Réchauffeur d’eau alimentaire BP/HP : soutirage, TTD et DCA

Vous exploitez une unité de cogénération, une chaudière industrielle ou le cycle vapeur d'une unité de valorisation énergétique (UVE) dont la turbine ou les réchauffeurs viennent d'un constructeur japonais. Sur le schéma de bilan thermique, les appareils portent les mentions 低圧給水加熱器 et 高圧給水加熱器, les lignes de vapeur indiquent 第1抽気 et 第2抽気, et le manuel d'exploitation parle de ドレン et de 脱気器. Entre-temps, la température de sortie d'un réchauffeur baisse lentement, et vous voulez savoir si les tubes sont encrassés ou si la cause est ailleurs.

Ce guide fait correspondre ces termes japonais au vocabulaire français du poste d'eau, explique la différence entre réchauffeurs BP et HP et détaille le calcul du débit de vapeur de soutirage. Il présente ensuite les deux indicateurs de santé d'un réchauffeur, le TTD (écart terminal de température) et le DCA (approche du refroidisseur de purges), et ce que leur dérive peut indiquer.

Vous trouverez à la fin une liste de contrôle, des questions à poser au fournisseur japonais et un modèle de courriel. Un principe guide l'ensemble : distinguer le rendement du cycle régénératif complet du bilan thermique d'un seul réchauffeur.

Sommaire

1. Lexique : les termes japonais du poste d'eau en français
2. Qu'est-ce qu'un réchauffeur d'eau alimentaire ?
3. Réchauffeurs BP et HP : où se trouvent-ils ?
4. Pourquoi le soutirage améliore le rendement du cycle
5. Calcul du débit de vapeur de soutirage
6. TTD et DCA : lire les performances d'un réchauffeur
7. Purges en cascade et régulation de niveau
8. Coût, perte de charge et encombrement
9. Spécifier ou remplacer un réchauffeur : aligner les conditions
10. Normes et textes que vous pouvez rencontrer
11. Liste de contrôle : quand le TTD ou le DCA dérive
12. Questions à poser au fournisseur japonais
13. Limites de ce guide
14. FAQ
15. Sources

Lexique : les termes japonais du poste d'eau en français

Le tableau ci-dessous reprend les termes des schémas de bilan thermique, des schémas PID et des manuels japonais. La lecture en romaji vous permet de citer un terme par son nom dans vos échanges avec le fournisseur.

Tableau 1 : termes japonais et équivalents français

L'usage peut varier selon le constructeur et le site. Si un document semble employer un terme autrement, faites confirmer le sens par le fournisseur.

Japonais	Romaji	Français
給水加熱器	kyusui kanetsuki	Réchauffeur d'eau alimentaire (en anglais FWH)
低圧給水加熱器 / 高圧給水加熱器	teiatsu / koatsu kyusui kanetsuki	Réchauffeur BP / réchauffeur HP
抽気（第1抽気、第2抽気…）	chuki (dai-ichi chuki…)	Soutirage, vapeur soutirée (soutirage n° 1, n° 2…). Vérifiez sur le schéma quel numéro correspond à la pression la plus élevée.
脱気器	dakkiki	Dégazeur (réchauffeur ouvert, à mélange)
復水器 / 復水ポンプ	fukusuiki / fukusui ponpu	Condenseur / pompe d'extraction
給水ポンプ	kyusui ponpu	Pompe alimentaire
ドレン	doren	Purges du réchauffeur (vapeur de soutirage condensée côté calandre ; à distinguer des purges de chaudière)
過熱低減部 / 凝縮部 / ドレン冷却部	kanetsu teigen-bu / gyoshuku-bu / doren reikyaku-bu	Zone de désurchauffe / zone de condensation / zone de sous-refroidissement des purges (refroidisseur de purges)
胴側 / 管側	do-gawa / kan-gawa	Côté calandre / côté tubes
水室 / 管板 / U字管	suishitsu / kanban / U-ji-kan	Boîte à eau / plaque tubulaire / tubes en U
カスケード（ドレン逆流）	kasukedo (doren gyakuryu)	Purges en cascade : récupération normale des purges d'un réchauffeur vers le réchauffeur suivant, dont la pression côté calandre est plus basse (à ne pas confondre avec un retour d'eau anormal)
非常ドレン	hijo doren	Purge de secours
ベント	bento	Évent (gaz incondensables)
再生サイクル / 熱収支	saisei saikuru / netsu shushi	Cycle régénératif / bilan thermique

Les documents japonais écrivent souvent TTD et DCA en lettres latines. Le mot 逆流 (gyakuryu) désigne aussi, de façon générale, un « retour d'eau », par exemple de l'eau qui remonte dans la ligne de soutirage : lisez-le dans son contexte.

Qu'est-ce qu'un réchauffeur d'eau alimentaire ?

Un réchauffeur d'eau alimentaire est un échangeur qui utilise de la vapeur soutirée à la turbine pour préchauffer l'eau qui retourne à la chaudière. Il élève la température de l'eau par étapes, ce qui réduit la chaleur que la chaudière doit tirer du combustible. Un cycle qui restitue ainsi de la chaleur interne à l'eau alimentaire s'appelle un cycle régénératif.

L'eau qui sort du condenseur doit être mise en pression et réchauffée avant d'entrer dans la chaudière. Les pompes servent surtout à élever la pression, tandis que les réchauffeurs élèvent la température grâce à la vapeur de soutirage. Cette vapeur est prélevée en cours de détente dans la turbine : son point de prélèvement et sa pression diffèrent donc de ceux de la vapeur d'échappement envoyée au condenseur.

Le réchauffeur fermé le plus courant est du type tubes et calandre. L'eau alimentaire circule dans les tubes, la vapeur de soutirage se condense côté calandre et cède sa chaleur à travers la paroi des tubes, sans mélange des deux fluides. La vapeur condensée sort sous forme de purges, récupérées dans un autre réchauffeur, dans le dégazeur ou ailleurs dans le circuit.

Le dégazeur chauffe lui aussi l'eau, mais par contact direct entre la vapeur et l'eau. Sa fonction principale est d'éliminer les gaz dissous, si bien que sa construction et son rôle diffèrent de ceux d'un réchauffeur fermé. Chauffer l'eau ne suffit pas à la dégazer : les gaz libérés doivent aussi être évacués par l'évent.

Réchauffeurs BP et HP : où se trouvent-ils ?

Un poste d'eau type suit l'ordre condenseur, pompe d'extraction, réchauffeurs BP, dégazeur, pompe alimentaire, réchauffeurs HP, puis chaudière. Les installations réelles comptent en général plusieurs étages de réchauffage, chacun alimenté par un soutirage différent.

Les réchauffeurs BP se trouvent en général sur la ligne d'eau condensée, en amont du dégazeur. Les réchauffeurs HP sont placés après la pompe alimentaire et chauffent une eau déjà à haute pression. « Basse » et « haute » pression désignent donc surtout la pression de l'eau côté tubes, et pas seulement celle de la vapeur de soutirage.

La figure 1 montre un poste d'eau simplifié. L'eau est en bleu et la vapeur de soutirage en orange.

Figure 1 : l'eau alimentaire va du froid vers le chaud, chaque réchauffeur a son propre soutirage

L'eau est en bleu, la vapeur de soutirage en orange. Le circuit des purges est présenté à part, figure 5.

Schéma simplifié. Le nombre d'étages, le tracé des tuyauteries, les points de soutirage et l'emplacement des pompes varient d'une installation à l'autre.

Dans un même réchauffeur, la pression de l'eau côté tubes et celle de la vapeur côté calandre ne sont pas les mêmes. Une vapeur à plus basse pression peut chauffer une eau à haute pression, car la paroi des tubes sépare les deux fluides et la chaleur passe sous l'effet de l'écart de température. Sur les plans, suivez d'abord le trajet de l'eau alimentaire, puis vérifiez séparément les pressions de calcul côté tubes et côté calandre de chaque réchauffeur.

Pour lire un schéma PID, tracez d'abord la ligne principale d'eau alimentaire, du condenseur à la chaudière. Ajoutez ensuite les lignes de soutirage, de purge et d'évent : cet ordre évite de confondre le rôle de chaque ligne.

Ne confondez pas les réchauffeurs avec le condenseur. Tous deux condensent de la vapeur, mais le condenseur traite l'échappement de la turbine, alors que le réchauffeur réchauffe l'eau qui retourne à la chaudière.

À l'intérieur d'un réchauffeur fermé : trois zones

Au contact de l'extérieur des tubes, la vapeur de soutirage cède sa chaleur à l'eau alimentaire et se condense. Elle libère alors sa chaleur latente : on ne peut donc pas calculer la puissance échangée à partir de la seule variation de température de la vapeur.

L'eau alimentaire entre dans une boîte à eau d'entrée, parcourt les tubes et revient vers une boîte à eau de sortie. Avec des tubes en U, l'entrée et la sortie peuvent se trouver sur la même plaque tubulaire, mais tous les réchauffeurs n'ont pas la même disposition. La figure 2 montre le principe d'un réchauffeur à tubes en U.

Figure 2 : un réchauffeur fermé sépare le fluide côté tubes du fluide côté calandre

Coupe de principe d'un réchauffeur à tubes en U. L'eau alimentaire entre par le bas, fait demi-tour dans les tubes en U et ressort par le haut.

Le nombre de tubes, les cloisons de passes et les plaques supports sont simplifiés pour montrer le trajet du fluide. Les zones de désurchauffe et de sous-refroidissement des purges ne sont pas représentées.

Beaucoup de réchauffeurs comportent jusqu'à trois zones. La zone de désurchauffe exploite la surchauffe de la vapeur soutirée, la zone de condensation exploite surtout la chaleur libérée par la condensation, et la zone de sous-refroidissement des purges reprend encore de la chaleur aux purges avant leur sortie, ce qui limite la chaleur envoyée vers l'aval. Un réchauffeur donné peut posséder les trois zones ou seulement une ou deux.

Chaque zone fonctionne différemment : le niveau d'eau et l'encrassement se traduisent donc de façon différente dans les températures de sortie. Les zones fixent aussi la limite haute de la température de sortie de l'eau. Avec une zone de désurchauffe, l'eau peut sortir plus chaude que la température de saturation à la pression de la calandre.

Dans une simple zone de condensation, le moteur de l'échange est l'écart entre la température de saturation de la vapeur et celle de l'eau alimentaire. La surface d'échange et l'encrassement interviennent à ce niveau.

Pourquoi le soutirage améliore le rendement du cycle

Le principal intérêt du réchauffage de l'eau alimentaire est de réduire la chaleur à fournir à la chaudière, ce qui augmente le rendement thermique du cycle. Au lieu de chauffer au combustible une eau froide sortie du condenseur, le cycle confie à la vapeur de soutirage une partie du réchauffage, dans la zone des basses températures. La température moyenne à laquelle la chaudière apporte la chaleur s'élève ainsi.

Le soutirage a pourtant un coût : la vapeur prélevée ne produit plus de travail dans les étages suivants de la turbine. Économiser du combustible ne veut pas dire produire plus d'électricité ; comparez donc le rendement à la fois sur la chaleur fournie et sur le travail net.

Le rendement thermique est le rapport entre le travail net et la chaleur reçue par le cycle. Partir d'un cycle de Rankine simple, puis ajouter le partage du débit au soutirage et le travail des pompes, fait apparaître clairement l'effet de la régénération. On voit aussi pourquoi soutirer davantage n'est pas toujours mieux : pressions de soutirage, nombre d'étages et élévation de température par étage se définissent en même temps que la turbine et la chaudière.

Une eau alimentaire plus chaude modifie aussi les conditions sur les surfaces d'échange de la chaudière. Il est important de maintenir les conditions d'eau alimentaire prévues à la conception, mais évaluez l'intérêt d'une moindre variation de température séparément du gain de rendement du cycle.

Préchauffer dans un réchauffeur BP l'eau qui entre au dégazeur réduit la vapeur de chauffage dont celui-ci a besoin. Les purges sont aussi récupérées, si bien que le cycle réutilise à la fois l'eau et la chaleur. Toute variation du débit soutiré à un étage doit cependant être jugée sur le bilan thermique global.

Réchauffeur d'eau alimentaire ou économiseur ?

Les deux chauffent l'eau qui entre dans la chaudière, mais la source de chaleur diffère. Le réchauffeur utilise surtout la vapeur soutirée à la turbine, l'économiseur la chaleur des fumées de la chaudière.

Si vous ajoutez un réchauffeur, évaluez donc aussi son effet côté fumées. Une eau plus chaude à l'entrée de l'économiseur change la chaleur qu'il peut récupérer : suivez le trajet de la chaleur sur l'ensemble de l'installation.

Certains préchauffeurs au nom proche chauffent l'eau avec de la vapeur extérieure ou de la chaleur fatale, et non avec un soutirage. Dans ce cas, précisez la source de chaleur et le périmètre d'évaluation, et traitez-les à part du cycle régénératif.

Calcul du débit de vapeur de soutirage

Pour un réchauffeur isolé, on égale la chaleur reçue par l'eau alimentaire à la chaleur cédée par la vapeur de soutirage jusqu'à ce qu'elle devienne purge. Établir ce bilan avec les débits massiques et les différences d'enthalpie massique entre entrées et sorties (lues à partir de la pression et de la température) permet de prendre en compte la condensation.

Prenons un exemple fictif. Le débit d'eau alimentaire est de 10 kg/s, avec des enthalpies d'entrée et de sortie de 590 et 740 kJ/kg (eau liquide à environ 140 °C et 175 °C, comme sur la figure 4). Chaque kilogramme d'eau reçoit 150 kJ : la puissance échangée est donc de 1 500 kJ/s, soit 1 500 kW.

Supposons ensuite que la vapeur de soutirage entre à 2 800 kJ/kg (vapeur légèrement surchauffée à environ 1 MPa) et que les purges sortent à 610 kJ/kg (liquide à environ 145 °C). Chaque kilogramme de vapeur cède 2 190 kJ. Le débit de soutirage nécessaire vaut 1 500 divisé par 2 190, comme le montre la figure 3.

Figure 3 : diviser la puissance reçue par l'eau par la chaleur cédée par chaque kilogramme de vapeur

Cas d'école pour un réchauffeur fermé, sans purges en cascade venant d'autres réchauffeurs ni pertes thermiques vers l'extérieur.

(1) Chaleur nécessaire côté eau alimentaire

Q = m_w (h_sortie − h_entrée)

Q = 10 × (740 − 590) = 1 500 kW

(2) L'égaler à la chaleur cédée par la vapeur de soutirage

m_s = Qh_s − h_p

= 1 5002 800 − 610

= environ 0,685 kg/s

Q : puissance échangée [kW] ; m_w : débit d'eau alimentaire [kg/s] ; m_s : débit de vapeur de soutirage [kg/s] ; h_entrée, h_sortie : enthalpie massique de l'eau à l'entrée et à la sortie [kJ/kg] ; h_s, h_p : enthalpie massique de la vapeur à l'entrée et des purges à la sortie [kJ/kg]. Les valeurs illustrent la méthode et ne correspondent à aucune installation réelle.

Dans cet exemple, le débit soutiré représente environ 6,8 % du débit d'eau alimentaire. Ce n'est pas forcément le même taux que rapporté au débit de vapeur vive de la turbine : d'autres soutirages, l'eau d'appoint ou des purges entrant dans la ligne modifient le débit de référence.

Les 1 500 kW sont de la chaleur transmise à l'eau, pas un gain de puissance électrique. La déduction du travail perdu dans la turbine et de la puissance des pompes relève du calcul du cycle complet.

Pour un calcul réel, prenez l'enthalpie de chaque point dans les tables de la vapeur, en respectant pression, température et état (liquide ou vapeur). Un produit écart de température × chaleur massique ne donne qu'un ordre de grandeur.

Si des purges arrivent en cascade d'un réchauffeur à pression plus élevée, ajoutez cet apport au bilan comme une entrée. Supposer que toute la chaleur vient de la vapeur de soutirage peut surestimer le débit soutiré nécessaire.

Dans une note de calcul, commencez par tracer une frontière autour du réchauffeur et par lister tous les flux qui la traversent. Décidez ensuite si l'équation simple vapeur-eau suffit, ou s'il faut inclure les purges en cascade et les évents.

TTD et DCA : lire les performances d'un réchauffeur

Une baisse de la température de sortie de l'eau ne signifie pas à elle seule que les tubes sont encrassés. Si la pression de soutirage, le débit d'eau ou la température d'entrée de l'eau changent, la température de sortie change, même sur un réchauffeur en bon état. C'est pourquoi on suit les performances avec deux écarts de température.

• TTD (terminal temperature difference, écart terminal de température) = température de saturation à la pression de la calandre (vapeur de soutirage) − température de sortie de l'eau alimentaire
• DCA (drain cooler approach, approche du refroidisseur de purges) = température de sortie des purges − température d'entrée de l'eau alimentaire

Ce sont les définitions de l'ASME PTC 12.1 et des guides de l'EPRI sur le suivi de la consommation spécifique (heat rate). La figure 4 indique où se mesure chaque température, avec des valeurs fictives.

Figure 4 : placer les points de mesure pour lire le TTD et le DCA

Valeurs supposées : température de saturation 180 °C, eau alimentaire 140 → 175 °C, sortie des purges 145 °C.

TTD = température de saturation côté calandre − température de sortie de l'eau. DCA = température de sortie des purges − température d'entrée de l'eau. Avec une zone de désurchauffe, le TTD peut être négatif.

Les deux valeurs valent 5 K sur la figure 4 uniquement pour illustrer les définitions ; 5 K n'est pas un seuil d'acceptation valable pour tous les réchauffeurs. Comparez vos relevés aux valeurs de conception, aux conditions de garantie et aux données du même réchauffeur en bon état, à charge identique.

L'EPRI indique que les valeurs attendues de TTD et de DCA se lisent en général sur le schéma de bilan thermique, et que l'ASME PTC 12.1 propose une méthode plus rigoureuse à partir des données de conception du constructeur.

À titre indicatif seulement, un guide de l'EPRI sur la régulation de niveau des réchauffeurs prend une installation de référence avec un TTD de 3 °C (5 °F) à toutes les charges, et indique un DCA d'environ 5 à 8 °C (10 à 15 °F) à pleine charge. Les valeurs de votre réchauffeur sont celles de son propre bilan thermique et de sa fiche technique.

Le DCA renseigne sur le fonctionnement de la zone de sous-refroidissement des purges : il ne s'applique pas de la même façon à un réchauffeur qui n'en a pas. La définition du TTD ne change pas, mais sa valeur de conception dépend de la présence d'une zone de désurchauffe et peut être négative. Rapprochez chaque indicateur de la construction indiquée sur les plans.

Ce que peut indiquer une dérive du TTD ou du DCA

Vérifiez d'abord si la source de chaleur a changé. Si la température de sortie a baissé en même temps que la pression de soutirage, vérifiez la pression mesurée dans la calandre. Si elle a baissé aussi, la température de saturation correspondante est plus faible et les conditions qui permettaient l'ancienne température de sortie ont changé. Si le TTD augmente alors que la pression de soutirage et le débit d'eau sont à peu près stables, regardez du côté de l'échange thermique.

Le tableau 2 reprend les cas fréquents. Considérez chaque ligne comme une piste à vérifier et non comme un diagnostic : même avec plusieurs signes concordants, il faut les résultats d'inspection ou l'historique de la chimie de l'eau pour confirmer une cause.

Tableau 2 : symptômes, causes possibles et premières vérifications

Comparez des relevés à même charge, en régime stabilisé. Les cas présentés sont typiques, pas certains.

Symptôme	Causes possibles	À vérifier en premier
Température de sortie en baisse, pression de soutirage en baisse aussi	Changement côté source de chaleur (température de saturation plus basse dans la calandre)	Pression de soutirage, charge, conditions de la turbine
TTD en hausse, pression de soutirage et débit stables	Encrassement des tubes, tubes bouchés, niveau trop haut (tubes noyés), accumulation de gaz incondensables	Indication de niveau, débit d'évent, perte de charge côté tubes
DCA en hausse	Niveau à hauteur ou en dessous de l'entrée de la zone de sous-refroidissement, qui laisse entrer la vapeur dans cette zone ; vaporisation (flash) dans le refroidisseur de purges	Indication et consigne de niveau, réponse de la vanne de régulation de niveau
Perte de charge côté tubes en hausse et échauffement de l'eau en baisse	Encrassement ou modification du trajet de l'eau dans les tubes	Comparaison à débit identique ; relevés de chimie de l'eau
Débit de purges en hausse et niveau qui monte vite	Fuite de tube (l'eau alimentaire haute pression entre dans la calandre) ; ou défaut de la vanne ou de la ligne de purge	Écart de pression tubes / calandre, tendances du niveau et du débit de purges

Les effets du niveau sur le TTD et le DCA s'appuient sur le guide de l'EPRI consacré à la régulation de niveau des réchauffeurs. Vérifiez aussi l'emplacement des prises de pression et l'erreur des thermomètres avant de mettre en cause le réchauffeur.

Une hausse de la perte de charge côté tubes ne prouve pas un encrassement si le débit a lui aussi augmenté. Comparez les tendances dans une même plage de débit, avec les températures et les relevés de chimie de l'eau, avant de décider d'un nettoyage ou d'une inspection.

Des relevés exploitables pour le suivi des tendances

Les relevés quotidiens se comparent plus facilement si la charge, le débit d'eau, chaque température, la pression de calandre et le niveau sont notés au même instant. Regardez les tendances avant et après les variations de charge plutôt qu'un simple historique d'alarmes.

Ajoutez à la feuille de relevés l'heure, la charge et la température de saturation calculée à partir de la pression de calandre. Avec les seules températures, on ne distingue pas un problème de source de chaleur d'un problème d'échange ; la pression rend cette distinction possible.

Tenez compte du temps de réponse des instruments. Ne traitez pas des valeurs relevées juste après une forte variation de charge comme des valeurs de régime stabilisé.

Purges en cascade et régulation de niveau

Envoyer les purges d'un réchauffeur à pression plus élevée vers le réchauffeur suivant, à pression plus basse, s'appelle la cascade des purges. La chaleur des purges est réutilisée en aval, mais l'écart de pression et le débit de purges doivent être maîtrisés. Certaines installations reprennent au contraire les purges par pompe vers la ligne d'eau alimentaire : vérifiez quelle disposition équipe votre site.

Lorsque des purges à haute pression entrent dans un réchauffeur à plus basse pression, une partie peut se vaporiser (flash). Vérifiez si cette revaporisation se produit et retenez les conditions d'écoulement correspondantes, éventuellement diphasiques, pour choisir les tuyauteries et vannes de purge, plutôt que de supposer du liquide seul.

Si le niveau dans la calandre est trop haut, l'eau noie une surface de tubes qui devrait être chauffée par la vapeur en condensation, et les performances baissent. En situation anormale, de l'eau peut aussi remonter par la ligne de soutirage jusqu'à la turbine, d'où l'importance des alarmes et protections prévues. L'ASME TDP-1 traite ce risque d'entrée d'eau dans la turbine (water induction) pour les centrales à combustible fossile.

Si le niveau est trop bas, la vapeur peut entrer dans la zone de sous-refroidissement et les purges ne sont pas refroidies comme prévu. Le niveau normal est fixé pour chaque conception de réchauffeur ; aucune hauteur unique ne convient à tous les appareils.

La figure 5 distingue le circuit normal des purges et le circuit de secours, sur un exemple à deux réchauffeurs.

Figure 5 : vérifier séparément le circuit normal des purges et le circuit de secours

Exemple de purges récupérées du réchauffeur dont la calandre est à plus haute pression vers le réchauffeur voisin à plus basse pression. La destination de secours et les actions de protection sont définies par la conception de chaque installation.

LC = régulation de niveau (level control). Les conditions d'ouverture de la vanne de secours, le by-pass d'eau alimentaire, l'isolement du soutirage et les autres verrouillages ne se déduisent pas de ce schéma.

En cas de fuite de tube, si la pression côté tubes est supérieure à celle de la calandre, l'eau alimentaire entre dans la calandre : le débit de purges augmente et le niveau peut monter vite. Un niveau haut peut aussi venir d'une vanne de purge défaillante ou d'une ligne de purge obstruée : appliquez les protections prévues à la conception de l'installation.

Les exploitants vérifient en général que l'indicateur de niveau local et le transmetteur concordent, que les vannes répondent et que les conditions de pression en aval sont normales. Ne faites pas d'essai en déplaçant le niveau à une valeur arbitraire en fonctionnement. Faites ces vérifications aux moments et selon les méthodes définis par les procédures du site.

L'évent évacue les gaz incondensables, et son circuit se contrôle séparément de celui des purges. Les gaz incondensables qui s'accumulent autour des tubes dégradent l'échange : ne considérez donc pas le débit d'évent comme une simple perte de vapeur à réduire au minimum.

Problèmes de niveau, baisse de la température de sortie et variation de la perte de charge apparaissent souvent ensemble. Plutôt que de les traiter un par un, retrouvez dans l'ordre chronologique quel débit ou quelle régulation a changé en premier. Vous réduirez ainsi les zones à inspecter.

Coût, perte de charge et encombrement

Ajouter un réchauffeur, c'est ajouter un équipement de récupération de chaleur, mais aussi de quoi gérer la vapeur de soutirage et les purges. Pour comparer les solutions, comptez les pompes, vannes, instruments et l'espace de maintenance, pas seulement le prix du réchauffeur.

Une petite installation n'est pas forcément moins intéressante, ni une grande forcément plus. Heures de fonctionnement, variations de charge, prix du combustible et tuyauteries existantes changent l'équilibre entre bénéfice et coût.

Un coût plus élevé

L'investissement comprend le réchauffeur, ses supports, le massif, le calorifuge, la tuyauterie de soutirage et celle des purges. Prévoyez aussi les vannes et instruments adaptés à la pression, ainsi que le contrôle-commande qui assure les protections.

Pour une installation existante, la durée d'arrêt et les raccordements aux équipements en place sont aussi des coûts. Ne comptez pas seulement l'économie de combustible comme gain annuel : intégrez les coûts d'inspection, la consommation des auxiliaires et le temps de fonctionnement perdu.

Comparez sur une base cohérente, par exemple le combustible pour une même production électrique, ou la production nette pour un même apport de combustible. Comparer des données relevées à des charges ou des conditions ambiantes différentes fausse l'évaluation de l'effet du réchauffeur.

Davantage d'étages permet d'utiliser la vapeur de soutirage par paliers plus fins, mais ajoute de la surface d'échange, des tuyauteries et des instruments. La question de base est de savoir si le gain d'un étage supplémentaire justifie son coût de construction et de maintenance.

Une perte de charge plus forte côté eau

L'eau alimentaire perd de la pression dans les tubes et les boîtes à eau, par frottement et dans les changements de direction. Le choix de la pompe doit couvrir la hauteur manométrique totale demandée par le circuit, tuyauteries comprises.

Vérifiez la perte de charge au débit maximal et sur toute la plage de fonctionnement prévue, pas seulement au débit nominal. Relever les pressions d'entrée et de sortie et le débit quand le réchauffeur est propre vous donne une référence pour détecter plus tard un encrassement ou une obstruction.

Un réchauffeur à plus haute pression n'a pas forcément une perte de charge plus forte. Le diamètre et le nombre de tubes, la longueur du trajet et le nombre de passes fixent la résistance à l'écoulement, indépendamment de la classe de pression.

Une vitesse plus faible dans les tubes réduit la perte de charge, mais agit sur l'échange thermique et la taille du réchauffeur. Pesez ensemble l'échange thermique et le coût de pompage.

Plus d'encombrement

Prévoyez l'espace d'inspection et de démontage en plus de l'emprise au sol du réchauffeur. À examiner notamment : le sens d'ouverture de la boîte à eau, l'accès pour l'inspection des tubes et, selon la conception, la place nécessaire pour extraire le faisceau tubulaire.

Des vannes et tuyauteries trop serrées autour du réchauffeur peuvent permettre les contrôles courants tout en rendant les grosses réparations difficiles. Vérifiez l'échafaudage, la manutention et les voies d'évacuation des pièces au regard des instructions de maintenance du constructeur et de l'implantation du bâtiment.

Réchauffeurs horizontaux et verticaux diffèrent par l'emprise au sol, mais aussi par le mode de supportage et la hauteur libre nécessaire. La dénivellation disponible pour l'évacuation des purges et la perte de charge des lignes comptent aussi : on ne peut pas installer un réchauffeur dans n'importe quel espace libre.

Spécifier ou remplacer un réchauffeur : aligner les conditions

Pour comparer des offres, donnez à tous les fournisseurs les mêmes conditions d'entrée et les mêmes conditions de sortie exigées. Un écart sur le débit et la pression de l'eau, les conditions de la vapeur de soutirage ou les purges entrantes change la surface nécessaire, les matériaux et la capacité des vannes.

Un réchauffeur qui tient ses performances au point nominal peut ne pas évacuer ses purges au démarrage ou à faible charge. Communiquez la plage de fonctionnement et les conditions de démarrage et d'arrêt, et faites préciser l'évacuation des purges quand la pression de soutirage baisse. Le tableau 3 liste les points à aligner.

Tableau 3 : aligner conditions thermiques, de pression et de maintenance avant de comparer les prix

Points où spécifications et offres divergent souvent, et documents à vérifier pour chacun.

Point	Conditions à aligner	Documents à vérifier
Performance thermique	Débit d'eau, conditions d'entrée, conditions de la vapeur de soutirage, purges entrantes	Bilan thermique, point de garantie, plage de fonctionnement
Puissance de pompage	Perte de charge admissible côté eau et débit maximal	Calcul de perte de charge, bilan de hauteur manométrique du circuit
Pression de calcul et matériaux	Conditions de calcul côté tubes et côté calandre, chimie de l'eau	Spécification de l'équipement, liste des matériaux, procédure de contrôle
Niveau et purges	Destination normale des purges, circuits à faible charge et en situation anormale	Schéma du circuit, description de la régulation, conditions de protection
Maintenance et implantation	Sens d'ouverture, manutention, chemin de sortie, durée d'arrêt	Plan d'implantation, instructions de maintenance, périmètre des travaux

Ne généralisez pas à partir d'un seul exemple de prix. Comparez le coût total à garantie de performance identique et à périmètre d'installation et de maintenance identique.

Convenez avant l'achat de la façon dont les performances seront vérifiées après la mise en service. Consignez dans les dossiers de mise en service les points de mesure de pression et de température, les conditions des débitmètres et la plage de charge retenue pour la comparaison.

Comparer les températures de sortie avant et après remplacement est une preuve plus faible que comparer la puissance échangée ou les écarts de température ramenés aux mêmes conditions. Si les instruments ont aussi été remplacés, séparez leur effet de l'évolution des performances du réchauffeur.

Dossiers d'inspection et de réparation

En cas de suspicion de fuite de tube, rapprochez l'écart de pression tubes / calandre des variations de niveau et de débit de purges. Le sens de la fuite peut changer avec les conditions de pression : ce que vous observez à l'arrêt ne se comporte pas forcément de la même façon en fonctionnement.

Pour préparer une réparation, vérifiez le matériau des tubes, leur épaisseur et l'emplacement des dommages ; ne vous limitez pas à traiter le tube qui fuit. Si les dommages se concentrent dans une zone, cherchez une cause de récidive comme les vibrations induites par l'écoulement ou l'état des supports.

La chimie de l'eau agit sur l'état de surface des tubes : reliez les analyses d'eau alimentaire et de purges aux dossiers de maintenance. Vérifiez que les conditions de traitement conviennent aux matériaux, et ne modifiez pas le conditionnement chimique sur la seule base de recommandations générales de qualité d'eau.

Ouvrir un réchauffeur expose à de l'eau chaude et à une pression résiduelle. Avant l'ouverture, appliquez les procédures du site pour l'arrêt, l'isolement, la vidange et le refroidissement, afin de maîtriser les énergies résiduelles. Elles concernent tous les circuits raccordés (soutirage et purges autant qu'eau alimentaire), pas seulement le côté tubes.

Essais de performance et contrôles mécaniques donnent des informations différentes : utilisez les deux. Une bonne température de sortie ne prouve pas l'intégrité des tubes ; les parties sous pression s'inspectent selon le plan d'inspection du site.

Regroupez conditions de fonctionnement, indicateurs de performance, constats d'inspection et réparations dans un même historique. Ce dossier servira de base pour la surface d'échange et les dispositions de maintenance lors du prochain remplacement.

Normes et textes que vous pouvez rencontrer

Les fournisseurs japonais et les ingénieries internationales citent souvent les normes américaines ci-dessous pour les réchauffeurs. Demandez au fournisseur selon laquelle, le cas échéant, le réchauffeur a été conçu ou essayé.

• HEI Standards for Closed Feedwater Heaters (HEI 2622, 9e édition) : norme du Heat Exchange Institute couvrant les performances, la perte de charge côté tubes, la conception mécanique et les matériaux. Vérifiez l'édition en vigueur auprès du HEI ou de votre distributeur de normes.
• ASME PTC 12.1-2015, Closed Feedwater Heaters : code d'essai de performance qui détermine le TTD, le DCA et les pertes de charge côté tubes et côté calandre. L'ASME indique l'édition 2015 comme R2026 (maintenance stabilisée). Il ne s'applique pas aux réchauffeurs dont la zone de sous-refroidissement des purges est à passe partielle (partial-pass).
• ASME TDP-1-2023, Prevention of Water Damage to Steam Turbines Used for Electric Power Generation: Fossil-Fueled Plants : traite de la protection contre les entrées d'eau dans la turbine, y compris les systèmes d'isolement des réchauffeurs.

Pour la calandre et les boîtes à eau, le code de construction des appareils à pression dépend du projet et du pays d'installation. En Europe, la série NF EN 13445 (récipients sous pression non soumis à la flamme) est destinée à donner présomption de conformité à la directive 2014/68/UE (DESP) lorsque ses références sont publiées au Journal officiel de l'UE . Si un autre code (japonais, ASME…) est utilisé, la conformité aux exigences essentielles de la directive doit être démontrée autrement. Faites préciser au fournisseur le code appliqué et la procédure d'évaluation de la conformité, sans supposer qu'un code équivaut à un autre.

En exploitation en France, vérifiez si le réchauffeur entre dans le champ de l'arrêté du 20 novembre 2017 relatif au suivi en service des équipements sous pression ; ce texte prévoit notamment inspections périodiques, requalifications périodiques et, le cas échéant, plan d'inspection. Au Maroc, en Algérie ou ailleurs, vérifiez les règles locales applicables aux appareils à pression auprès de votre service inspection et de l'autorité compétente.

Liste de contrôle : quand le TTD ou le DCA dérive

Passez cette liste en revue avant de demander un arrêt ou un nettoyage.

• Les relevés viennent-ils d'un régime stabilisé, à une charge comparable à celle de la référence ?
• La pression de soutirage a-t-elle changé ? Recalculez la température de saturation à partir de la pression de calandre actuelle.
• Le débit d'eau alimentaire ou sa température d'entrée ont-ils changé ?
• L'indicateur de niveau et le transmetteur de niveau concordent-ils ? Le niveau est-il à sa consigne normale ?
• La vanne de régulation de niveau répond-elle normalement, et son ouverture diffère-t-elle de la référence ?
• La ligne d'évent est-elle ouverte et son débit conforme à la conception ?
• La perte de charge côté tubes a-t-elle augmenté à débit identique ?
• Le débit de purges a-t-il augmenté, ou le niveau est-il devenu instable (fuite de tube possible) ?
• Les thermomètres et prises de pression sont-ils aux mêmes emplacements que lors de la référence, et sont-ils étalonnés ?
• Le réchauffeur a-t-il une zone de désurchauffe et une zone de sous-refroidissement des purges ? (Les valeurs attendues du TTD et du DCA en dépendent.)
• Quels sont le TTD et le DCA de conception sur la fiche technique ou le bilan thermique ?

Questions à poser au fournisseur japonais

Envoyez ces questions lorsque les documents reçus n'y répondent pas.

• Quelles zones comporte chaque réchauffeur (désurchauffe, condensation, sous-refroidissement des purges) ?
• Quels sont le TTD et le DCA de conception de chaque réchauffeur à charge nominale et à charge partielle ?
• Quelle est la consigne de niveau normal, et quels sont les seuils d'alarme haut, très haut et bas ?
• Où vont les purges normales et les purges de secours, et qu'est-ce qui commande l'ouverture de la vanne de purge de secours ?
• Sur vos schémas, le soutirage « n° 1 » (第1抽気) est-il le plus haut ou le plus bas en pression ?
• Quelles protections empêchent l'eau d'entrer dans la turbine par la ligne de soutirage (isolement du soutirage, clapets anti-retour, déclenchement sur niveau très haut) ?
• Quelles sont les conditions de fonctionnement admissibles lorsqu'un réchauffeur est mis hors service (by-pass, limitation de charge) ?
• Les réchauffeurs ont-ils été conçus ou essayés selon le HEI, l'ASME PTC 12.1 ou une autre norme ? Quel code d'appareils à pression a été appliqué ?
• Quel est le matériau des tubes et quelles limites de chimie de l'eau s'appliquent ?

Modèle de courriel

Adaptez les parties entre crochets à votre installation.

Objet : [Nom du site] Réchauffeur HP n° [X] : TTD/DCA de conception et réglages de niveau

Bonjour [Nom],

Depuis [période], la température de sortie de l'eau alimentaire du réchauffeur HP n° [X] (高圧給水加熱器) a baissé d'environ [valeur] °C à [charge] % de charge. La pression de soutirage et le débit d'eau alimentaire sont proches de notre référence.

Le TTD que nous calculons est passé de [valeur] K à [valeur] K, et le DCA de [valeur] K à [valeur] K.

Afin de nous aider à en trouver la cause, pourriez-vous nous transmettre les éléments suivants ?

• TTD et DCA de conception à [charge] % et à 100 % de charge
• Consigne de niveau normal et seuils d'alarme, avec leur cote de référence
• Présence ou non d'une zone de désurchauffe et d'une zone de sous-refroidissement des purges sur ce réchauffeur
• Vérifications recommandées sur l'évent et la régulation de niveau avant une inspection interne

Nos courbes de tendance sont jointes. Nous vous remercions par avance de votre aide.

Cordialement,
[Nom]
[Société]

Limites de ce guide

• Tous les chiffres des exemples (débits, enthalpies, températures) sont fictifs et servent seulement à illustrer les méthodes.
• Les cas du tableau 2 sont typiques, pas certains. Plusieurs causes peuvent agir en même temps, et la confirmation demande des résultats d'inspection.
• Les valeurs de TTD et de DCA citées d'après l'EPRI sont indicatives. Ce sont les valeurs de conception de votre réchauffeur qui font foi.
• Disposition des réchauffeurs, zones, circuits de purges et logique de protection varient selon le constructeur et l'installation. Suivez les procédures du site et les instructions du fournisseur.
• Les décisions d'exploitation, d'isolement et d'inspection reviennent aux responsables techniques du site, dans le cadre des codes et de la réglementation locale applicables.

FAQ

Quelle est la différence entre un réchauffeur BP et un réchauffeur HP ?

Ils se distinguent surtout par la pression de l'eau alimentaire. Les réchauffeurs BP sont en amont du dégazeur, les réchauffeurs HP en aval de la pompe alimentaire. La pression de soutirage côté calandre et la pression de l'eau côté tubes sont distinctes : vérifiez les deux sur la spécification.

Pourquoi le soutirage de vapeur améliore-t-il le rendement ?

Le soutirage réduit le travail des derniers étages de la turbine, mais le préchauffage de l'eau réduit aussi la chaleur que doit fournir la chaudière. Les points de soutirage et le nombre d'étages sont choisis pour que le rapport travail net / chaleur fournie s'améliore.

Le dégazeur est-il un réchauffeur d'eau alimentaire ?

Oui. Dans un cycle régénératif, on peut le considérer comme un réchauffeur ouvert, à contact direct. Il chauffe l'eau en la mélangeant à la vapeur et élimine les gaz dissous ; contrairement à un réchauffeur fermé, les fluides se mélangent.

L'eau peut-elle sortir plus chaude que la température de saturation de la vapeur de soutirage ?

Oui, avec une zone de désurchauffe. Cette zone exploite la surchauffe de la vapeur soutirée : l'eau peut alors sortir au-dessus de la température de saturation à la pression de la calandre, ce qui donne un TTD négatif.

Un TTD et un DCA plus faibles sont-ils toujours meilleurs ?

Pas en règle générale. Jugez-les par rapport à la conception du réchauffeur, à sa construction et à ses propres valeurs de référence dans les mêmes conditions de fonctionnement. La définition du TTD reste la même, mais sa valeur de conception dépend de la présence d'une zone de désurchauffe et peut être négative.

L'installation peut-elle fonctionner avec un réchauffeur hors service ?

Cela dépend du by-pass d'eau alimentaire, de l'isolement du soutirage et des limites de température d'eau alimentaire de la chaudière. Vérifiez dans les procédures d'exploitation du site la charge admissible et les mesures de protection sans le réchauffeur.

Sources

• Définitions du TTD et du DCA, zones, TTD négatif avec zone de désurchauffe : EPRI, « Turbine Cycle Heat Rate Monitoring » (1012220)
• Effets d'un mauvais niveau sur le DCA et le TTD, valeurs types, entrée d'eau dans la turbine : EPRI, guide sur la régulation de niveau des réchauffeurs et des bâches de purges (1003472)
• Domaine et statut de l'ASME PTC 12.1 : ASME, « PTC 12.1 Closed Feedwater Heaters »
• HEI 2622, 9e édition : Accuris, HEI Standards for Closed Feedwater Heaters
• ASME TDP-1-2023 : ASME, sommaire de TDP-1-2023
• NF EN 13445 et directive 2014/68/UE : AFNOR, NF EN 13445-3+A1
• Suivi en service des équipements sous pression : OPPBTP, arrêté du 20 novembre 2017, article 2
• Poste d'eau, soutirages et bâche alimentaire : Mines Paris – PSL, Thermoptim, « Poste d'eau »
• Cycle de Rankine régénératif : University of Waterloo, regenerative Rankine cycle
• Amélioration de la consommation spécifique : EPRI, Heat Rate Improvement Reference Manual
• Indices de fuite de tube (ouverture de la vanne de niveau, débit de purges) : Heat Exchanger World, « Feedwater heater leak detection »
• Modélisation des réchauffeurs : Argonne National Laboratory, feedwater heater model
• Réchauffeurs BP et HP (fabricant japonais) : Seo Koatsu Kogyo, réchauffeur BP (en japonais) ; réchauffeur HP (en japonais)