EP3553377A1 - Dispositif de sécurité pour générateur vapeur - Google Patents

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EP3553377A1
EP3553377A1 EP19168232.7A EP19168232A EP3553377A1 EP 3553377 A1 EP3553377 A1 EP 3553377A1 EP 19168232 A EP19168232 A EP 19168232A EP 3553377 A1 EP3553377 A1 EP 3553377A1
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Eurl Bacm
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    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/42—Applications, arrangements or dispositions of alarm or automatic safety devices
    • F22B37/46—Applications, arrangements or dispositions of alarm or automatic safety devices responsive to low or high water level, e.g. for checking, suppressing or extinguishing combustion in boilers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F22B37/44—Applications, arrangements or dispositions of alarm or automatic safety devices of safety valves
    • F22B37/446—Safety devices responsive to overpressure

Definitions

  • the invention belongs to the field of steam generators.
  • the invention belongs to the field of risk management inherent in the implementation of boilers.
  • the invention belongs to the field of functional safety of boilers.
  • the combustion automaton also comprises safety management means relating to the burner and the combustion.
  • a risk reduction level for a given safety function can be quantified by the Safety Integrity Level (SIL) integrity level, which ranges on a scale of 1 to 4. reliability of the instrumented safety system increases with SIL.
  • SIL Safety Integrity Level
  • the SIL takes into account the probability of occurrence and the risks and severity of their consequences.
  • the figure 2 represents the correspondence table between the level of security integrity SIL and a risk reduction factor RRF ( Risk Reduction Factor in English terminology) equal to the inverse of the average probability of failure at the request PFD ( Probability of Failure on Demand in Anglo-Saxon terminology).
  • RRF Risk Reduction Factor in English terminology
  • the SIL security integrity level of a system depends on the security integrity level of the constituent subsystems.
  • an Instrumented Safety System comprises a sensor subsystem (input interface), a logic subsystem and an actuator subsystem (output interface).
  • the devices composing the subsystems may be arranged in series or in parallel.
  • the figure 4 represents the evolution of the probability of failure at PFD bias as a function of time for two sensors A and B associated with a level SIL 2.
  • the sensor A represented by a solid line curve, can be considered to have a SIL 2 level during a unit of time, for example a year. Beyond that, the average probability of PFD failure is too high. It should therefore be ensured after one year that the sensor A is functioning correctly. After verification, sensor A can be reused for one year without verification.
  • the sensor B represented by a dashed line curve, can be considered to have a SIL 2 level for five time units, for example five years. The operating state of the sensor B is therefore checked only every five years.
  • the invention proposes a safety system for a steam generator that makes it possible to obtain a SIL security integrity level equal to 3. Such a level of security integrity makes it possible to further space out the functional integrity verification tests. security systems. In particular, thanks to the device according to the invention, the safety tests are only to be performed once a year.
  • the invention also relates to a steam generator comprising a combustion automaton, a food pump, a control automaton and a safety device according to the invention.
  • control automaton acts on the combustion automaton and the food pump.
  • the steam generator is a boiler.
  • the invention relates to a safety device intended to be implemented on a steam boiler.
  • a safety device intended to be implemented on a steam boiler.
  • the figure 1 represents a steam boiler 1 in a simplified manner, and the boiler 1 comprises other elements not shown, for example a natural gas supply, a vent, a chimney, conductivity probe, control valve, etc.
  • a heat produced by the burner 11 is transmitted to the feed water contained in the heating element 10.
  • This heat exchange is for example achieved by means of a combustion of a fuel element, such as fuel or water. gas (not shown).
  • the burner 11 is controlled by the combustion automaton 110 which sends a power instruction to manage the amount of steam produced.
  • the pressure switches 40 of excess steam pressure make it possible to detect an abnormal rise in the pressure inside the boiler.
  • the two pressure switches 40 are mounted on the boiler independently. These pressure switches each have a level of SIL safety integrity equal to two, for example a pressure switch from the company GEORGIN (registered trademark), and symbolized graphically by a double border.
  • the very low water level probes 41 control the minimum water level inside the generator.
  • Each of the probes used has a SIL security integrity level equal to three, symbolized graphically by a triple border. It may be, for example, probes from the company GESTRA (registered trademark).
  • the two emergency stops 42 are respectively disposed on one side of the heating body 10 and on an electrical cabinet 14 and each have a safety integrity level SIL equal to three, symbolized graphically by a triple edge. They can be chosen for example from the range of PILZ products (registered trademark).
  • the pressure switches, water level probes and emergency stops form safety contacts connected to the safety PLC 23 via input electrical connections 25.
  • the safety PLC 23 has a level of integrity security SIL equal to four, symbolized graphically by a quadruple border.
  • the relay assembly 24 is connected to the outputs of the safety PLC via electrical output connections 26, and acts directly on the combustion automaton 110 associated with the burner 11, on the feed pump 120 for supplying power. feed water, and on the regulating automaton 13 to stop the boiler in case of emergency.
  • the number of elements making up the relaying assembly is limited compared to existing relaying assemblies in order to limit the probability of failure of a relay element and therefore of the boiler.
  • connection input / electrical output connection is chosen with reference to the safety controller assembly 23 and relaying assembly 24, the information transmitted by the security contacts constituting entries of this set, and the orders sent to the combustion automaton 110, the food pump 120 and the control circuit constituting outputs of said assembly.
  • the electrical connections are symbolized on the figure 1 by dashed lines.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de sécurité destiné à être mis en oeuvre sur un générateur vapeur et comportant :- au moins deux pressostats (20) de niveaux d'intégrité de sécurité au moins égal à 2 ;- au moins deux sondes (21) de niveau d'eau de niveaux d'intégrité de sécurité au moins égal à 3 ;- au moins deux arrêts d'urgence (22) de niveaux d'intégrité de sécurité au moins égal à 3 ;- un automate de sécurité (23) ;- un ensemble de relayage (24) raccordé aux sorties dudit automate de sécurité et apte à arrêter le générateur de vapeur en cas d'urgence ;les pressostats (20), les sondes (21) et les arrêts d'urgence (22) étant indépendants les uns des autres dans leur fonctionnement.L'invention concerne également un générateur vapeur équipé d'un dispositif de sécurité selon l'invention.

Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • L'invention appartient au domaine des générateurs de vapeur.
  • Plus particulièrement, l'invention appartient au domaine de la gestion des risques inhérents à la mise en oeuvre de chaudières.
  • Plus particulièrement, l'invention appartient au domaine de la sécurité fonctionnelle des chaudières.
    • ETAT DE L'ART
  • Les pressions et températures mises en jeu tout au long du fonctionnement des générateurs vapeurs impliquent des risques pour le personnel destiné à utiliser de telles machines.
  • Afin de réduire ces risques, des Systèmes Instrumentés de Sécurité SIS sont mis en place.
  • En particulier, des ensembles de sécurité sont mis en place concernant :
    • le niveau et la qualité de l'eau dans le corps de chauffe du générateur vapeur ;
    • la surpression de vapeur ;
    • les arrêts d'urgence.
  • La gestion de ces ensembles de sécurité est centralisée dans une armoire électrique.
  • L'automate de combustion comprend également des moyens de gestion des sécurités relatives au brûleur et à la combustion.
  • Un niveau de réduction d'un risque pour une fonction de sécurité donnée peut être quantifié par le niveau d'intégrité de sécurité SIL (Safety Integrity Level en terminologie anglo-saxonne), qui s'étend sur une échelle de 1 à 4. La fiabilité du système instrumenté de sécurité croît avec le SIL. Le SIL tient compte de la probabilité d'apparition et des risques et de la gravité de leurs conséquences.
  • La figure 2 représente le tableau de correspondance entre le niveau d'intégrité de sécurité SIL et un facteur de réduction de risque RRF (Risk Réduction Factor en terminologie anglo-saxonne) égal à l'inverse de la probabilité moyenne de défaillance à la sollicitation PFD (Probability of Failure on Demand en terminologie anglo-saxonne).
  • Selon la norme CEI 61511, l'attribution d'un niveau SIL se fait à l'aide d'un graphe des risques, illustré sur la figure 3, en fonction de quatre paramètres :
    • la gravité G d'un dommage lié à un risque ;
    • la fréquence F et/ou durée d'exposition ;
    • la probabilité d'apparition Pap de l'événement dangereux ;
    • la probabilité d'évitement Pev dudit évènement dangereux.
  • Chacun de ces paramètres est quantifié par une échelle discrète :
    • G1 : incident mineur ;
    • G2 : blessures graves conduisant à des invalidités ; décès d'une personne ;
    • G3 : décès de deux personnes ;
    • G4 : décès de plus de deux personnes ;
    • F1 : exposition rare au risque ;
    • F2 : exposition permanente au risque ;
    • Pap1 : probabilité faible d'apparition ;
    • Pap2 : probabilité moyenne d'apparition ;
    • Pap3 : probabilité élevée d'apparition ;
    • Pev1 : évènement évitable dans certaines conditions ;
    • Pev2 : évènement inévitable.
  • L'évaluation des quatre paramètres G, F, Pap et Pev, permet d'identifier le type de risque et, par le biais du graphe des risques, le niveau de SIL requis.
  • Sur le graphe, la présence d'un tiret ou d'un « a » dans une case correspond à une absence de prescription de sécurité particulière. La lettre « b » correspond à une situation dans laquelle l'utilisation de systèmes instrumentés est insuffisante pour assurer la sécurité des opérateurs.
  • Le niveau d'intégrité de sécurité SIL d'un système dépend du niveau d'intégrité de sécurité des sous-systèmes le constituant.
  • Classiquement, un Système Instrumenté de Sécurité comporte un sous-système capteur (interface d'entrée), un sous-système logique et un sous-système actionneur (interface de sortie). Les dispositifs composant les sous-systèmes peuvent être disposés en série ou en parallèle.
  • Afin de vérifier le bon état de fonctionnement des Systèmes Instrumentés de Sécurité, la mise en place de tests périodiques attestant de ce bon état de fonctionnement est nécessaire. La fréquence de ces tests dépend du niveau SIL associé au SIS.
  • La figure 4 représente l'évolution de la probabilité de défaillance à la sollicitation PFD en fonction du temps pour deux capteurs A et B associés à un niveau SIL 2.
  • Le capteur A, représenté par une courbe en trait plein, peut être considéré comme ayant un niveau SIL 2 pendant une unité de temps, par exemple une année. Au-delà, la probabilité moyenne de défaillance PFD est trop élevée. Il convient donc de s'assurer au bout d'une année que le capteur A fonctionne correctement. Après vérification, le capteur A peut être réutilisé pendant un an sans vérification.
  • Le capteur B, représenté par une courbe en traits interrompus, peut être considéré comme ayant un niveau SIL 2 pendant cinq unités de temps, par exemple cinq ans. L'état de fonctionnement du capteur B n'est donc vérifié que tous les cinq ans.
  • Les chaudières actuellement mises en oeuvre actuellement ont un niveau de sécurité SIL 2. Un tel niveau de sécurité oblige à des test périodiques nombreux afin de vérifier le bon état de fonctionnement des systèmes de sécurité. La réalisation de ces tests implique l'indisponibilité de la chaudière objet des tests.
  • Actuellement, les éléments mis en oeuvre pour assurer les fonctions de sécurité obligent à des tests réguliers, à des périodes de l'ordre de un à six mois suivant les éléments considérés.
    • EXPOSE DE L'INVENTION
  • L'invention propose un système de sécurité d'un générateur vapeur permettant d'obtenir un niveau d'intégrité de sécurité SIL égal à 3. Un tel niveau d'intégrité de sécurité permet d'espacer davantage les tests de vérification de bon fonctionnement des systèmes de sécurité. En particulier, grâce au dispositif selon l'invention, les essais de sécurité ne sont à réaliser qu'une fois par an.
  • Le dispositif de sécurité selon l'invention est destiné à être mis en oeuvre sur un générateur de vapeur, et comporte :
    • au moins deux pressostats d'excès de pression vapeur ;
    • au moins deux sondes de niveau d'eau présentant chacune un niveau d'intégrité de sécurité SIL au moins égal à 3 ;
    • au moins deux arrêts d'urgence présentant chacun un niveau d'intégrité de sécurité SIL au moins égal à 3 ;
    ledit dispositif de sécurité étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
    • un automate de sécurité relié à l'au moins deux pressostats, à l'au moins deux sondes et à l'au moins deux arrêts d'urgence;
    • un ensemble de relayage raccordé aux sorties dudit automate de sécurité et apte à agir sur un automate de combustion, une pompe alimentaire et un automate de régulation dudit générateur de vapeur pour arrêter ce dernier en cas d'urgence ;
    et en ce que :
    • les au moins deux pressostats présentent chacun un niveau d'intégrité de sécurité SIL au moins égal à 2 ;
    • les pressostats, les sondes et les arrêts d'urgence sont indépendants les uns des autres dans leur fonctionnement.
  • L'invention concerne également un générateur de vapeur comportant un automate de combustion, une pompe alimentaire, un automate de régulation et un dispositif de sécurité selon l'invention.
  • Dans une forme de réalisation, le générateur de vapeur comporte :
    • un corps de chauffe ;
    • un brûleur commandé par l'automate de combustion ;
    • une cuve d'eau alimentaire alimentant le corps de chauffe, la pompe alimentaire étant disposée entre ledit corps de chauffe et ladite cuve d'eau.
  • Dans une forme de réalisation, l'automate de régulation agit sur l'automate de combustion et sur la pompe alimentaire.
  • Dans une forme de réalisation, le générateur de vapeur est une chaudière.
    • BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention.
    • La figure 1 représente un schéma simplifié d'une chaudière à vapeur équipée du dispositif de sécurité selon l'invention.
    • La figure 2 déjà citée représente un tableau de correspondance entre un niveau d'intégrité de sécurité SIL et une réduction de facteur de risque RRF.
    • La figure 3 déjà citée représente le graphe des risques pour la détermination du niveau d'intégrité de sécurité SIL.
    • La figure 4 déjà citée représente l'évolution de la probabilité de défaillance à la sollicitation PFD en fonction du temps pour deux capteurs.
    DESCRIPTION DETAILLEE
  • L'invention concerne un dispositif de sécurité destiné à être mis en oeuvre sur une chaudière vapeur. L'homme du métier comprendra au long de la description que l'invention n'est pas limitée aux seules chaudières mais peut être mise en oeuvre de manière plus générale sur tout type de générateur vapeur.
  • En référence à la figure 1, la chaudière vapeur 1 comporte :
    • un corps de chauffe 10 ;
    • un brûleur 11 commandé par un automate de combustion 110 ;
    • une cuve 12 d'eau alimentaire alimentant le corps de chauffe 10 par le biais d'une pompe alimentaire 120 ;
    • un automate de régulation 13 agissant notamment sur l'automate de combustion 110 du brûleur 11 et sur la pompe alimentaire 120.
  • Bien entendu, la figure 1 représente une chaudière vapeur 1 de manière simplifiée, et la chaudière 1 comporte d'autres éléments non illustrés, par exemple une alimentation en gaz naturel, un évent, une cheminée, sonde de conductivité, vanne de régulation, etc.
  • Une chaleur produite par le brûleur 11 est transmise à l'eau alimentaire contenue dans le corps de chauffe 10. Cet échange de chaleur est par exemple réalisé par l'entremise d'une combustion d'un élément combustible, tel que du fuel ou du gaz (non représenté).
  • Une partie de l'eau ainsi chauffée se transforme en vapeur qui peut par la suite être exploitée. Le brûleur 11 est piloté par l'automate de combustion 110 qui lui envoie une consigne de puissance permettant de gérer la quantité de vapeur produite.
  • Les pressions et températures mises en jeu impliquent des risques pour le personnel destiné à utiliser de telles chaudières.
  • En référence à la figure 1, un dispositif de sécurité selon l'invention est mis en oeuvre pour assurer une sécurité du personnel. Le dispositif selon l'invention comporte :
    • deux pressostats 20 d'excès de pression vapeur ;
    • deux sondes 21 de niveau d'eau très bas ;
    • deux arrêts d'urgence 22 ;
    • un automate de sécurité 23 ;
    • un ensemble de relayage 24.
  • Les pressostats 40 d'excès pression vapeur permettent de détecter une élévation anormale de la pression à l'intérieur de la chaudière. Les deux pressostats 40 sont montés sur la chaudière de manière indépendante. Ces pressostats présentent chacun un niveau d'intégrité de sécurité SIL égal à deux, par exemple un pressostat de la société GEORGIN (marque déposée), et symbolisé graphiquement par une double bordure.
  • Les sondes 41 de niveau d'eau très bas contrôlent le niveau d'eau minimum à l'intérieur du générateur. Chacune des sondes utilisées présente un niveau d'intégrité de sécurité SIL égal à trois, symbolisé graphiquement par une triple bordure. Il peut s'agir par exemple de sondes de la société GESTRA (marque déposée).
  • Les deux arrêts d'urgence 42 sont disposés respectivement sur un côté du corps de chauffe 10 et sur une armoire électrique 14 et présentent chacun un niveau d'intégrité de sécurité SIL égal à trois, symbolisé graphiquement par une triple bordure. Ils peuvent être choisis par exemple dans la gamme des produits PILZ (marque déposée).
  • Les pressostats, sondes de niveau d'eau et arrêts d'urgence forment des contacts de sécurité raccordés à l'automate de sécurité 23 par des liaisons électriques d'entrée 25. L'automate de sécurité 23 présente un niveau de sécurité d'intégrité SIL égal à quatre, symbolisé graphiquement par une quadruple bordure.
  • L'ensemble de relayage 24 est raccordé aux sorties de l'automate de sécurité par le biais de liaisons électriques de sortie 26, et agit directement sur l'automate de combustion 110 associé au brûleur 11, sur la pompe alimentaire 120 d'alimentation en eau alimentaire, et sur l'automate de régulation 13 pour arrêter la chaudière en cas d'urgence. Avantageusement, le nombre d'éléments composant l'ensemble de relayage est limité par rapport aux ensembles de relayage actuellement existant afin de limiter les probabilité des panne d'un élément du relayage et donc de la chaudière.
  • La terminologie liaison électrique d'entrée / liaison électrique de sortie est choisie en référence à l'ensemble automate de sécurité 23 et ensemble de relayage 24, les informations transmises par les contacts de sécurité constituant des entrées de cet ensemble, et les ordres envoyés à l'automate de combustion 110, à la pompe alimentaire 120 et au circuit de commande constituant des sorties dudit ensemble. Les liaisons électriques sont symbolisées sur la figure 1 par des traits en pointillés.
  • Le dispositif de sécurité selon l'invention présente un niveau d'intégrité de sécurité SIL égal à trois. Les caractéristiques permettant d'obtenir un tel niveau de sécurité sont les suivantes :
    • niveau d'intégrité de sécurité SIL des contacts de sécurité mis en oeuvre, en particulier, mise en oeuvre de pressostats de niveau de sécurité SIL égal à deux ;
    • redondance et indépendance des contacts de sécurité utilisés, en particulier, les deux pressostats 20 sont indépendants l'un de l'autre, de même les sondes 21 et les arrêts d'urgence 22 sont des éléments qui sont indépendants les uns des autres ;
  • Les avantages d'une chaudière présentant un dispositif de sécurité selon l'invention en comparaison avec une chaudière de l'art antérieur sont les suivants :
    • le matériel utilisé a un niveau de sécurité augmenté et un taux de défaillance inférieur ;
    • les essais de sécurité en réel, obligatoires pour valider le bon fonctionnement des sécurités, est à réaliser tous les ans, du fait du niveau de sécurité d'intégrité SIL atteint. Les chaudières de l'art antérieur nécessitant des essais de sécurité espacées d'un maximum d'environ six mois, cet avantage est particulièrement intéressant dans la mesure où la chaudière doit être stoppée lors de ces essais, stoppant des étapes de production nécessitant l'utilisation de la chaudière, et présentant ainsi une contrainte pour les exploitants ayant des répercussions économiques. Une chaudière équipée d'un dispositif de sécurité selon l'invention est ainsi disponible 365 jours consécutifs.
  • Le calcul du niveau d'intégrité de sécurité SIL égal à trois a été réalisé et validé par l'organisme notifié APAVE.

Claims (5)

  1. Dispositif de sécurité, destiné à être mis en oeuvre sur un générateur de vapeur, comportant :
    - au moins deux pressostats (20) d'excès de pression vapeur ;
    - au moins deux sondes (21) de niveau d'eau présentant chacune un niveau d'intégrité de sécurité SIL au moins égal à 3 ;
    - au moins deux arrêts d'urgence (22) présentant chacun un niveau d'intégrité de sécurité SIL au moins égal à 3 ;
    ledit dispositif de sécurité étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
    - un automate de sécurité (23) relié à l'au moins deux pressostats (20), à l'au moins deux sondes (21) et à l'au moins deux arrêts d'urgence (22) ;
    - un ensemble de relayage (24) raccordé aux sorties dudit automate de sécurité et apte à agir sur un automate de combustion (110), une pompe alimentaire (120) et un automate de régulation (13) dudit générateur de vapeur pour arrêter ce dernier en cas d'urgence ;
    et en ce que :
    - les au moins deux pressostats (20) présentent chacun un niveau d'intégrité de sécurité SIL au moins égal à 2 ;
    - les pressostats (20), les sondes (21) et les arrêts d'urgence (22) sont indépendants les uns des autres dans leur fonctionnement.
  2. Générateur de vapeur comportant un automate de combustion (110), une pompe alimentaire (120), un automate de régulation (13) caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de sécurité selon la revendication 1.
  3. Générateur de vapeur selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte :
    - un corps de chauffe (10) ;
    - un brûleur (11) commandé par l'automate de combustion (110) ;
    - une cuve d'eau (12) alimentaire alimentant le corps de chauffe (10), la pompe alimentaire (120) étant disposée entre ledit corps de chauffe et ladite cuve d'eau.
  4. Générateur de vapeur selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce que l'automate de régulation (13) agit sur l'automate de combustion (110) et sur la pompe alimentaire (120).
  5. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le générateur de vapeur est une chaudière.
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