Les ventilateurs à tirage forcé des chaudières soutiennent une alimentation en air de combustion stable dans les installations industrielles

Dans une chaudière industrielle, la stabilité de la combustion ne dépend pas seulement du brûleur lui-même. Le système de combustion doit recevoir la bonne quantité d'air à la pression requise, même lorsque la charge de la chaudière change. Les ventilateurs à tirage forcé de la chaudière fournissent cet air de combustion en poussant l'air ambiant ou préchauffé vers le brûleur, la boîte à vent, la grille ou la fournaise. Dans les systèmes à tirage équilibré, le ventilateur à tirage forcé fonctionne avec le ventilateur à tirage induit pour contrôler le débit d'air à travers la chaudière.

Pourquoi l’approvisionnement en air de combustion est important

Le carburant ne peut pas brûler efficacement si l’oxygène disponible est insuffisant. Dans le même temps, fournir davantage d’air n’est pas une solution. L'excès d'air absorbe la chaleur et évacue la chaleur supplémentaire à travers la cheminée, ce qui peut réduire l'efficacité de la chaudière. Pour cette raison, les ventilateurs à tirage forcé des chaudières doivent fournir un débit d'air suffisant sur toute la plage de fonctionnement plutôt que de simplement produire le volume d'air maximum possible.

Par exemple, considérons une chaudière à biomasse fonctionnant entre 60 % et 100 % de charge. Si le ventilateur fonctionne presque à pleine vitesse, quelle que soit la charge de la chaudière, le système peut recevoir un excès d'air de combustion à faible charge. La meilleure approche consiste à contrôler le débit d'air en fonction de la demande réelle de carburant, à l'aide d'un registre d'admission, d'une aube directrice d'admission ou d'un VFD selon la conception du système. Les recherches sur le contrôle de vitesse variable des chaufferies ont également montré la relation entre le fonctionnement des ventilateurs, l'excès d'air et l'efficacité de la chaudière. 

Ne sélectionnez pas le ventilateur uniquement à partir de la puissance du moteur

L'une des erreurs les plus courantes lors du remplacement d'un ventilateur de chaudière est de demander un moteur de 30 kW, 45 kW ou 75 kW et d'attendre du fabricant du ventilateur qu'il détermine tout à partir de ce nombre. La puissance du moteur est une sortie du processus de sélection du ventilateur et non le paramètre de sélection principal.

Pour les ventilateurs à tirage forcé de chaudière, les informations de base doivent inclure :

Débit d'air requis, tel que m³/h ou CFM

Pression statique requise ou pression totale

Température d'entrée d'air

Type de carburant

Capacité de la chaudière

Altitude de fonctionnement

Plage de charge prévue

Pertes de pression dans les conduits et les équipements

Résistance du brûleur ou de la grille

Chute de pression du préchauffeur d’air, le cas échéant

Méthode de contrôle

Tension et fréquence du moteur

Disposition d'installation du ventilateur

Sens de rotation et position de sortie

La pression requise doit être calculée à partir du trajet d’air complet. Les conduits, les coudes, les registres, les filtres, les préchauffeurs d'air, les boîtes à vent, les registres de brûleur et d'autres composants contribuent tous à la résistance. 

Un exemple pratique de sélection de fans

Supposons qu’une chaudière industrielle nécessite 18 000 m³/h d’air de combustion à une pression statique de 2 200 Pa dans les conditions de fonctionnement de conception. Le ventilateur ne doit pas être sélectionné simplement comme un « ventilateur de 18 000 m³/h ».

Tout d’abord, l’ingénieur doit confirmer si 18 000 m³/h constitue le débit d’air de fonctionnement réellement requis ou s’il inclut déjà la marge de conception requise. Ensuite, les pertes de charge entre l’entrée du ventilateur et la fournaise doivent être calculées.

Par exemple:

Perte conduit d'air : 300 Pa

Perte d'amortissement : 180 Pa

Perte du préchauffeur d'air : 450 Pa

Perte du vent et du brûleur : 700 Pa

Autres pertes du système : 350 Pa

Marge requise : évaluée séparément selon la conception du projet

La sélection du ventilateur doit alors être vérifiée par rapport au point de fonctionnement résultant plutôt que par rapport au débit d'air seul. Ceci est particulièrement important lorsque des ventilateurs à tirage forcé de chaudière sont utilisés en remplacement d'une unité existante, car des modifications apportées aux conduits ou au brûleur peuvent modifier le point de fonctionnement réel.

La pression du ventilateur et le débit d'air doivent correspondre à la chaudière

Un ventilateur peut produire un débit d’air important à basse pression et ne parvient toujours pas à fournir l’air requis à la fournaise. À l’inverse, la sélection d’une pression excessive peut entraîner un étranglement inutile et une puissance de fonctionnement plus élevée.

C'est pourquoi la courbe de performance du ventilateur est importante. Le point de conception doit être situé dans une région appropriée de la courbe du ventilateur, avec une plage de contrôle suffisante pour un fonctionnement normal de la chaudière.

Pour les ventilateurs à tirage forcé de chaudière, je vérifierais normalement au moins trois points de fonctionnement :

Charge minimale stable de la chaudière

Charge de fonctionnement normale

Charge continue maximale

Si la chaudière fonctionne normalement à une charge de 70 à 90 %, le ventilateur ne doit pas être optimisé uniquement pour un point théorique de 100 %. La plage de fonctionnement réelle est importante car la demande en air de combustion change avec l'apport de carburant.

Le contrôle VFD peut être utile, mais ce n'est pas automatiquement la meilleure solution

Les entraînements à fréquence variable sont souvent envisagés pour les ventilateurs à tirage forcé des chaudières, car la vitesse du ventilateur peut être ajustée en fonction de la charge de la chaudière. Pour les ventilateurs centrifuges, les lois des ventilateurs constituent une base utile pour comprendre l'effet des changements de vitesse : le débit d'air change approximativement avec la vitesse, la pression change approximativement avec le carré de la vitesse et la puissance change approximativement avec le cube de la vitesse.

Cela signifie qu’une réduction relativement faible de la vitesse peut produire une réduction significative de la puissance du ventilateur.

Cependant, la sélection du VFD doit également prendre en compte le moteur, la vitesse de fonctionnement minimale, la réponse du contrôle, les exigences de démarrage, les considérations harmoniques et la stratégie de contrôle du débit d'air requise. Un VFD ne doit pas simplement être ajouté parce qu’il semble plus efficace. L'ensemble du système de contrôle de la chaudière doit être pris en compte. Que se passe-t-il lorsque le ventilateur est sous-dimensionné ? Un ventilateur à tirage forcé de chaudière sous-dimensionné peut sembler acceptable lors d'un fonctionnement à faible charge, mais devenir un goulot d'étranglement lorsque la chaudière approche de la pleine charge.

Les symptômes typiques comprennent :

Ventilateur fonctionnant proche de la vitesse maximale

Incapacité d'atteindre le débit d'air requis

Oxygène à bas fourneau

Combustion instable

Augmentation du CO

Production de vapeur réduite

Consommation de carburant plus élevée

Chute de pression excessive dans le système d'air

Le registre reste complètement ouvert

Cependant, avant de remplacer le ventilateur, les techniciens doivent confirmer que le problème vient bien de la capacité du ventilateur. Un filtre sale, un conduit obstrué, un registre mal positionné, un préchauffeur d'air encrassé ou un brûleur modifié peuvent augmenter la résistance du système et créer des symptômes qui ressemblent à un ventilateur sous-dimensionné.

Exemple de cas : chaudière à biomasse avec un débit d'air insuffisant

Prenons l'exemple d'une chaudière à biomasse initialement conçue pour environ 15 000 m³/h d'air de combustion. Après plusieurs années d’exploitation, l’usine a opté pour un combustible biomasse plus humide.

L'exploitant a constaté que la chaudière ne pouvait plus maintenir la condition de combustion précédente à charge élevée. L'hypothèse initiale était que le ventilateur FD était devenu trop petit.

Une inspection du site a révélé trois conditions importantes :

Le ventilateur atteignait encore approximativement sa vitesse de conception initiale.

Le registre d'entrée était presque complètement ouvert

Le nouveau combustible contenait beaucoup plus d'humidité.

L'équipe d'ingénierie a donc vérifié les besoins en air de combustion et la pression du système avant de décider d'un ventilateur de remplacement. Ceci est important car le changement de carburant peut modifier les conditions de combustion requises ; La simple augmentation de la taille du ventilateur ne résoudra peut-être pas le problème de processus sous-jacent.

La sélection finale du ventilateur était basée sur les exigences révisées en matière de débit d'air et de pression plutôt que sur l'ancienne puissance nominale du moteur.

Le fan FD et le fan ID doivent être considérés ensemble

Dans une chaudière à tirage équilibré, le ventilateur FD fournit de l'air de combustion tandis que le ventilateur ID élimine les gaz de combustion et aide à maintenir la pression requise dans la fournaise. Ces deux ventilateurs effectuent des tâches différentes mais affectent directement le même processus de combustion.

Si le côté FD fournit beaucoup plus d’air que ce que le système peut évacuer, la pression du four peut augmenter. Si le côté ID tire trop fortement par rapport à l’air de combustion entrant, une pression négative excessive peut se développer.

Par conséquent, lors du remplacement des ventilateurs à tirage forcé de la chaudière, il est utile de vérifier également le fonctionnement du ventilateur ID existant. Le nouveau ventilateur FD doit s'adapter à la plage de fonctionnement du système complet de contrôle de tirage plutôt que d'être évalué comme un équipement isolé.

La température de l'air affecte également la sélection du ventilateur

La température de l’air de combustion doit être spécifiée avant de sélectionner les ventilateurs à tirage forcé de la chaudière.

Si le ventilateur gère l'air ambiant, la densité est différente d'un système où l'air a traversé un préchauffeur d'air. À mesure que la température de l’air augmente, sa densité diminue, ce qui affecte la relation entre le débit volumétrique, le débit massique, la pression et la puissance du ventilateur.

Par exemple, deux systèmes peuvent tous deux afficher 20 000 m³/h sur papier tout en fonctionnant à des températures de l’air sensiblement différentes. Le calcul technique doit donc établir la température et la pression de fonctionnement réelles plutôt que de traiter le volume comme indépendant des conditions de fonctionnement.

Cela devient particulièrement important dans les chaudières utilisant des préchauffeurs d’air ou d’autres équipements de récupération de chaleur.

Contrôles de maintenance à ne pas ignorer

Même un ventilateur correctement sélectionné peut perdre en performances en raison de problèmes de maintenance. Pour les ventilateurs à tirage forcé de chaudière, l'inspection de routine doit inclure la turbine, les roulements, l'arbre, l'accouplement, le courant du moteur, les vibrations, l'état de l'entrée, la position du registre et les conduits.

Si le débit d’air diminue progressivement alors que la vitesse du ventilateur reste inchangée, n’augmentez pas immédiatement la vitesse. Première vérification :

Obstruction du filtre d'entrée

Ouverture du registre

Obstruction du conduit

Encrassement de la turbine

État des roulements

État de la courroie ou de l'accouplement

Rotation du ventilateur

Pression du système

Résistance du brûleur ou du caisson à vent

Une roue contaminée par de la poussière ou des dépôts peut modifier les conditions aérodynamiques et augmenter le déséquilibre. L'augmentation de la vitesse pour compenser peut augmenter la charge mécanique sans résoudre le problème d'origine. Quelles informations doivent être envoyées à un fabricant de ventilateurs ? Pour une demande d'offre concernant des ventilateurs à tirage forcé de chaudière, une enquête technique utile doit contenir bien plus que la capacité de la chaudière.

Une demande de prix pratique peut inclure :

Capacité de la chaudière : 20 TPH

Combustible : Biomasse / charbon / gaz naturel / pétrole

Débit d'air requis : 18 000 m³/h

Pression requise : 2 200 Pa

Température de l'air : 40°C

Altitude : 35 m

Fréquence de fonctionnement : 50 Hz

Tension moteur : 415 V

Contrôle : VFD

Installation : Intérieur

Rotation : À confirmer

Sens de sortie : À confirmer

Si le ventilateur existant est remplacé, les photographies, les informations sur la plaque signalétique, la courbe du ventilateur, les données du moteur, les dimensions des conduits et les mesures de fonctionnement réelles sont également extrêmement utiles.

Plus les données de fonctionnement sont complètes, plus il est facile de sélectionner des ventilateurs à tirage forcé de chaudière qui correspondent au fonctionnement réel de la chaudière au lieu de sélectionner un modèle dans un catalogue basé uniquement sur le débit d'air nominal.

Considérations finales

L'objectif principal des ventilateurs à tirage forcé de chaudière est simple : fournir au système de combustion de l'air stable et contrôlable à la pression requise par la chaudière. Le défi technique consiste à rendre ce flux d'air disponible sur toute la plage de fonctionnement tout en gardant sous contrôle la puissance du ventilateur, la pression du four, les conditions de combustion et la fiabilité mécanique.

Pour un nouveau projet de chaudière, le ventilateur doit être sélectionné à partir du calcul complet de la résistance côté air. Pour un projet de remplacement, les données de fonctionnement réelles doivent être comparées à la courbe originale du ventilateur avant de décider si le problème est une capacité de ventilateur insuffisante, une résistance accrue du système ou un changement dans les conditions de combustion.

Un ventilateur à tirage forcé de chaudière bien sélectionné n’est donc pas simplement un ventilateur à haut débit d’air. Il s'agit d'un composant adapté au combustible de la chaudière, au système de combustion, aux pertes de charge, à la température de fonctionnement, à la méthode de contrôle et à la plage de charge prévue. C’est ce qui permet à la chaudière de maintenir une combustion stable sans gaspiller inutilement la puissance du ventilateur.