Solutions de brûleurs industriels pour la sécurité et l’efficacité

La vanne d’arrêt de sécurité du combustible allume et éteint le brûleur et empêche le passage du combustible (gaz ou fioul) dans la chambre de combustion en cas d’arrêt de la chaudière, du four, de l’oxydateur thermique ou de tout autre appareil de chauffage. Les vannes d’arrêt de sécurité du combustible peuvent être actionnées par voie électrique (motorisée ou électrovanne) ou pneumatique et sont requises par les normes et codes nationaux.

Autres caractéristiques des vannes :

• Normalement fermées.

• Soumises à d’importants tests de durée de vie.

• Doivent répondre à des exigences strictes en matière d’étanchéité et de fuites.

• Conçues pour se fermer en moins d’une seconde en cas de perte d’énergie.

• La plupart du temps, deux vannes sont nécessaires entre le brûleur et l’alimentation en combustible.

Une vanne d’arrêt est une vanne que l’on peut fermer pour arrêter le débit d’un fluide (le « fermer »).

• Elle peut être manuelle ou automatique. Si la vanne est automatique, l’actionnement peut être électrique, pneumatique (pression d’air + électrique), hydraulique (huile sous pression + électrique).

• Une vanne d’arrêt automatique est une vanne normalement fermée, ce qui signifie que l’actionneur est sécurisé en position fermée (la plupart du temps par un retour du ressort), de sorte que la vanne se ferme automatiquement lorsqu’elle est mise hors tension.

Un élément de sécurité essentiel pour les brûleurs à combustion est ce qu’on appelle la « vanne d’arrêt de sécurité automatique », qui est une vanne d’arrêt qui se désalimente lorsqu’une condition dangereuse est détectée, garantissant que le débit de combustible vers le brûleur est coupé et sans danger.

• Ces vannes, spécialement conçues pour les brûleurs, sont dotées d’un très faible taux de fuite, d’une grande vitesse de fermeture et d’une excellente fiabilité.

• La norme dans l’industrie des brûleurs est d’en installer deux en ligne, de sorte que si l’une d’elles est défaillante ou fuit, l’autre se charge de mettre le brûleur en position d’arrêt.

1. Lorsqu’elle est mise sous tension, la tige de l’actionneur motorisé pousse la tige de la vanne vers le bas, ce qui ouvre la vanne.
2. En cas de perte de puissance, l’actionneur arrête de forcer, un ressort dans l’actionneur ramène la tige et un ressort dans la vanne ramène le distributeur à clapet vers le haut, fermant ainsi la vanne.
3. Lorsqu’elle est mise sous tension, la bobine attire le noyau qui soulève le clapet de la vanne, ouvrant celle-ci.
4. Lorsqu’elle n’est pas alimentée, la bobine ne tire plus le clapet vers le haut, et le ressort peut alors pousser le clapet vers le bas pour couper le débit.

Le train d'alimentation en combustible est l’ensemble des composants de contrôle des fluides qui partent de l’alimentation en combustible jusqu’au brûleur. L’objectif du système est de contrôler en toute sécurité le débit de combustible dans les brûleurs et de garantir un arrêt sûr si nécessaire. Le train d'alimentation en combustible se compose de nombreux éléments qui sont régis par diverses normes. Par exemple :

• NFPA 85 : Directive sur les risques liés aux chaudières et aux systèmes de combustion.

• NFPA 86 : Directive pour les fours.

• NFPA 87 : Directive pour les réchauffeurs de fluides.

• EN 676 : Brûleurs à air soufflé pour combustibles gazeux.

• EN 746-2 : Équipements industriels de traitement thermique.

Les grands brûleurs sont contrôlés par la combinaison d’un système de contrôle des brûleurs et d’un système de régulation de la combustion.

Le système de contrôle des brûleurs assure la sécurité du démarrage, du fonctionnement et de l’arrêt des brûleurs.

• Parfois appelé système de protection flamme, le système de contrôle des brûleurs démarre ceux-ci dans l’ordre approprié en éliminant d’abord le gaz de la chambre de combustion, en allumant le pilote (le cas échéant) puis en ouvrant la conduite principale de combustible.

• Pendant le fonctionnement, le système de contrôle des brûleurs surveille la flamme du brûleur principal et coupe l’alimentation des vannes d’arrêt de sécurité si aucune flamme n’est détectée ou en cas de détection d’une situation dangereuse. De plus, le système de contrôle des brûleurs vérifie au démarrage que les conditions de fonctionnement sont sans danger ; si ces conditions ne sont pas remplies, il arrête la séquence de démarrage et alerte l’opérateur.

Le système de régulation de la combustion est composé d’un équipement permettant de contrôler le rapport combustible/air et de la température. Ces composants mécaniques et électroniques peuvent inclure des actionneurs, des vannes de régulation du débit, des automates programmables industriels (API), des variateurs de fréquence (VFD) et des capteurs de débit. Dans certaines conditions, le système de contrôle des brûleurs et le système de régulation de la combustion peuvent être intégrés dans le même équipement de régulation.

La plage de potentiel calorifique équipement de chauffage est le rapport entre la production de chaleur maximale et minimale de l’équipement. Elle varie selon le brûleur utilisé.Un brûleur dont la plage de potentiel calorifique est de 10:1 indique qu’il peut fonctionner avec un débit de chaleur de 10 % de sa valeur maximale. La plage de potentiel calorifiquee est importante pour le marché des équipements de chauffage. En effet, une plage de potentiel calorifique étendue signifie que la fenêtre de modulation est plus grande. En effet, un rapport de 10:1 signifie que le brûleur peut fonctionner entre 10 % et 100 % de sa capacité, ce qui ouvre des possibilités de le faire fonctionner à 20 %, 30 %, 40 %, etc. lorsque le besoin de chaleur varie. Cela se traduit par des gains importants en matière de consommation de combustible et d’émissions, car cela permet de n’utiliser que ce qui est nécessaire.

Les types de combustibles pour les brûleurs et les chaudières sont les suivants :

• le gaz naturel ;

• le fioul (diesel) ;

• le biodiesel ;

• le gaz de coke ;

• le biogaz ;

• l’hydrogène ;

• le gaz de pétrole liquéfiés (principalement du butane et du propane).

Certains systèmes de combustion utilisent des combustibles solides (tels que la biomasse solide ou les charbons), ces systèmes sont conçus différemment et présentent des règles et des contraintes différentes pour lesquelles Emerson peut également proposer des solutions.

La NFPA stipule des exigences de sûreté de fermeture qui peuvent être satisfaites de deux manières pour les vannes d’arrêt de sécurité de combustible.

La première consiste à mettre en place un contact de preuve de fermeture.

• Installé dans la vanne par le fabricant, ce verrouillage permet de vérifier que la vanne d’arrêt de sécurité de combustible est complètement fermée avant que les cycles de purge et d’allumage du système puissent démarrer.

• Un contact de preuve de fermeture non réglable doit être installé en usine, il ne doit être activé qu’une fois que la vanne a atteint la position fermée. Cela signifie qu’un dispositif spécial de sur-course doit être mis en place.

La deuxième façon de répondre aux exigences de preuve de fermeture est de déployer un système de contrôle d'étanchéité des vannes.

• Ce système peut être actif ou passif. Quand il est actif, il utilise une pompe pour mettre la tuyauterie sous pression entre deux vannes d’arrêt de sécurité de combustible, surveille le gaz sous pression pour détecter toute fuite avant le démarrage du système. S’il est passif, ce système vérifie chaque vanne séparément avec un séquençage spécifique d’ouverture et de fermeture de la vanne individuellement en détectant les fuites à l’aide de pressostats.

• Un système de contrôle d'étanchéité des vannes peut être obligatoire en Europe sur les trains d'alimentation en combustible des brûleurs en fonction de leur puissance calorifique. Selon la norme NFPA, le système de contrôle d'étanchéité des vannes peut remplacer la nécessité de vérifier les contacteurs de preuve de fermeture dans certains cas.

Exigés par de nombreuses normes, notamment FM, NFPA et UL, les indicateurs visuels montrent si une vanne d’arrêt de sécurité de combustible est ouverte ou fermée. Les opérateurs peuvent ainsi agir en toute confiance dans les situations où la vanne doit être fermée pour des raisons de sécurité.

Les indicateurs sont généralement de nature mécanique. Certaines normes stipulent que si un voyant ou une LED est utilisé, l’absence de voyant allumé ne peut pas indiquer une position. Cette exigence complique la mise en place d’une indication lumineuse de la position fermée, car l’alimentation électrique de la vanne s’arrête quand le composant est fermé.

Un des moyens de s’assurer que les vannes d’arrêt de sécurité de combustible sont bien entretenues et fonctionneront de manière fiable en cas d’arrêt consiste à d’effectuer des tests d’étanchéité annuels ou plus fréquents. Les sièges des vannes s’usant avec le temps, ces tests permettent de s’assurer qu’aucun gaz ne fuit par la vanne.

Les vannes Emerson pour brûleurs industriels comportent un point de prise de pression spécifique qui facilite cette procédure de test, permettant de maintenir la vanne sur l'alimentation pendant le test. Ces points de prises de pression facilitent également l’installation de pressostats pour la surveillance des limites de pression ou la détection automatique des fuites en cas d’utilisation d’un système de contrôle d'étanchéité des vannes.