 1

entre 2012 et 2014


conomiseur 106,25Nez de vote 0

Paroi droite (PD) 168,45

Paroi frontale [PF] 66,83

Paroi gauche (PG) 27,99

Paroi postrieure (PP) 269,63


Sh1 0

Sh2 154,33

TOTAL ( h )961,23


entre 2012 et 2014


conomiseur 67,90

Nez de vote 167,19

Paroi droite (PD) 0


Paroi gauche (PG) 0


Paroi sole (PS) 0

Sh1 0

Sh2 419,42

TOTAL ( h ) 714,51


entre 2012 et 2014


conomiseur 40,00Nez de vote 381,94

Paroi droite (PD) 76,83


Paroi gauche (PG) 0



Sh1 0

Sh2 360,49

TOTAL ( h ) 1 136,60


entre 2012 et 2014


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Lgende

400

500

300

200

0

100

(h)

A B CD E FH IG A BC D E FG H I AB CDE FGH I

Nez de voteB Paroi droite (PD)C Paroi frontale (PF)D Paroi gauche (PG)E

Paroi postrieure(PP)

F Sh1H Sh2IParoi sole (PS)G

conomiseurA

Figure 10 : Heures dindisponibilit des lments de la tranche 1 entre 2012 et 2014

DE H A BC GF I

Tranche 1 Tranche 4Tranche 3Tranche 2

Constat

Nous constatons que les composants les plus frquemment en panne sont :

Le nez de vote en premier lieu,

Le surchauffeur secondaire en deuxime lieu,

Paroi du sol en troisime lieu.

3.2 Dmarche du Projet :

Pour raliser notre projet, nous avons adopt la dmarche suivante :

tude bibliographique sur les chaudires vapeur et sur leurs dgradations ventuelles ;

Description du fonctionnement de linstallation, en particulier des chaudires de la CTK ; Analyse de lenvironnement et des conditions opratoires des diffrents quipements de lunit ;

Visite du lieu de travail pour comprendre le processus de production ;

laboration dun diagnostic de ltat des chaudires de la CTK ;

Interprtation des rsultats obtenus ;

Proposition des amliorations et des actions correctives et prventives dans le but de minimiser la

dgradation des chaudires et daugmenter leur rendement ; tude conomique.


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Nous allons dtailler ce chapitre en trois points. Le premier pr-

sente des gnralits sur les chaudires vapeur, les surfaces de

chauffe et la classication des chaudires. Le deuxime illustre lesmodes de dgradations potentiels affectant les chaudires vapeur

savoir la corrosion, la fatigue thermique, le uage, la surchauffe

et lencrassement. Le troisime met en vidence la particularit des

chaudires de la CTK autour desquelles sarticule notre projet.

Rsum

1. Gnralit sur les chaudire vapeur2. Les modes de dgradation des chaudires.

3.Caractristique du cycle dexploitation deschaudires

Chapitre II: tude Bibliographique & Analysede lexistant


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ENSAM Chapi tre 2 tude bibliographique et analyse de lexistant


Introduction

On englobe gnralement sous lexpression gnrateurs de chaleur un ensemble trs vaste dap-

pareils. Leur caractre commun est de produire un uide thermique en utilisant comme source de

chaleur celle qui est dgage par un combustible. Le uide thermique produit peut tre de la vapeurdeau, de leau haute temprature (plus de 110C), de leau chaude, un thermo uide organique, de

lair chaud. Dans le cadre de ce trait, seul seront tudies de faon dtaille les chaudires vapeur.

1. Gnralit sur les chaudire vapeur [8]

Dans la chaudire, la chaleur dgage par le combustible brl dans le foyer, est transmise travers

les parois au liquide qui se trouve lintrieur. La surface par laquelle se fait la transmission est ap -

pele surface de chauffe. Elle est dnie ainsi : surface qui est au contact des gaz de la combustion

dun ct et de leau contenue dans la chaudire de lautre ct. Les parties de cette surface dchangesoumises au rayonnement direct du foyer sont appeles surface de chauffe directe . Celles qui sont

simplement lches par les gaz de combustion constituent la surface de chauffe indirecte .

Surface de chauffe directe

La surface de chauffe directe reoit et transmet que a

soit par rayonnement ou par convection plus de chaleur

lunit de surface. Les constructeurs des chaudires

modernes se sont efforcs de raliser des appareils o

les surfaces dchange enveloppent le mieux et le

plus possible la zone chaude du foyer an que la chaleur

quil met soit capte dans toutes les directions.

Surface de chauffe indirecte

La surface de chauffe indirecte na pas pour autant une

importance ngligeable. Pour que les gaz qui sortent lachemine aient la temprature la plus basse possible, il

faut faire en sorte quils aient cd la plus grande partie

de leur chaleur. Les changes se font par convection, en

favorisant:

Un contact aussi bon que possible entre gaz et parois par suppression des zones mortes ;

Une augmentation de la vitesse de circulation par diminution des sections de passage ;

Enn un allongement convenable des parcours.

Tube Ecran

Rchauffeur dairLJUNGSTRM

36 bruleur

sur 3 tage

SH1

SH2

Chaudire type

BERDA

Reservoir

Vapeur

298 C

317 C

470 C

Pr-rchauffeur de

lair comburant

Air

360 C

A

B

Figure 11 :Schma de la Chaudire de type BERDA

A

B


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Circulation de leau dans la chaudire

Les parois qui reoivent la chaleur sont dautant plus rapidement refroidies que leau qui est leur

contact se renouvelle rapidement. Ce renouvellement se produit par convection sous leffet de la

diffrence de masse spcique entre leau qui se trouve dans les parties les moins chauffes et le m-lange deau et de vapeur en formation localis dans les lments les plus intensment chauffs. Les

chaudires fonctionnant selon ce principe sont dites circulation naturelle.

1.1 Diffrents types de chaudires vapeurChaudire de faible puissance

On peut inclure dans cette dnition les units dont la production se situe entre quelques centaines

de kg/h de vapeur et 25 30 T/h. Les chaudires de cette catgorie prsentent la plus grande diversit

de types. Elles ont pour caractre commun de ne produire que de la vapeur sature, en majorit des

pressions modestes, infrieures 18 Bars.

Chaudire de moyenne puissance

Les chaudires de cette catgorie couvrent une gamme de production de vapeur allant de 30 T/h

200 T/h. Elles sont installes dans les usines o lon utilise la vapeur pour faire fonctionner des tur-

bines ou des machines.

Ce sont des chaudires tubes deau construites pour la plupart selon les principes techniques sem-blables celle des chaudires faible puissance. Mais les caractristiques de la vapeur produite, pres-

sion et temprature imposent quelques modications :

Surchauffe-surchauffeur : La vapeur produite dans le corps suprieur dune chaudire est de la vapeur

sature. Lorsquon dsire lutiliser pour faire fonctionner des machines, il est avantageux daugmen-

ter son nergie calorique en la surchauffant.

On le fait passer cette n dans un changeur tubulaire, le surchauffeur, o tout en restant la mme

pression sa temprature est augmente. On dit quelle est surchauffe. La temprature de surchauffe

aux chaudires de moyenne puissance varie de 350 450C selon la destination de la vapeur.

Chaudire de forte puissance

Ce sont les chaudires de production de vapeur allant de 250 1800 T/h. Elles quipent presque

exclusivement les centrales de production dlectricit. Les principales caractristiques de ces chau-

dires sont leurs dimensions impressionnantes. Les longueurs de tubes se comptent en kilomtres et

les surfaces de chauffe en milliers de mtres carrs.


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39/91



; lhydrogne peut alors se concentrer sous le dpt et pntrer dans le mtal. Un excs dhydrazine

dans leau peut conduire galement la formation dhydrogne :

N2H

4NH

3+ H

2 (9)

Corrosion-rosion

Les composants du circuit eau-vapeur peuvent tre affects de corrosion-rosion (corrosion acclre

par lcoulement dans la terminologie internationale). Ce type de dgradation consiste en une solu-

bilisation de la couche doxyde et du mtal lui-mme au cours du temps, do un amincissement qui

peut conduire un clatement de la tuyauterie si lpaisseur devient insufsante. La corrosion-ro-

sion se produit lorsque trois conditions sont runies:

Acier au carbone non alli;

Vitesse dcoulement importante;

Environnement chimique et temprature dfa-vorables.

Corrosion haute temprature

Aux tempratures leves, le pouvoir oxydant de leau provoque la formation de magntite Fe3O4,

selon les ractions dites de SCHIKORR:

3 Fe + 4 H2O Fe

3O

4+ 4 H

2 (10)

Ou :

3 Fe (OH)2 Fe3O4+ H2+ 2 H2O (11)

Les vitesses de ces ractions sont lentes temprature ambiante et deviennent apprciables au dessus

de 100C, puis trs rapides au dessus de 200C. La couche compacte de magntite, une fois forme,

est trs rsistante et ne se dissout plus mme en milieu lgrement acide. Elle joue un rle protecteur

tant quelle est de faible paisseur, adhrente, continue et que ses proprits physiques et mcaniques

sont voisines de celles du mtal de base. Si elle spaissit trop, le transfert de chaleur du foyer ext-

rieur vers leau intrieure peut tre limit, entranant une surchauffe locale du mtal qui entrane sa

dgradation. En augmentant encore dpaisseur, la couche subit en gnral un caillage; les produitsde corrosion dtachs seront alors dposs dans une autre partie du circuit eau vapeur.

Figure 15 : Mcanisme de la Corrosion-rosion


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La corrosion sous contrainte

La dsignation corrosion sous contrainte stress-corrosion cracking se rfre une ssuration du

mtal rsultant dune action combine entre contrainte de traction et un agent corrosif spcique

auquel le mtal est sensible. Les contraintes de traction peuvent tre soit des contraintes appliques,telles que celles provoques par la pression interne, ou rsiduelles, comme celles induites par le sou-

dage.

Dans les chaudires, lacier au carbone est particulirement sensible la soude concentre tandis que

les aciers inoxydables sont sensibles la soude et aux chlorures.

2.2 La corrosion du circuit air/fume

Les conditions de service du circuit air/fume crent un environnement corrosif qui conduit ladgradation des matriaux des changeurs de la chaleur. Lutilisation dun combustible qui a des

caractristiques chimiques corrosives peut provoquer plusieurs problmes, parmi ces problmes la

dgradation de la chaudire par la corrosion. Parmi les types de corrosion ventuelle, nous citons :

Oxydation du vanadium et du sodium [10]

Le vanadium et le sodium constituants principaux des cendres (matires striles non combustibles)

du combustible sont en effet des agents destructeurs haute temprature.

Le vanadium est sous forme de composs complexes aprs loxydation : les premiers composs forms

sont le tri-oxyde de vanadium (V2O3) et le ttra-oxyde de vanadium (V2O4). Ces composs ont des

points de fusion denviron 1970C et donc traverseraient les tubes sans se dposer.

Nanmoins, un autre compos peut se former sil y a un excs dair: le pentoxyde de vanadium

(V2O5) ayant un point de fusion de 650C.

V2O4 + 12 O2 V2O5 (12)

Ce compos se combine avec du sodium (Na) pour former des vanadates plus complexes plus bas

point de fusion. Les vanadates ainsi forms crent avec dautres rsidus solides un produit pteux

temprature leve sur les tubes appel dpt vanadate-sodiques.

Sulfuration [10]

La prsence de soufre dans le combustible, lexcs de lair et la temprature de service crent un en-

vironnement nfaste qui conduit lapparition de lanhydride sulfurique (SO3). Lors dune basse

temprature (point rose), le SO3 ragit avec leau en donnant lacide sulfurique (H2SO4).

S + O2 SO2 (13)


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SO2 + 12 O2 SO3 (14)

H2O + SO3 H2SO4 (15)

Attaque par le dioxyde de carbone

En phase de vapeur sature ou surchauffe, le CO2 ltat gaz nest pas corrosif, mais ds quune

condensation se produit, le CO2se dissout dans cette eau condense quil rend acide et lui confre

un caractre corrosif.

CO2+ H

2O CO

3H-+ H+CO

2-3+ 2H+ (16)

Pour les aciers:

Fe

2+

+ 2 CO3H

-

Fe(HCO3)2 (17)

Fe2++ COz

-3 FeCO3 (18)

Fatigue thermique

La fatigue thermique est le rsultat de contraintes cycliques dues des variations de temprature.

Lendommagement prend la forme de ssurations bien typiques (nombreuses ssures parallles,

perpendiculaires la direction des tensions, remplies doxydes (Figure 6)) qui peuvent apparatre

partout dans un organe mtallique lorsque les mouvements relatifs ou les dilatations diffrentielles

conduisent des contraintes, et notamment avec des cycles thermiques rpts.

Ce problme peut affecter les emplacements o les condensats sont mis en contact avec les circuits

de vapeur deau tels que des quipements de d-surchauffe. Dans les quipements de gnration de

vapeur, la fatigue thermique touche le plus souvent les xations rigides entre tubes adjacents dans les

surchauffeurs, les tubes de vaporisateur et le rchauffeur. Ce phnomne apparait aussi dans les points

de mlange de ux chaud et froid comme les emplacements o les condensats sont mis en contact avec

les circuits de vapeur tels que des quipements de d-surchauffe ou de rgulation de la temprature.

Fluage

Le uage est une dgradation qui est fonction de la temprature, des contraintes appliques et du temps

dexposition ces conditions. Aux tempratures leves, les organes mtalliques peuvent se dformer

lentement et continuellement sous une charge infrieure la limite apparente dlasticit. Cette dfor-

mation donne lieu des endommagements qui peuvent nalement entraner une rupture. Les ruptures

causes par le uage se rencontrent essentiellement dans les tubes fonctionnant haute temprature.

Lorsquun quipement est conu pour tre utilis dans des conditions de temprature extrme, le ma-

triau est choisi suivant les critres suivants:

Produire au maximum 1% de uage aprs 100.000 heures dutilisation sous la contrainte de


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conception (dutilisation).

Oprer suivant une contrainte maximale calcule avec un coefcient de scurit causant la ruptureaprs 100.000 heures.

Surchauffe [13]

Si, pour une raison ou une autre (dpt, ux thermique excessif, circulation insufsante) le tube est

port une temprature trop leve (fonction de la nature du matriau utilis), et subit plusieurs types

dagressions. La surchauffe peut tre rapide si laugmentation de temprature est importante (perte du

niveau deau dans le ballon, circulation insufsante de vapeur dans le surchauffeur, ...). Dans ce cas, la

rupture survient en quelques minutes ou quelques heures et la partie clate du tube subit un allonge-

ment important. Si la surchauffe nest pas brutale, le temps avant rupture est plus long et alors lallon-

gement du tube et lamincissement des lvres lclatement sont bien plus faibles. La rupture principale

saccompagne souvent de ssurations secondaires. Lorsque les conditions de fonctionnement pro-

voquent une lvation rapide de la temprature du mtal (souvent au del de 730C), on atteint des

conditions de uage avec rupture violente (Figure 20). Les ruptures sont caractrises par des lvres

coupantes et minces.

Encrassement

Il est d principalement la formation de dpts constitus de particules de cendres en fusion entra-

nes par les gaz, de suies, et dimbrls solides. Quand les particules se heurtent contre la paroi ou la

surface du tube, elles se refroidissent et se solidient. Les fuel-oils haute teneur en asphatnes, sdi-

ments, et mtaux sont plus susceptibles lencrassement. Ceci ne se limite pas la surface de la chau -

dire recevant la chaleur par rayonnement, mais il se forme aussi dans les changeurs de chaleur allant

jusqu limiter la puissance des installations.

Figure 16 : clatement de tube caus par la surchauffe.


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3.3 Thorie de la combustion

3.3.1 Gnralits

La combustion est une raction chimique exothermique entre un comburant et un combustible en

prsence dnergie dactivation. Dans la Centrale Thermique de Kenitra, le combustible est le fuel-oil n2 (lourd), le comburant est loxygne contenu dans lair, et lnergie dactivation est fournie par

les brleurs de la chaudire.

Combustibles

Un combustible industriel est un corps capable de se combiner avec loxygne en produisant une

quantit de chaleur sufsante une temprature sufsamment leve pour que son emploi soit pos-

sible pour le chauffage industriel et domestique.

Comburant

Il est dni comme tant le gaz qui apporte loxygne, il sagit en gnral de lair atmosphrique. La

composition en volume de lair sec est de : 78% dazote (N2), 21% doxygne (O

2), 0.94% dArgon

(Ar) et de divers autres gaz de faible pourcentage.

3.3.2 Conditions thoriques dune bonne combustion

La temprature dinflammation

La premire condition remplir est damener le combustible une temprature sufsante pour obte-

nir son inammation. Elle est fonction des produits actifs contenus dans le combustible. Le fuel-oil

lourd N 2 utilis par la CTK, prsente une temprature dinammation de130C.

La pulvrisation

Lopration de pulvrisation, obtenue grce un brleur adquat, et des rglages de pression et tem-

prature adapts, a pour objet de diviser un combustible en gouttelettes extrmement nes assurant

un meilleur contact avec loxygne comburant, ce qui rendre plus facile et plus rapide la combustion.

Lexcs dairUn manque doxygne donc dair de combustion conduit une combustion incomplte et donc

une baisse de la chaleur dgage par le combustible. Ceci tant, un excs dair par rapport celui

thoriquement ncessaire est fourni au combustible an dobtenir une combustion la plus complte

possible. Toutefois, cet excs dair doit tre bien dos pour des questions de rendement.

Temprature de lair comburant

Lair de combustion est pralablement chauff A 300 C, en utilisant la chaleur rsiduelle des gaz

de combustion. Ceci permet lamlioration du rendement thermique (moindre refroidissement de lachambre de combustion et rcupration de la chaleur des gaz) et favorisant linammation du com-

bustible du fait que lintroduction dair froid risque dabaisser localement la temprature ambiante


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une valeur infrieure la temprature dinammation.

Rchauffage du fuel-oil

Lun des paramtres les plus importants quant au fonctionnement correct des brleurs pulvrisa-

tion est la viscosit du fuel-oil. Cest pour cette raison quil est indispensable de maintenir la valeurde celle-ci en rglant le dbit du uide de rchauffage entrant dans le rchauffeur. Selon les installa-

tions, un rgulateur permet, dans ce but, la rgulation de temprature, la rgulation de viscosit ou

la rgulation mixte faisant intervenir les deux simultanment.

3.4 Le fuel-oil

3.4.1 Gnralits

Le fuel-oil est un combustible liquide extrait ou driv du ptrole brut par des mthodes de traite-

ments physiques et physico-chimiques. Le ptrole brut provient de la dcomposition au cours des

sicles dorganismes vgtaux et animaux dorigines marins qui furent soumis des hautes pressions

et tempratures. Il est emprisonn sous pression dans des roches poreuses et retenu par des couches

suprieures impermables.

3.4.1 Constitution

Le fuel-oil est un hydrocarbure contenant tout un mlange de composs complexes. Il est constitu

essentiellement de carbone, dhydrogne, de soufre et de cendres, et dont les teneurs en C et H sont

priori connues avec une assez bonne prcision en fonction du type de combustible et de son pouvoir

calorique. Pratiquement, on distingue six constituants particuliers du fuel-oil :

Les asphaltnes

Ce sont les hydrocarbures les plus lourds du brut qui peuvent tre solides temprature modre.

Elles sont caractrises par une structure aromatique trs condense et incluant de nombreux grou-

pements fonctionnels. De taille microscopique, elles sont insolubles dans lhuile et leur vitesse de

sdimentation extrmement faible est compense par le moindre mouvement du liquide.

Les parties lgres

Ce sont les hydrocarbures qui svaporent en premier et dont la prsence est due aux imperfections

des processus de distillation et aux diluants quon est amen introduire dans les fuel-oils pour res-

pecter sa viscosit limite, elles comportent :

Les rsines : ayant une structure molculaire faite de noyaux condenss et polaires qui les apparen-tent aux asphaltnes, mais galement de chanes cycle-aliphatiques qui les rendent solubles danslhuile;

Lhuile : faite de constituants habituels des coupes ptrolires : des saturs, des cycloparafnes etdes aromatiques;


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Lexistence de ces parties va avoir plusieurs consquences importantes :

Problmes de scurit : inuenant le point dclair, cest la teneur en ces parties lgres qui vadnir la temprature de stockage ne pas dpasser sans prcaution;

Inuence sur la combustion: lvaporation des lgers fournit des gaz qui brlent en premier en pr-sence de amme et permettent le dgagement de chaleur ncessaire pour brler les autres parties.

Le soufre

La teneur en soufre dun combustible est une caractristique extrmement importante vu les graves

inconvnients quengendre cet lment : la corrosion, les dpts et la pollution. Selon cette teneur,

les fuel-oils sont classs en HTS (2 4 % de soufre), BTS (1 2 % de soufre) et en TBTS (< 1% de

soufre).

Les mtauxCe sont principalement des composes divers base de sodium Na et de vanadium V. Ils reprsentent

les matires striles non combustibles (cendres) et ont un effet considrable vis--vis de la corrosion

haute temprature au niveau des chaudires .

Grandeurs caractristiques

La Centrale Thermique de Kenitra utilise comme combustible le fuel-oil lourd n2 fourni par la raf-

nerie de ptrole Samir.

Caractristiques Unit Valeur limite Valeur moyenne mesure durantlanne 2014

Vanadium Ppm 130 79,13

Sodium+Potassium Ppm 100 21,81

Calcium Ppm 10 3,91

Plomb Ppm 1 0

Magnsium Ppm 16 0,66

Nickel Ppm 30 25,44Zinc Ppm 2 0,92

Silicium Ppm 5 5,63

Fer Ppm 8 7,47

Teneur en eau % 1,5 0,1

Teneur en soufre % 4 3,8

Viscosit 50C Cst 380 47.78

Densit 15C Kg /m3 0,975 0,9948

Pouvoir calorifique suprieur Kcal/Kg 10 300 10 114

Pouvoir calorifique infrieur Kcal/Kg 9 700 9 619

C

P

Tableau 13: Caractristiques physico-chimiques du combustible


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4.4 Procds de nettoyage des chaudires

Pour viter les dysfonctionnements des chaudires, la Centrale Thermique de Kenitra utilise des pro-

cds de nettoyage capables de minimiser les effets des phnomnes de dgradations survenues sur les

changeurs de chaleur des chaudires.4.4.1 Lessivage acide

Lorsque lefcacit de la production de vapeur devient insufsante ou la consommation de combus-

tible augmente, la CTK dcide trs souvent de nettoyer de faon chimique le ct eau des chaudires

pour viter la dgradation des matriaux de construction. Le lessivage acide a pour but de nettoyer

les surfaces internes des tubes crans vaporisateurs et des tubes conomiseurs, en enlevant toute trace

dhuile et de graisse et en mettant la silice en suspension. Le principe, ainsi que les avantages et les

inconvnients de ce procd sont dtaills au niveau de (lannexe D).4.4.2 Lavage alcalin

Lencrassement des changeurs de chaleur ct gaz a comme origine les imbrls solides et les rsi-

dus de combustion. Une grande partie se dpose sur les surfaces dchange des diffrents changeurs

de chaleur (SH2, SH1, conomiseurs et tubes crans). Cet encrassement est d principalement la

formation de dpts de suies constitus de particules de cendres et dimbrls entrans par les gaz

de combustion qui se dposent sur les lments chauffants en formant des couches paisses limitant

le transfert de chaleur. La rduction de la section de passage des gaz et par consquent la limitationde charge. Lopration du lavage alcalin consiste nettoyer mcaniquement et chimiquement les

surfaces dchange des emplacements suivants: lconomiseur, SH1, SH2 et les tubes crans de la

chaudire (Annexe E).

4.4.3 Ramonage

Le systme de ramonage des chaudires a pour but dliminer les dpts rsidus de la combustion en

faisant usage de la vapeur. Cette vapeur est soutire de la vapeur surchauffe puis envoye lutilisa-

tion travers des vannes rgulatrices et motorises une temprature de 400C et une pression de30 bars. Le circuit de ramonage comporte 11 ramoneurs par tranche. Le tableau suivant rsume les

principales caractristiques du systme de ramonage.

Tableau 14 : Principales caractristiques du systme de ramonage de la CTK.

N Ramoneur Type Position Dbit t/h1 Rotatif rtractile Surchauffeur secondaire 3,2

2 et 3 Rotatif rtractile Surchauffeur primaire 3,2

4 et 5 Rotatif effacement Au-dessus 2me banc conomiseur 4,2

6 et 7 Rotatif rtractile Entre le 1er et le 2me banc conomiseur 6,4

8 et 9 Fixe R.A.LJ A 3,8


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Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons donn une vue gnrale sur les chaudires vapeur en citant leurs

caractristiques et leurs diffrents types. Par suite, nous avons parl des diffrents modes de dgrada-

tion qui peuvent attaquer les chaudires et nalement, nous avons prsent en dtail les chaudiresde la CTK.




Dans ce chapitre, nous allons laborer un diagnostic sur les chau-

dires de la CTK. Dans un premier lieu, nous allons dcrire ce quenous avons vu lors de notre visite des chaudires. Par suite, nous al -

lons faire une investigation sur les analyses effectues au laboratoire

de la CTK.

Rsum

1. Diagnostic visuel

2. Investigation sur les analyses du labora-toire

Chapitre III : Diagnostic des chaudires de laCTK


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ENSAM Chapi tre 3 Diagnostic des chaudires de la CTK


2.5 Analyse des produits de lavage

2.5.1 lavage alcalin

Les tableaux ci-dessous prsentent les diffrents produits utiliss lors du lavage alcalin au sein de la

CTK :Tableau 16 : Ractifs utiliss dans lavage alcalin.

Constat

Daprs les tableaux ci-dessus nous remarquons que la CTK utilise une grande quantit des ractifs

pour le nettoyage des chaudires. En analysant lutilit des ractifs employs, nous constatons quil

y a :

De loxyde de cuivre dans les dpts internes (lutilisation de NH4 OH) ;

De lencrassement linterne et lexterne des tubes ;

De loxyde de fer linterne des tubes (lutilisation de C6 H8O7) ;

Des sels des mtaux dposs sur les surfaces externes et internes des tubes.

2.5.2 lessivage acide

Les tableaux ci-dessous prsentent les diffrents produits utiliss lors du lessivage acide au sein de la

CTK :

Tableau 17 : Ractifs utiliss dans le lessivage acide.

Ractif Symbolechimique

Quantits consom-mes (kg)

Utilit

Acide chlorhydrique 33% HCl 7000 Dcapage et Dtartrage des mtaux

Acide citrique C6 H8O7 450 Rduction de la rouille, complexassions du ferAmmoniaque 25% NH4 OH 784 Dissolution du cuivre

Bifluorure dammonium NH4 HF2 125 Dissolution des silicates et plusieurs mtaux

Persulfate dammonium (NH4)2 S2 O8 250 Oxydation et fluidification (limine le cuivre)

Nitrite de sodium Na NO2 200 Conservation/ forme une couche protectricesur tube cran (magntite artificielle)

Hydrazine 15% N2H4 420 Rduction des sels de mtaux et d'oxydes demtaux ltat mtallique,

Chaux 96-98% CaO 2500 Neutralisation

Inhibiteur - 400 Protection du mtal contre la corrosion(forme une couche protectrice continue)

Ractif Solubilit dans leau (%) UtilitBicarbonate de soude et de phos-phate trisodique

20 Enlvement de la graisse, des sels des mtaux, delhuile et de la salet.

Inhibiteur de corrosion 3 Protection du mtal contre la corrosion (formeune couche protectrice continue)

Dtergent tensioactif - Enlvement des salissures dposes


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Nous allons dtailler ce chapitre en quatre parties.

La premire prsente les interprtations des rsultats obtenus partir du chapitre prcdent.

Pour la deuxime partie, nous allons proposer des amliorationset des recommandations pour diminuer la dgradation des chau-dires et augmenter leur rendement.

Finalement, dans la troisime partie nous allons mettre le pointsur la valeur ajoute des solutions proposes.

Rsum

Partie A: Discussion des rsultats

Partie B : Amliorations & Recommandations

Partie C : tude conomique

Partie D : laboration dune application de ges-tion des interventions.

Chapitre IV : Discussion des Rsultat &Recommandations


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ENSAM Chapi tre 4 Discussion des rsultats & Recommandations

Partie A: Discussion des rsultats

Introduction

Le diagnostic effectu au niveau du chapitre prcdent, nous a montr que les chaudires subissentplusieurs dgradations lintrieur qu lextrieur des tubes. Pour cela, nous allons rpartir ce cha-

pitre en deux parties, la premire sera consacre linterprtation des phnomnes de dgradations

ct externe et la deuxime pour ceux du ct interne.

1. Dgradation externe des tubes

Les corrosions des faisceaux et gaines mtalliques des circuits de gaz de combustion se manifestent

sous deux formes : une haute tempraturesous linuence essentielle du Vanadium, qui engendre

des dpts de couleur noirtre (SH2, tubes-cran et partie suprieure de SH1).

Une autre basse tempraturedue la formation dacide sulfurique, qui engendre des dpts de

couleur verdtre (partie infrieure de SH1 et conomiseur).

Le foyer fait fonction dun racteur chimique o le fuel-oil se mlange intimement lair pour tre

brl. Les matires minrales dans le fuel-oil sont ainsi dcharges de leur matrice organique et

prennent lune des trois formes :

Elles restent solides et passent travers la chaudire sous forme de cendres volantes. Elles fondent et deviennent liquides, qui leur tour risquent de sattacher aux surfaces du foyer.

Elles se volatilisent et se condensent sur des surfaces plus larrire de la chaudire telles que lestubes SH.

1.1 Dgradation haute temprature (Oxydation du Vanadium)

Mcanisme de formation des dpts externes

A la temprature ambiante, le vanadium ne soxyde pratiquement pas lair. Mais, il ragit avec

loxygne excessif O2, lors du chauffage 660C. Les premiers composs forms sont le tri-oxyde de

vanadium (V2O

3) et le ttra-oxyde de vanadium (V

2O

4). Par suite, le pentoxyde de vanadium (V

2O

5)

se forme et sa concentration saugmente paralllement avec lexcs dair.

V2O

4+ O

2 V

2O

5 (19)

Ce compos se combine avec le sodium (Na) pour

former des vanadates plus complexes ayant un point

de fusion plus bas. Les vanadates ainsi forms, destempratures leves, se combinent avec dautres r-

sidus solides pour former un produit pteux tempra- Figure 25 : Dpt vanadate-sodique (de couleur noi-rtre) pos sur les tubes de SH2.


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ENSAM Chapi tre 4 Discussion des rsultats & Recommandations

compagnes de piqres provenant dun produit corrosif. Ces piqres, dues peut tre la prsence

de loxygne dissous dans leau de la chaudire, agit comme un site de concentration de contrainte

crant ainsi un site prfrentiel pour linitiation de ssures. Par suite, la ssuration du mtal rsulte,

dune action combine entre une contrainte de traction et un agent corrosif mais sans, ncessaire-

ment, concentration de substances corrosives.

2.3 Perte dpaisseur & clatement des tubes

Les amincissements dpaisseur et les clatements observs, sur les tubes-cran et les serpentins de

SH2, peuvent avoir comme origine :

Les dfauts de fabrication :parmi ces dfauts nous citons :

Dfaut de fabrication des tubes conscutif leur laminage ;

Pile dans le mtal ;

Fissures de coudes cres au moment de leur cintrage ;

Inclusions non mtalliques.

Les dpts internes :Ces dpts sont composs en grande partie de fer et de cuivre provenant

Étude et analyse des causes de la corrosion des échangeurs de chaleur et proposition...

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