Optimisations énergétiques sur un réseau vapeur

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1 Optimisations énergétiques sur un réseau vapeur

2 Table des Matières A. Utilisations de la vapeur et terminologie Chaleur latente,chaleur sensible La boucle vapeur Le prix de la vapeur B. Optimisation de la production vapeur C. Optimisation de la distribution vapeur D. Optimisation des consommateurs vapeur E. Optimisation du retour condensats

3 Les propriétés s physiques de la vapeur saturée La pression (P en bar ou en Pa) La température (t en C) L enthalpie (h en kj/kg) Le volume spécifique (v en m³/kg)

4 Température de Saturation Vapeur Température C pression bar (a)

5 Les propriétés s physiques de la vapeur saturée 1 kg d eau P = 0 barg (1 bar abs.) 0 barg t = 0 C h = 0 kj 1 kg d eau, 0 C, 0 kj kj

6 Les propriétés s physiques de la vapeur saturée Chaleur sensible : P = 0 barg t = 100 C h = 417 kj Liquide 0 barg 1 kg d eau, 100 C, 417 kj kj v = 0, m³/kg

7 Les propriétés s physiques de la vapeur saturée Chaleur latente : P = 0 barg t = 100 C h = 417 kj kj Gaz 0 barg 1 kg de vapeur, 100 C, kj v = 1,694 m³/kg Vaporisation Condensation

8 Ce qu il faut retenir La chaleur sensible c est l énergie qui fait varier la température de l eau sans en changer l état. La chaleur latente c est l énergie qui fait changer l état du corps sans modifier la température. C est lors de la condensation que la vapeur cède sa chaleur latente.

9 La vaporisation sous 10 barg 10 barg 1 kg d eau, 184 C, 778 kj 10 barg 1 kg de vapeur, 184 C, kj kj La température de vaporisation passe à 184 C et la chaleur sensible augmente jusqu à 778 kj. Il faut apporter 1998 kj pour vaporiser totalement 1 kg d eau.

10 Les variations d enthalpie en fonction de la pression Enthalpie kj kj kj kj kj kj 226 C 100 C 417 kj 184 C 781 kj 972 kj 0 barg 10 barg 25 barg Pression

11 La boucle vapeur Chaudière Vapeur Eau d appoint d 10 C Consommateurs vapeur Purge Vapeur Retour condensats 90 C Égouts

12 La vapeur: fluide cher! 1. Coût du gaz 1 tonne de vapeur à 10 bar : kj 0,5 tonne d eau à 10 C: 500*10*4.18 = kj 0,5 tonne d eau à 90 C: 500*90*4.18 = kj 50 % retour condensats Énergie nécessaire: kj = 713 kwh Rendement chaudière: 90% Énergie nécessaire: kj = 792 kwh PCI Énergie nécessaire: kj = 880 kwh PCS Prix du gaz: 0,018 EUR/kwh Prix: 880* = 15.8 /tonne

13 La vapeur: fluide cher! Prix de vapeur = f (% retour condensats) 20,00 19,00 Prix E/t 18,00 17,00 16,00 15,00 Euros/t 14,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Retour condensats

14 La vapeur: fluide cher! 2. Coût de l eau Eau traitée: 1 EUR/m³ 3. Autres: électricité, amortissement Coût moyen :15 /t - 20 /t

15 Production de vapeur = CO 2 Gaz naturel: 55,8 kg CO 2 / GJ primaire Gasoil: 73,3 kg CO 2 / GJ primaire Fuel extra-lourd: 76,6 kg CO 2 / GJ primaire Charbon: 92,7 kg CO 2 / GJ primaire Ex. 1 tonne de vapeur 10 bar [produite avec du gaz] Énergie: 2,852 GJ de Gaz Émissions: 160 kg de CO 2

16 La vapeur: fluide cher! Débit vapeur: 25 t/h Temps de fonctionnement: 8000 heures Production vapeur: tonnes/an Coût annuel: Émissions CO 2 : tonnes Important d optimiser sa production Important d optimiser son utilisation

17 Optimisation des réseaux vapeur Économies réalisables: r Entre 10 et 15% de la facture Économie Usine [25 t/h]: EUR/an

18 Optimisation de la boucle vapeur

19 B. LA PRODUCTION Chaudière Vapeur Eau d appoint d 10 C Consommateurs vapeur Purge Vapeur Retour condensats 90 C Égouts

20 Optimisations en chaufferie Production : 25 t/h Energie: GJ/an Cout: EUR/an 8000h/an

21 1. Installation d un d économiseur: 4% P f f = 3,6% fumées 120 C 105 C Économies: 4% sur le rendement Économies : EUR/an Investissements: max EUR Réduction cons. énergie: GJ/an Réduction CO 2 émissions: 1400 t 135 C fumées 210 C

22 2. Régulation R de l air l entrant: 3% Air CH 4 Chaudière 210 C CO 2 + H 2 O CH4 +2O 2 => CO 2 +2H 2 O

23 2. Régulation R de l air l entrant: 3% Le volume de l air l change avec les conditions météom La pression du gaz peut changer Le PCI du gaz change selon ses origines

24 2. Régulation R de l air l entrant: 3%

25 2. Régulation R de l air l entrant: 3% Air CH 4 Boiler 210 C CO 2 + H 2 O Économies: 3% sur le gaz Économies: EUR/an Investissements: max EUR CH4 +2O 2 => CO 2 +2H 2 O

26 3. Préchauffe de l air l de combustion: 0,5% Préchauffe: 5ºC5 Puissance nécessaire: n 30 kw (25 t/h) Économie annuelle: EUR/an Économies : 3200 GJ PCI/an Réduction émissions: 180 t CO 2 /an Économie: 0,5% sur le gaz

27 4. Réduire R la purge de chaudière Vapeur Chaudière consommateurs Purge Condensats Égouts Eau appoint

28 Taux de purge = f ( Retour condensats) Taux de Purge = Fonction du retour condensats Purge 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% Retour condensats

29 Réduction du taux de purge : 10 % a 2 % Économies : GJ/an Économie GAZ: EUR /an Économie EAU: EUR/an Émissions: 625 tonnes de CO 2 /an Économie 1,2 % sur facture totale

30 5.. Re-vaporiser la purge: 0,5 % Vapeur 25 t/h Chaudière Consommateurs 15% Vapeur Flash 80 kg/h Condensats 2% Purge: 0,5 t/h Condensats: 420 kg/h

31 Économies: EUR/an 2670 GJ PCI/an 149 tonnes de CO 2 0,2 bar 105 C

32 Économies en chaufferie Installation d un économiseur: 4 % gaz Régulation de la quantité d air entrant: 3% sur le gaz Préchauffer l air de combustion : 0,5 % sur le gaz Réduire la purge: 1,2 % sur le gaz Re-vaporiser la purge: 0,5 % sur le gaz TOTAL: 9 % d économie sur le gaz

33 C.LA DISTRIBUTION Chaudière Vapeur Eau d appoint d 10 C Consommateurs vapeur Purge Vapeur Retour condensats 90 C Égouts

34 Réduire pertes en ligne Recherche des pertes par thermographie

35

36 Fonctionnement des Soupapes

37 État du calorifuge

38 Calorifuge des chaudières

39 D.LA CONSOMMATION Chaudière Vapeur Eau d appoint d 10 C Consommateurs vapeur Purge Vapeur Retour condensats 90 C Égouts

40 1. Fonctionnement de échangeurs sous vide 3000 ch. Sensible ch. Latente total kj/kg pression

41 1. Fonctionnement de échangeurs basse pression 2900 ch. Sensible ch. Latente total kj/kg pression

42 1. Fonctionnement de échangeurs basse pression 5 bar: 1 bar Chaleur sensible : 640 kj/kg Chaleur Latente: 2107 kj/kg Total: 2747 kj/kg Chaleur sensible : 417 kj/kg Chaleur Latente: 2257 kj/kg Surchauffe: 73 kj/kg Total: 2747 kj/kg Détente Chaleur latente: kj +7%

43 1. Fonctionnement de échangeurs basse pression Vapeur 4 bar Vapeur 0.8 bar Échangeur Condensats 0.8 bar Pompe mécanique

44 E.RETOUR CONDENSATS Chaudière Vapeur Eau d appoint d 10 C Consommateurs vapeur Purge Vapeur Retour condensats 90 C Égouts

45 1. Récupérer vapeur de revaporisation Condensats 8 bar g température: C chaleur sensible: 742 kj/kg Flash: 742 kj/kg-418 kj/kg kj/kg = 14 % Condensats 0 bar g température: 100 C Chaleur sensible: 418 kj/kg Chaleur latente: 2257 kj/kg Vapeur : 8b Échangeur Condensats vers retour 8b purgeur 0b

46

47 1. Récupérer vapeur de revaporisation Vapeur : 8 bar g Flash: 742 kj/kg-418 kj/kg kj/kg = 14 % Échangeur Flash vers consommateur basse pression 0b 8 b purgeur Condensats vers retour

48 Où utiliser le Flash? Dans des consommateurs basse pression (chauffage eau, aérothermes)

49 Ex 2: Système à serpentins multiples

50 Ex 2: Système à serpentins multiples optimisé

51 Ex 3: Réinjecter R Vapeur dans réseau r basse pression Vapeur : 8b Flash: 742 kj/kg-604 kj/kg kj/kg = 6,5 % Échangeur 3b Vapeur 3 bar 8b purgeur 0 b 3b Condensats vers retour

52 2. Réduire R pertes des purgeurs But: Laisser passer les condensats Empêcher la vapeur de passer

53 Conduite vapeur Purges de ligne Purge de process

54 2. Réduire R pertes des purgeurs: 2% Purgeur en fuite : 5 à 20 kg/h de vapeur Remplacement : payback de 1 a 6 mois Ex: Usine de 300 purgeurs Taux de défectueux: d 10 % Purgeurs défectueux: d 30 purgeurs Perte de vapeur: 300 kg/h Perte financière: EUR/an Émissions CO 2 : 380 t /an

55 Calcul réel des pertes Armstrong SteamStar - Avantages Base de données comprenant plus de modèles de tous les fabricants mondiaux Facteurs Cv réels (basés sur la taille de l orifice) pour chaque modèle Plusieurs niveaux de fuites, ainsi que des facteurs de correction selon l application Calcul des pertes financières ( /an), de vapeur (kg/an), de combustible (kg/an) et de CO 2 (kg/an) (les formules de calcul utilisées sont les seules approuvés par le Comité Technique de l ONU)

56 Rapports détaillés Armstrong SteamStar - Avantages Plus de 30 informations «par défaut» par purgeur + 10 champs personnalisés Les rapports sont crées en temps réel Analyses par technologie de purgeur, par fabricant, par application et par type de défaillance (format PDF) Liste détaillée des purgeurs défaillants (format PDF) Liste détaillée des tous les purgeurs (format PDF ou Excel) Historique clair et facilement accessible pour chaque poste de purge

57 Armstrong SteamStar - Avantages Outils d analyse (seulement dans le package «Meilleures pratiques») Comparaison entre plusieurs sites par technologie de purgeur, par fabricant, par application et par type de défaillance Analyse des tendances (pertes) sur plusieurs années Calcul du retour sur investissement basé sur le coût du matériel et de la main d oeuvre Accessible Aucune installation, ni de mise à jour Site Internet accessible de n importe quel endroit à toute personne autorisée Disponible en 10 langues, dont les principales langues Européennes Sécurisé Protégé par mot de passe Plusieurs niveaux et droits d accès Le données appartiennent au client et la confidentialité est garantie

58 2. Augmenter le retour condensats Perte de condensats = Perte d argent Augmentation du retour condensats: 1. Moins de rejet a l él égout 2. Mois d eau d fraîche 3. Moins de traitement d eau 4. Moins de purge 5. Moins de combustible a la chaudière

59 3. Augmenter le retour condensats: 3% Société: 25 t/h t/an Coût annuel : EUR/an Retour condensats: 50% -> 70 % Augmentation : t/an Économie Gaz: EUR/an Économie Eau: EUR/an Économie Purge: EUR/an Réduction émissions: 868 tonnes de CO 2

60 Causes de non-retour de condensats 2.1 Condensats pollués 2.2 Pas de lignes de retour 2.3 Coups de bélier Dimensionner une ligne Trouver la cause 2.4 Contre pression trop élevée Réduire la contre-pression Vaincre la contre-pression

61 2.2 Dimensionner un retour Important de bien dimensionner le retour!! Il faut tenir compte de la revaporisation des condensats Erreur courante!: Dimensionner la conduite pour une vitesse d eau [ 2 m/s] Conséquences: Pressions trop élevées dans le retour condensats Mauvais fonctionnement des purgeurs Mauvais évacuation de condensats des équipements

62 2.2 Dimensionner un retour 2000 kg/h de condensats P1: 10 barg Diamètre?

63 2.2 Mauvais dimensionnement 10 bar 20 mm Débit: 2000 kg/h -> > 2 m 3 /h Vitesse : 2 m/s [ vitesse liquide] 0 bar

64 2.2 Dimensionnement correct Flash: 300 kg/h 480 m 3 /h Vitesse: 20 m/s [vitesse vapeur] Section: 0,046 m 2 Condensats: 1700 kg/h 1,7 m 3 /h Vitesse: 2 m/s [vitesse liquide] Section: 1, m 2 Diamètre: 90 mm

65 2.3 Résolution coups de bélier Apparition de coups de bélier mélange bi-phasique Conséquences: Destruction des joints Destruction des clapets anti-retour Destruction des purgeurs Danger

66 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats

67 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats METHODOLOGIE Prise de mesures afin de déterminer la source des coups de bélier Analyse des graphiques obtenus Étude des solutions permettant de résoudre les problèmes de coups de bélier

68 Installation des sondes Les coups de bélier sont ils dus à des différences de température? Sonde n 1-> 4 : Sondes de températures sur le collecteur retour condensats Le mélange est il bi-phasique? Sonde n 5 : Sonde de pression (0-1 bar) entre le col lecteur condensats et le tank à condensats. Quelle est la nature du mélange entrant dans le tank? Sonde n 6 : Sonde de température à l arrivée condensa ts dans le tank. Quels phénomènes sont responsables du coup de bélier? Sonde n 7-8: Détecteurs de coups de bélier

69 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats Sonde de température et coups de bélier b a l entrée e du tank

70 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats

71 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats tem peratures Vendredi 23/08/02 0:05:20 0:47:20 1:29:20 2:11:20 2:53:20 3:35:20 4:17:20 4:59:20 5:41:20 6:23:20 7:05:20 7:47:50 8:29:50 9:11:50 9:53:50 10:35:50 11:17:50 11:59:50 12:42:20 13:24:20 14:06:20 14:48:20 15:30:20 16:12:50 16:54:50 17:36:50 18:19:20 19:01:20 19:43:20 20:25:20 21:07:20 21:49:20 22:31:20 23:13:20 23:55:20 tem ps Graphique: températures sur collecteur retour condensat tem p5 tem p4 tem p2 C

72 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats temperatures Mercredi 21/08/ temp5 C temp Température condensats: zoom temp :00:00 18:07:12 18:14:24 18:21:36 18:28:48 18:36:00 18:43:12 18:50:24 temps

73 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats 21 aout 2002 (M ercredi P.M ) 16:00:00 16:30:00 17:00:00 17:30:00 18:00:00 18:30:00 19:00:00 19:30:00 20:00:00 20:30:00 21:00:00 21:30:00 22:00:00 22:30:00 23:00:00 23:30:00 00:00:00 tem ps Coups de bélier et pression sur collecteur condensats bar

74 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats 21 aout 2002 (Mercredi) 16:30:00 16:45:00 17:00:00 17:15:00 17:30:00 17:45:00 18:00:00 18:15:00 18:30:00 18:45:00 19:00:00 1. Chute de pression 2. Coups de bélier tem ps bar

75 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats 21 aout 2002 (Mercredi) bar :30:00 16:33:36 16:37:12 16:40:48 16:44:24 16:48:00 Commentaires: Chaque chute de pression ne provoque pas de coup de bélier (sensibilité) Différences de pression = mélange biphasique [6m = 0.6 b] 16:51:36 Coups de bélier dus à un retour condensats (6 m de chute?) temps 16:55:12 16:58:48 17:02:24 17:06:00 17:09:36 17:13:12 17:16:48

76 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats M e rc re d i 2 1 /08 / :21:55 16:32:05 16:42:45 16:53:35 17:03:45 17:15:05 17:25:05 17:35:25 17:45:15 17:56:25 18:06:45 18:18:05 18:30:35 18:44:25 19:01:45 19:15:45 19:26:55 19:39:45 19:50:35 20:02:35 20:13:45 20:25:45 20:36:55 20:48:35 20:58:45 21:09:55 21:19:55 21:31:15 21:42:05 21:52:55 22:05:35 22:17:15 22:27:35 22:40:35 22:54:05 23:05:55 23:20:15 23:32:15 23:44:05 tem p s temperature coups Température et coups de bélier au niveau siphon

77 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats M ercred i 21/08/ temperature coups :21:55 16:23:05 16:24:05 16:25:05 16:26:25 16:27:25 16:28:35 16:29:35 16:30:45 16:31:55 16:32:55 16:34:05 16:35:05 16:36:05 16:37:05 16:38:15 16:39:25 16:40:45 16:42:15 16:43:25 16:44:25 16:45:35 16:46:35 16:47:45 16:48:55 16:50:35 16:51:45 16:52:45 16:54:15 16:55:15 16:56:15 16:57:15 16:58:15 tem p s 1. Diminution de température 2. Coups de bélier

78 2.3 Vaincre la contre-pression: installation de pompes

79 2.3 Vaincre la contre-pression: installation de pompes

80 Résumé des économies Fonctionnement d un échangeur sous vide: 7 % gaz Utilisation de vapeur de revaporisation: 14% sur le gaz Diminuer pertes purgeurs : 2 % sur le gaz Augmenter retour condensats: 3 % sur le gaz

81 Patricia Provot Steam System Engineer Armstrong International

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