Guide technique. Réduction des fuites d'air comprimé

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1 Guide technique Réduction des fuites d'air comprimé

2 La mission première d'hydro-québec consiste à produire et à distribuer une énergie électrique fiable et économique tout en respectant l'environnement. Pour y parvenir, Hydro-Québec entend collaborer avec les entreprises commerciales, institutionnelles et industrielles. Cette collaboration permet aux consommateurs d'utiliser efficacement l'électricité, d'atteindre un meilleur rapport coûts-bénéfices et d'accroître leur rentabilité et leur compétitivité. Ce guide traite principalement de tous les aspects des fuites d'air comprimé. Pour plus de renseignements sur l'air comprimé en général, le lecteur pourra se référer au Guide technique - Systèmes de compression et de réfrigération. Avis Hydro-Québec publie ce guide à l'intention de sa clientèle industrielle. L'information qu'il contient provient de sources,diverses et fiables, mais ne saurait être exhaustive. Il existe probablement d'autres méthodes de mesure, de détection et de réduction des fuites d'air comprimé. Par ailleurs, la référence à un procédé ou à un produit n'est donnée qu'à titre indicatif et ne saurait engager la responsabilité d'hydro-québec ou de ses représentants. De même, Hydro-Québec, ses représentants et ses gestionnaires ne se portent pas garants du rendement des équipements et des appareils dont il est fait mention dans ce guide, ni des résultats obtenus à la suite d'un usage particulier. Pour faciliter la compréhension, les unités du système américain ont été utilisées plutôt que celles du système international. Le lecteur pourra, au besoin, consulter la table de conversion présentée en annexe.

3 Dans les usines, les pertes d'air comprimé constituent un problème connu de la plupart des industriels. Cependant, ceux-ci ignorent souvent les coûts liés à ces pertes. En effet, très peu d'usines utilisant de l'air comprimé tirent parti d'une méthode pour mesurer et contrôler les pertes causées par les fuites dans un réseau de distribution. Ce guide constitue un outil de gestion pour les utilisateurs d'air comprimé. On y décrit en détail les causes des fuites, les endroits où elles se produisent habituellement et les moyens de les colmater efficacement. Le gestionnaire pourra également s'y référer pour évaluer l'incidence financière des fuites sur le budget de son entreprise et pour calculer la période de recouvrement de l'investissement liée à la mise en place d'un programme d'entretien intégré. Les notions que contient ce guide sont d'ordre général, mais elles rendent compte de la situation dans la plupart des entreprises industrielles du Québec. Le lecteur ne doit toutefois pas perdre de vue que chaque usine peut présenter des problèmes particuliers de fuites d'air comprimé.

4 Avant-propos Avis Introduction Liste des figures Liste des tableaux SECTION Optimisation énergétique - Réduction des fuites d'air comprimé SECTION Définition d'une fuite d'air comprimé 2.1 Généralités Fuites causées par l'usure Mauvais usage de l'air comprimé... 4 SECTION Méthodes de mesure du débit de fuite d'air comprimé 3.1 Généralités Méthode par mesurage direct Méthode par mesurage indirect Méthode de mesurage par compensation Méthode par mesurage de la chute de pression...10 SECTION Méthodes de détection des fuites d'air comprimé 4.1 Conditions propices à la détection des fuites Méthode de détection par l'ouïe Méthode de détection par ultrasons...12 SECTION Objectifs à atteindre après le colmatage des fuites 5.1 Pourcentage de fuite avant les réparations et le colmatage Pourcentage de fuite après les réparations et le colmatage...14

5 SECTION Programme d'entretien préventif spécialement conçu pour la réduction des fuites 6.1 Généralités Fuites à colmater en priorité Programme type d'entretien préventif...16 SECTION Évaluation financière approximative des pertes causées par les fuites d'air comprimé 7.1 Établissement des pertes unitaires Évaluation du coût moyen de production de l'air comprimé Méthode d'évaluation des pertes financières associées aux fuites d'air comprimé...20 SECTION Calcul de la période de recouvrement de l'investissement lié au colmatage des fuites 8.1 Généralités Coût relatif de remplacement des accessoires d'air comprimé Détermination du coût réel du colmatage Période de recouvrement de l'investissement liée à l'élimination des mauvais usages de l'air comprimé...31 SECTION Annexes Annexe A - Table de conversion des unités...32 Annexe B - Bibliographie...33

6 2.1 Schéma d'un réseau de distribution d'air comprimé Mesure du débit de fuite d'air comprimé par la méthode de mesurage direct Mesure du débit de fuite d'air comprimé par la méthode de mesurage indirect Appareil type de détection des fuites par ultrasons Facteur de correction Kc pour des compresseurs alternatifs Facteur de correction Kc pour des compresseurs à vis Facteur de correction Kc pour des compresseurs centrifuges...24

7 7.1 Débit et coût annuel de l'air comprimé perdu en fuites Coût moyen de l'air comprimé par type de compresseurs Frais de remplacement des divers équipements d'air comprimé...30

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9 2.0 Définition d'une fuite d'air comprimé 2.1 Généralités Les fuites d'air comprimé sont fréquentes et d'origines diverses et ce, quel que soit le système d'air comprimé. En général, les pertes d'air comprimé imputables aux fuites représentent entre 20 et 40 de la demande maximale d'air comprimé d'un système. Cet écart important dépend de la configuration de chaque réseau et de l'entretien courant. L'usure des équipements et des accessoires ainsi que les mauvais usages de l'air comprimé constituent les causes principales des pertes d'air comprimé. 2.2 Fuites causées par l'usure L'usure d'un réseau et des équipements d'air comprimé est inévitable. On peut analyser le phénomène sous deux aspects, à savoir, les réseaux de distribution d'air principal et secondaire, et les raccords des divers équipements. Le réseau de distribution peut être configuré de différentes façons, mais, en général, la tuyauterie est reliée au moyen de raccords filetés ou soudés. Les raccords filetés donnent lieu à des fuites au cours des ans, en raison d'une perte graduelle d'étanchéité. Ces fuites sont habituellement moins importantes que celles qui se produisent aux raccords finaux. La corrosion peut également causer des fuites ; les tuyaux corrodés doivent être remplacés pour des raisons de sécurité et d'efficacité énergétique. La majorité des fuites surviennent aux raccords d'un équipement relié à un réseau principal de tuyauterie. La figure 2.1 représente le schéma d'un réseau type de distribution d'air comprimé et les endroits où les fuites sont le plus susceptibles de se produire. 2

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11 Tous ces accessoires comportent des joints d'étanchéité qui s'usent et laissent échapper de l'air (voir la figure 2.1, points 2 à 11 inclusivement). Les boyaux peuvent perforer ou se fendiller (points 6 et 8). Les ensembles filtre-régulateur et lubrificateur (points 4 et 5) sont susceptibles de fuir à plusieurs endroits, soit aux raccords filetés d'entrée-sortie ou de manomètre, au bol (qui peut se fissurer) et au drain (qui peut être usé). Quant aux raccords rapides (point 7), autant la partie mâle que la partie femelle, peuvent entraîner des fuites. Les joints d'étanchéité et les raccords de cylindres pneumatiques (point 12) sont susceptibles de fuir. Le risque de fuites sera d'autant plus élevé que la fréquence de fonctionnement du cylindre sera grande. En plus des endroits indiqués à la figure 2.1, des fuites se produisent couramment : au raccord entre un boyau et une tuyauterie réalisé au moyen d'une tige à barbillon et retenu par un collet de serrage ; aux raccords du type union entre deux tuyauteries. 2.3 Mauvais usage de l'air comprimé On peut regrouper, dans cette catégorie, tous les usages d'air comprimé non nécessaires à la production ainsi que les usages qui, modifiés, permettent de réduire la consommation d'air comprimé. Tout d'abord, les orifices ou les tuyaux ouverts qui servent à alimenter un procédé ou à effectuer un nettoyage : - Le débit d'air comprimé peut être réduit par l'utilisation de buses du type Venturi ou spécialement conçues pour réduire la consommation d'air comprimé sans diminuer l'efficacité de la production. - L'addition de soupapes solénoïdes sur le circuit d'alimentation d'air comprimé permet d'arrêter la consommation d'air comprimé lorsque le procédé est à l'arrêt. Si l'air comprimé continue de s'échapper d'un orifice alors que le procédé n'en requiert pas, cette consommation est une perte. - Dans certains cas, l'utilisation d'air comprimé peut être complètement éliminée et remplacée par un procédé électrique ou mécanique. Vient ensuite l'utilisation de soupapes laissées ouvertes pour effectuer la purge de réservoirs, de filtres ou de points bas de la tuyauterie. L'ajout de soupapes de drainage électrique ou de purgeurs d'eau spécialement conçus à cet effet permet de réduire considérablement la consommation d'air comprimé. Enfin, certains équipements d'air comprimé sont très énergivores comme les moteurs pneumatiques et les vérins à grand volume ou à cycle élevé. En ce qui concerne les moteurs pneumatiques, la première mesure à prendre consiste à réduire la pression d'admission de l'air comprimé. On doit ensuite se demander si chaque moteur pneumatique est absolument indispensable et s'il ne pourrait pas être remplacé par un moteur électrique ou hydraulique. Quant aux vérins à grand volume, la première mesure consiste à réduire la pression d'admission d'air comprimé ; la seconde, à modifier l'alimentation d'air comprimé pour que le vérin agisse selon deux pressions : une pression élevée pour le travail et une autre, plus faible, pour le retrait du vérin. Enfin, il faut également examiner le recours à un système hydraulique ou électrique pour effectuer les mêmes tâches. 4

12 3.0 Méthodes de mesure du débit de fuite d'air comprimé 3.1 Généralités La base d'un programme d'entretien efficace des réseaux de distribution d'air comprimé repose sur le mesurage Périodique du débit réel perdu en fuites. Plusieurs méthodes peuvent être employées. Leur application est fonction des conditions particulières d'un réseau de distribution. Les principales méthodes décrites dans ce guide sont les suivantes : Le mesurage direct ; Le mesurage indirect ; Le mesurage des périodes de fonctionnement de réseaux alimentés par des compresseurs, dont le mode de régulation est de type «tout ou rien», communément appelé méthode par compensation ; Le mesurage de la chute de pression. 3.2 Méthode par mesurage direct La méthode la plus simple consiste à utiliser un débitmètre installé directement dans la tuyauterie, en amont du réseau de distribution d'air comprimé. Il suffit de faire le relevé du débitmètre lorsque les équipements desservis par ce réseau de distribution sont à l'arrêt. Tout l'air comprimé consommé par le réseau à l'arrêt est perdu en fuites. Il faut cependant s'assurer que tous les équipements raccordés au réseau sont réellement à l'arrêt, sinon il faut en' tenir compte. Il faut également vérifier si le débitmètre est suffisamment précis pour répondre à la gamme de débits nécessaires à la mesure des fuites, comparativement à la gamme de mesures normales du débit à pleine production. Il faut enfin s'assurer que le débitmètre est étalonné pour tenir compte de la température et de la pression de l'air comprimé et corriger, au besoin, le relevé. Cette méthode, bien que simple, ne s'applique qu'aux systèmes d'air comprimé alimentés par des compresseurs n'employant pas le délestage comme mode de régulation, car il provoque des fluctuations importantes de débit. Si un système fait appel à des compresseurs avec délestage, la méthode directe peut être employée uniquement pour mesurer la demande normale d'ait comprimé. Pour le mesurage des fuites de ces systèmes, il faut avoir recours à la méthode par mesurage indirect. La figure 3.1 montre deux configurations permettant d'utiliser la méthode par mesurage direct : la première s'applique aux compresseurs sans délestage, tandis que la seconde, à ceux avec délestage. Cette dernière configuration combine deux méthodes de mesurage. 5

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14 3.3 Méthode par mesurage indirect En l'absence d'un débitmètre installé en permanence sur le réseau de distribution ou si la gamme de débits du débitmètre utilisé ne suffit pas, il est possible de relever le débit de fuite par mesurage indirect. Cette méthode consiste à installer temporairement un débitmètre qui permet de mesurer l'air comprimé débité par les compresseurs en dérivation, en amont du réseau de distribution d'air comprimé. Sommairement, il s'agit de calculer la différence entre les relevés pour deux conditions de fonctionnement données. Le premier relevé détermine le débit d'air comprimé fourni, par u ou plusieurs compresseurs à pleine charge, à une pression de refoulement donnée. Cette mesure s'effectue en isolant complètement le réseau de distribution d'air comprimé. Le second relevé détermine le débit d'air comprimé aux mêmes conditions de pression, mais, cette fois, le réseau de distribution est alimenté et les équipements raccordés au réseau sont à l'arrêt. La différence entre les deux relevés correspond au débit de fuite dans le réseau de distribution d'air comprimé. Comme dans le cas du mesurage direct, il faut s'assurer que tous les équipements raccordés sont réellement à l'arrêt et compenser, s'il y a lieu. Il faut utiliser un débitmètre d'une précision d'au moins 3 % pour les relevés à effectuer et s'assurer de corriger les relevés pour tenir compte de la pression et de la température de l'air comprimé. Il est possible d'utiliser des équipements installés en permanence pour effectuer ce type de mesurage. La figure 3.2 illustre la configuration requise pour mesurer le débit de fuite par mesurage indirect. 7

15 EXEMPLE 3.1 Détermination du débit et du pourcentage défaite par mesurage indirect Une entreprise utilisant trois compresseurs d'air identiques mesure les fuites par mesurage indirect à l'aide d'un débitmètre installé en dérivation. L'installation est conforme à celle représentée à la figure 3.2. Voici les résultats des essais : a) Lorsque le robinet Vl est complètement fermé, le relevé du débitmètre (D) égale 520 SCFM quand la pression au point 1 se situe à 100 psig. Cette valeur représente le débit total d'un compresseur. b) À l'ouverture du robinet Vl (pendant un arrêt de production de l'usine), on règle le robinet V2 pour maintenir une pression au point 1 à 100 psig. Après stabilisation du système, le relevé du débitmètre (D) indique 130 SCFM. c) Les pertes causées par les fuites se calculent en établissant la différence entre les deux relevés précédents, dans ce cas Valeurs mesurées Débit de fuite 520 SCFM SCFM = 390 SCFM d) La demande maximale d'air comprimé de cette usine a été préalablement établie à deux compresseurs à pleine charge et à un compresseur à demicharge. D'où Demande maximale 2,5 X 520 SCFM = 1300 SCFM e) Le pourcentage de fuite par rapport à la demande maximale d'air comprimé s'élève donc à : 390 SCFM X 100 % = 30 % de fuites SCFM 8

16 3.4 Méthode de mesurage par compensation Dans le cas d'un réseau de distribution alimenté par des équipements de compression dont le mode de régulation est du type «tout ou rien», il est possible d'évaluer le débit de fuite uniquement à partir de la période de fonctionnement en charge. Cette méthode s'apparente au mesurage direct, mais pour évaluer le débit de fuite, on mesure le temps de charge selon un cycle complet de fonctionnement d'un compresseur (un cycle complet égale le temps de charge auquel on ajoute le temps sans charge). On peut alors évaluer le débit en s'appuyant sur le débit nominal du compresseur utilisé pour l'essai. Les résultats seront d'autant plus précis que le débit nominal est fiable et représentatif des conditions de l'essai. Il va de soi que toutes les restrictions dont il faut tenir compte pour les autres méthodes s'appliquent également à la méthode de mesurage par compensation. EXEMPLE 3.2 Détermination du~ débit de fuite par compensation Une entreprise exploite un système d'air comprimé alimenté par un seul compresseur doté d'un système de régulation du type «tout ou rien». La capacité nominale du compresseur telle qu'elle a été établie par le fabricant est de 900 SCFM à 100 psig. 9

17 Au cours d'un arrêt de production de l'usine, on évalue les fuites du réseau en mesurant le cycle de fonctionnement du compresseur. Les résultats suivants représentent la moyenne de trois relevés consécutifs : Période de fonctionnement avec le compresseur en charge : 30 secondes Période de fonctionnement avec le compresseur délesté à 100 %: 78 secondes Un cycle complet de fonctionnement est égal à la somme des deux périodes mesurées, soit 108 secondes. Le débit de fuite peut être évalué en déterminant le rapport entre le temps en charge et le cycle complet. Débit de fuite = Temps en charge (s) Temps d'un cycle complet (s) X Débit nominal du compresseur Débit de fuite = 30 s 108 s X 900 SCFM = 250 SCFM 3.5 Méthode par mesurage de la chute de pression Cette méthode peut être utilisée uniquement lorsqu'il est possible d'évaluer le volume total du système d'air comprimé avec une précision au moins égale à celle à laquelle on désire évaluer les fuites. Cette méthode ne s'applique donc qu'aux petits réseaux de distribution desservant un nombre restreint d'équipements. On obtient cette mesure en calculant le temps nécessaire pour que la pression du réseau de distribution passe d'une pression initiale (P1) à une pression finale (P2), alors que les équipements raccordés et les compresseurs sont à l'arrêt. Cette méthode ne fournit pas de résultats précis et doit être utilisée pour évaluer sommairement les fuites dans un système. EXEMPLE 3.3 Détermination du débit de fuite par le calcul de la chute de pression Le volume total d'un petit réseau de distribution d'air comprimé est évalué comme suit a) Volume du réservoir d'air comprimé 32 pi3 b) Volume du réseau de distribution d'air comprimé 43 pi3 c) Volume des cylindres et autres équipements à l'arrêt 2 pi3 Volume total 77 pi3 10

18 Pendant un arrêt de production de l'usine ou d'une section de l'usine, on mesure les variations de pression au réservoir d'air afin d'évaluer les fuites dans le système. Tout d'abord, on pressurise le système jusqu'à 120 psig (Pl). Le compresseur est alors arrêté. On mesure une période de 90 secondes afin que la pression atteigne 100 psig (P2). Le débit de fuite peut alors se calculer comme suit Volume du système (pi3) X (Pl-P2) (psi) Débit de fuite (SCFM) = Période de dépressurisation de P1 à P2 (min.) X 14,7 psi et dans le présent exemple : 77 Pi3 X 20 psi Débit de fuite = = 70 SCFM 1,5 minute X 14,7 psi 11

19 4.0 Méthodes de détection des fuites d'air comprimé 4.1 Conditions propices à la détection des fuites La détection des fuites s'effectue beaucoup plus facilement pendant un arrêt de production d'une usine, principalement en raison de l'absence de bruit de fond qui, autrement, pourrait masquer le sifflement causé par les fuites. Il est aussi facile de déterminer les endroits où l'air comprimé est utilisé sans interruption. Il est également important que le personnel affecté à la détection sache quels sont les endroits stratégiques à inspecter et puisse décider si la fuite doit être colmatée sur-lechamp. La détection doit se faire de façon efficace puisque le temps d'arrêt de production des usines est en général limité. Le personnel doit donc être en mesure de consacrer le temps disponible à détecter les fuites principales et à effectuer les réparations possibles. Il existe deux méthodes de détection des fuites 1. La méthode de détection par l'ouïe ; 2. La méthode de détection par ultrasons. 4.2 Méthode de détection par l'ouïe La méthode de détection par l'ouïe est simple. En général, une fuite audible est suffisamment importante pour nécessiter un colmatage. Normalement, plus le sifflement produit par la fuite est élevé, plus le débit est important, bien qu'il n'y ait pas de relation proportionnelle entre le bruit et le débit. Cette méthode est d'autant plus efficace que le bruit de fond de l'usine est considérablement réduit au moment de la détection. Il suffit alors de se déplacer d'un équipement à l'autre tout en étant attentif aux sifflements. Dès qu'une fuite est détectée par l'ouïe, il faut la localiser afin d'en déterminer la nature et de décider de la mesure à prendre. Bien souvent, certaines fuites peuvent être réparées surle-champ en resserrant, par exemple, le collier de serrage d'un boyau d'air comprimé. 4.3 Méthode de détection par ultrasons La figure 4.1 montre un appareil spécialement conçu pour détecter des fuites en amplifiant les ultrasons qu'elles produisent. 12

20 Cette méthode de détection est plus coûteuse à cause du prix d'achat ou des frais de location d'un détecteur à ultrasons, mais elle est cependant nettement plus précise que la méthode par l'ouïe. Elle permet de détecter les fuites (malgré un bruit de fond élevé) et d'examiner la tuyauterie ou les équipements éloignés pour lesquels une détection par l'ouïe est impossible. La méthode par ultrasons permet de détecter pratiquement toutes les fuites d'un système, même celles que l'on n'entend pas pendant un arrêt de production. Ce détecteur étant très sensible, il permet de repérer des fuites aussi faibles que 0,1 CFM qui, la plupart du temps, ne valent pas la peine d'être colmatées. Il faut utiliser cet instrument avec discernement, car tous les ultrasons, engendrés tant par la tuyauterie d'un réseau de distribution de vapeur que par un boîtier d'engrenage en marche ou un roulement défectueux, sont détectés et produisent le même effet qu'une fuite d'air comprimé. Cette méthode de détection n'est donc pas d'une absolue nécessité dans un programme d'entretien préventif. Elle permet cependant de simplifier la tâche et d'effectuer une détection plus poussée qu'avec la méthode de détection par l'ouïe. 13

21 5.0 Objectifs à atteindre après le colmatage des fuites 5.1 Pourcentage de fuite avant les réparations et le colmatage Au moment de la mesure initiale du débit de fuite, on en détermine le pourcentage en fonction de la demande maximale du système. Cette valeur indique l'état général du réseau de distribution mesuré et l'envergure des travaux d'entretien à entreprendre. On utilise la demande maximale d'un système plutôt que la capacité totale des compresseurs d'un système ; le pourcentage ainsi établi est plus représentatif de la réalité. Il est possible que des réseaux ne présentent qu'environ 10 % de fuites bien que la moyenne oscille entre 20 et 40 %. La complexité du réseau, son étendue et le diamètre des raccords utilisés sont des facteurs qui influent autant sur ce pourcentage que l'entretien normal du réseau. 5.2 Pourcentage de fuite après les réparations et le colmatage Lors de la mesure initiale du débit de fuite, on détermine un pourcentage optimal de fuite par rapport à la demande maximale du système ; ce pourcentage devrait être atteint après le colmatage effectué dans le cadre d'un programme d'entretien préventif approprié. Cette valeur n'est pas absolue ; c'est une valeur cible qui est déterminée cas par cas selon les critères suivants : Le pourcentage initial de fuite mesuré ; Le type de fuites initialement détectées ; La complexité du réseau de distribution ; L'étendue du réseau de distribution ; L'état général des installations de l'usine ; L'entretien du réseau avant la mesure initiale des fuites. Prenons comme repère qu'il est normalement possible de réduire environ de moitié les fuites détectées au cours de la mesure initiale dans les réseaux qui ne font pas l'objet d'un entretien particulier. 14

22 6.0 Programme d'entretien préventif spécialement conçu pour la réduction des fuites 6.1 Généralités Il arrive fréquemment, dans le secteur industriel, que l'entretien courant se résume à réparer une fuite en cas d'urgence, c'est-à-dire lorsque le rendement de l'équipement tombe sous la normale à cause de cette fuite ou lorsque le sifflement dérange les travailleurs. Le programme d'entretien préventif proposé est nettement plus efficace et tient compte du facteur de rentabilité des opérations d'entretien d'une entreprise. 6.2 Fuites à colmater en priorité Il est évidemment impossible d'éliminer complètement les fuites dans un réseau d'air comprimé. Il faut donc, avant d'entreprendre le colmatage, bien distinguer la distribution des fuites dans un réseau et être en mesure de déterminer celles qui doivent être colmatées. Tout d'abord, il faut tenir compte du fait que la personne responsable de la détection des fuites n'effectuera pas un calcul de rentabilité pour chaque fuite avant de déterminer si elle doit en recommander la réparation. Il faut donc établir une ligne directrice facile à suivre afin d'éviter la confusion et de simplifier l'entretien. On peut diviser les fuites courantes en quatre catégories en se basant sur le débit de fuite. 1. Les microfuites Ces fuites sont généralement inaudibles, mais elles peuvent être détectées par ultrasons. Le débit d'air comprimé se situe sous 0,5 SCFM. 2. Les fuites mineures Ces fuites se situent à la limite de la détection auditive et présentent un débit de plus de 0,5 SCFM, sans toutefois dépasser 4 SCFM (par exemple, un orifice d'environ 1/16 de pouce de diamètre). 3. Les fuites moyennes Ces fuites produisent un sifflement important pouvant s'entendre à plusieurs dizaines de pieds. Le débit peut atteindre environ 15 SCFM (par exemple, un orifice d'environ 1/8 de pouce de diamètre). 4. Les fuites importantes Ces fuites produisent un bruit considérable et peuvent se détecter très facilement. Le débit d'air fuyant dépasse les 15 SCFM. En général, le réseau d'une usine présente surtout des microfuites soit, de 50 à 70 % du nombre total des fuites détectables. La majorité de ces fuites n'ont pas besoin d'être colmatées et ne justifient pas le remplacement d'un équipement. On doit suivre l'évolution de ces fuites et intervenir lorsqu'elles atteignent environ 0,5 SCFM. Il ne faut cependant pas négliger les fuites qu'on peut éliminer seulement en resserrant un collier de serrage au moment de la détection. Les fuites mineures comptent pour 30 à 40 % environ des fuites détectables. Normalement, de 30 à 50 % de ces fuites présentent un débit suffisant pour justifier une réparation, sauf s'il faut modifier considérablement la tuyauterie ou remplacer des équipements coûteux qui demandent un arrêt dé production prolongé. Il faut se concentrer sur les boyaux perforés, les raccords rapides, les régulateurs défectueux, etc. 15

23 Les fuites moyennes représentent moins de 10 % du total des fuites détectables d'un réseau et doivent être colmatées. Quant aux fuites importantes, on peut en retrouver une ou deux par usine. Elles doivent être colmatées en priorité. Ces indications sont sujettes à interprétation, car il est normalement impossible de mesurer le débit propre à chaque fuite. Pour pallier cette lacune, il est conseillé de toujours faire appel à la même équipe de détection et de colmatage, car le personnel est plus à même d'assurer un suivi et de décider des fuites à colmater. 6.3 Programme type d'entretien préventif Le programme d'entretien préventif proposé permettra de réduire et de contrôler les fuites tout en minimisant les coûts connexes. L'entretien d'un réseau de distribution d'air comprimé entraîne des frais de main-d'oeuvre et de remplacement d'équipements et d'accessoires. On peut tenter de réduire les frais de main-d'oeuvre selon les principes suivants : Le colmatage isolé des fuites mineures est coûteux. Ainsi, les coûts inhérents à la commande, à la réception, au stockage, à la reprise et à la réparation d'une pièce unique représentent de quatre à six heures-personnes. Le colmatage des fuites est moins coûteux si le préposé à l'entretien a en main un stock de pièces. Ainsi, il peut effectuer plusieurs réparations similaires pendant un même quart de travail. Le temps réel nécessaire aux changements de boyaux ou de raccords rapides peut être réduit à moins d'une demi-heure par pièce. Un employé habilité à accomplir une tâche routinière est beaucoup plus efficace que celui qui l'effectue rarement. Le premier point du programme d'entretien préventif est donc le suivant Faire appel à du personnel formé pour effectuer ces tâches. La première étape du programme consiste à mesurer le débit d'air comprimé perdu en fuites. La seconde étape vise une détection minutieuse des fuites du réseau de distribution. Au moment de cette première détection, les fuites qu'on doit réparer sont clairement déterminées. La troisième étape exige le recours à une équipe de réparation, idéalement celle qui a procédé à la détection. Cette équipe doit posséder tout l'outillage et les pièces nécessaires pour effectuer les réparations sur-le-champ. À la suite de la première ronde de colmatage et au moment du prochain arrêt de production, il faudra mesurer de nouveau le débit de fuite dans le système afin de comparer la mesure obtenue au débit initial et à l'objectif visé. Cette comparaison fournit un repère valable pour déterminer l'efficacité du colmatage effectué et le taux de rendement en fonction de l'objectif visé et atteint. On procède ensuite à une seconde détection et au colmatage des fuites jugées trop importantes. Après plusieurs interventions, on obtient un pourcentage d'équilibre du débit de fuite qui doit être vérifié afin de déterminer si le degré de rentabilité souhaité a réellement été atteint. 16

24 Par la suite, on effectue; à intervalles, une mesure et une détection des fuites afin de maintenir le débit de fuite à son point d'équilibre. Il ne faut pas oublier que les fuites réapparaissent continuellement. Un relâchement de quelques mois de l'entretien fait grimper le débit de fuite au-dessus du niveau souhaité. Il faut alors le ramener à un niveau plus acceptable. Si, entre les activités normales de détection et de colmatage, le personnel affecté à l'exploitation repère une fuite, celle-ci doit être étiquetée afin de faciliter la tâche de l'équipe de détection. Cette fuite doit être réparée dans les plus brefs délais si elle est importante ou si elle nuit au fonctionnement du procédé. Un boyau sectionné ou perforé (orifice de plus de 1/8 de pouce de diamètre) est un bon exemple de fuite qui nécessite une intervention immédiate. 17

25 7.0 Évaluation financière approximative des pertes causées par les fuites d'air comprimé 7.1 Établissement des pertes unitaires Bien qu'il soit souvent très difficile d'évaluer le débit propre à une fuite, il est intéressant de quantifier l'air qui peut s'échapper d'un orifice dans un réseau maintenu à une pression de 100 psig. Le tableau 7.1 donne un aperçu des données et du coût de la production d'air comprimé selon un coût moyen de 0,59 $/h/100 SCFM (en 1994). On établit le coût annuel en tenant compte d'un fonctionnement de heures, soit un réseau maintenu continuellement sous pression 355 jours par an. Ces coûts ne tiennent pas compte du mode de régulation des compresseurs pour alimenter le réseau. On remarque que les coûts associés à un seul orifice d'importance sont très élevés. 18

26 7.2 Évaluation du coût moyen de production de l'air comprimé Afin d'évaluer les pertes d'énergie et financières entraînées par les fuites d'air comprimé, il faut établir les points suivants La consommation d'électricité des compresseurs avant les réparations et le colmatage des fuites ; La consommation d'électricité prévue après que l'objectif de réduction a été atteint ; Le cycle de fonctionnement initial du ou des compresseurs ; Le type de compresseurs et le mode de régulation du débit ; Le coût de l'électricité. Les valeurs figurant au tableau 7.2 indiquent la puissance unitaire de différents types de compresseurs et les coût$ moyens de production d'air comprimé (1994). Ces valeurs moyennes s'appliquent à des compresseurs n'ayant subi aucune usure. On établit les coûts unitaires en tenant compte d'un prix moyen de l'électricité à différents tarifs, soit Dans les calculs de consommation d'électricité, il est important d'utiliser les valeurs moyennes de la puissance absorbée par les moteurs. Ces valeurs tiennent compte des facteurs de correction liés au rendement du moteur des compresseurs et des rapports de charge de compression. 19

27 7.3 Méthode d'évaluation des pertes financières associées aux fuites d'air comprimé Cette méthode d'évaluation est basée sur les résultats de la mesure du débit de fuite et des principales caractéristiques d'un système d'air comprimé. La méthode proposée comporte cinq étapes distinctes. Première étape Calcul des fuites qui seront potentiellement éliminées par le colmatage ( VIC). Cette réduction du débit volumétrique d'air comprimé à produire, se calcule à partir des données obtenues à la suite des mesures suivantes : - Débit de fuite mesuré au moment du test initial (Vi) en SCFM ; - Pourcentage de fuite par rapport à la demande maximale déterminée pendant le mesurage initial (% Fi) en % ; - Pourcentage de fuite par rapport à la demande maximale cible, soit le pourcentage visé après les opérations de colmatage (% Fc) en %. Deuxième étape Détermination de la différence de puissance absorbée nominale ( Pm) à la suite de la réduction des fuites d'une quantité Vic. Ce calcul s'effectue selon le type de compresseurs utilisés pour alimenter le réseau. En consultant le tableau 7.2, on peut calculer la puissance absorbée unitaire ( Pmu) par 100 SCFM d'air comprimé pour chaque type de compresseurs. La formule utilisée est la suivante : Troisième étape Détermination du facteur de correction (Kc) qui tient compte du mode de régulation du compresseur et de la variation du rendement du moteur en fonction du débit volumétrique. Ce facteur de correction est fonction du type de compresseurs et de son mode de régulation ainsi que du pourcentage de réduction de puissance calculé (% Red Pm). 20

28 À défaut d'une valeur précise, on peut supposer que ηm = 0,92. Par la suite, à la figure 7.1, 7.2 ou 7.3, suivant le type de compresseurs, on détermine Kc en fonction du % Red Pm calculé. Quatrième étape Calcul de la réduction de puissance absorbée réelle ( Pr pour le cas étudié). Ce calcul s'effectue à l'aide de la formule suivante Cinquième étape Évaluation du coût annuel (Ca) des fuites ($/an). Cette évaluation est basée sur tous les calculs précédents et représente la perte financière qui pourra être éliminée en ramenant le débit de fuite initial (% Fi) à la valeur cible (% Fc). Elle représente également le coût d'une puissance Pr pour une année d'exploitation du système. Cette évaluation est basée sur les valeurs suivantes - Le nombre d'heures de fonctionnement par an (h) du compresseur ; - Le coût moyen de D'électricité en $/kwh. La formule utilisée est la suivante La valeur obtenue à l'aide de cette méthode est approximative et représente une valeur moyenne. Si des essais de rendement permettaient d'obtenir des données plus précises ou si le facteur d'utilisation des compresseurs est connu, ces valeurs devraient être utilisées pour obtenir un coût plus précis. 21

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31 EXEMPLE 7.1 Réduction des fuites dans un système utilisant un compresseur alternatif Données du problème À la suite d'une mesure initiale des fuites, on obtient les valeurs suivantes Débit de fuite mesuré : 290 SCFM Pourcentage de fuite par rapport à la demande maximale du système : 29 % Pourcentage de fuite par rapport à la demande maximale visée après le colmatage : 15 % 24

32 De plus, lors de cette mesure, les caractéristiques du système ont été notées : Type de compresseur : alternatif Mode de régulation : à 5 niveaux de charge Puissance nominale du moteur : 200 HP Nombre d'heures de fonctionnement par an du compresseur : heures Prix moyen de l'électricité en 1994 (tarif M) : 0,0538 $/kwh On évalue ensuite le coût annuel de l'électricité qui est évité si le pourcentage de fuite, après colmatage, atteint 15 %. Évaluation 25

33 On obtient: (Données de 1994) Ca = 18,4 kw X h/an X 0,0538 $/kwh = $/an Ainsi, le coût annuel des fuites, qui peut être évité grâce au colmatage, s'élève à $. EXEMPLE 7.2 Réduction des fuites dans un système utilisant sept compresseurs à vis lubrifiés Données du problème A la suite d'une mesure initiale des fuites, on obtient les valeurs suivantes Débit de fuite mesuré : SCFM Pourcentage de fuite par rapport à la demande maximale du système : 36 % Pourcentage de fuite par rapport à la demande maximale visée après le colmatage : 18 % De plus, lors de cette mesure, les caractéristiques du système ont été notées Type de compresseurs : à vis lubrifié Mode de régulation : laminage à l'aspiration Puissance nominale des moteurs : 300 HP (tous identiques) Nombre d'heures de fonctionnement par an des compresseurs : heures (marche ininterrompue) Prix moyen de l'électricité en 1994 (tarif L) : 0,0386 $/kwh On évalue ensuite le coût annuel de l'électricité qui peut être évité si le pourcentage de fuite, après colmatage, atteint l'objectif visé, soit 18 %. 26

34 Comme cette valeur est supérieure à 100 %, elle indique qu'il est possible d'arrêter complètement un compresseur à la suite de la réduction des fuites et que la puissance du sixième compresseur est réduite pour tenir compte de la différence. Le % Red Pm s'appliquant au sixième compresseur sera donc Red Pm 6 = 120 % % = 20 % A la figure 7.2, pour un % Red Pm de 20 % sur la courbe Kcl, on obtient: Kc = 0,37 27

35 4) Comme le septième compresseur peut être complètement arrêté, on considère que la puissance totale est économisée. Dans le cas du sixième compresseur, on évalue la réduction de puissance selon la méthode courante. D'où On obtient (Données de 1994) Ca = 255,2 kw X h/an X 0,0386 $/kwh = $/an Ainsi, le coût annuel des fuites, qui peut être évité grâce au colmatage, s'élève à $. 28

36 8.0 Calcul de la période de recouvrement de l'investissement lié au colmatage des fuites 8.1 Généralités Comme nous l'avons indiqué précédemment, il est souvent très difficile de mesurer le débit lié à une seule fuite, ce qui complique le calcul de la période de recouvrement de l'investissement (PRI) liée au colmatage des fuites. On peut cependant évaluer la PRI de deux façons. La première consiste à associer les frais de remplacement d'accessoires aux coûts entraînés par la fuite correspondante. La deuxième façon est de déterminer les coûts réels de colmatage d'un système entre deux débits de fuite différents. 8.2 Coût relatif de remplacement des accessoires d'air comprimé Lorsqu'on procède à la planification du colmatage des fuites, il importe de connaître les frais de remplacement des accessoires visés et le débit de fuite équivalent. Le tableau 8.1 résume le coût des pièces et les frais de main-d'oeuvre nécessaires pour les remplacer ( données de 1994). On peut ainsi comparer le coût annuel du débit d'air perdu en fuites et les frais de remplacement d'un accessoire. Les données du tableau 8.1 indiquent le prix de détail maximal d'équipements d'excellente qualité, sans rabais et avant, taxes. Le prix de détail peut varier à la baisse en fonction du rabais et de la qualité des équipements. Quant aux frais de maind'oeuvre, on les évalue en supposant que le personnel employé pour le colmatage est qualifié et qu'il effectue plusieurs réparations similaires par quart de travail. 29

37 Note: Données de EXEMPLE 8.1 Évaluation de la période de recouvrement de l'investissement nécessaire au remplacement d'un boyau hélicoïdal Au cours de la détection des fuites, on localise une fuite sur un boyau hélicoïdal de 3/8 de po sur 25 pi de longueur qui alimente un outil à air comprimé. Ce boyau est sectionné tout près du raccord. On évalue le débit de la fuite à 4 SCFM ou plus, ce qui correspond à un orifice de 1/16 de po de diamètre. 30

38 Quelle sera la période de recouvrement de l'investissement si l'on remplace le boyau endommagé? Le tableau 8.1 indique les frais de remplacement pour ce type de boyau (pièces et maind'ceuvre), soit 54 $. Comme le système est pressurisé à 100 psig et qu'il fonctionne heures par année, le coût annuel de la fuite est évalué à 199 $ comme l'indique le tableau 7.1. La période de recouvrement de l'investissement est donc 8.3 Détermination du coût réel du colmatage La méthode de calcul la plus sûre consiste à déterminer quel a été le coût réel des opérations de colmatage d'un système. Elle permet de vérifier les estimations de périodes de recouvrement de l'investissement qui ont été faites avant les réparations. Il suffit de comptabiliser le coût du colmatage (pièces et main-d'oeuvre) entre deux débits de fuite d'un système et les économies d'énergie réalisées grâce à la méthode décrite à la section 7 de ce guide. 8.4 Période de recouvrement de l'investissement liée à l'élimination des mauvais usages d'air comprimé Le calcul de la période de recouvrement de l'investissement liée aux mauvais usages de l'air comprimé est beaucoup plus simple et précis. Après avoir déterminé un mauvais usage d'air comprimé, on choisit l'équipement ou le procédé de remplacement. Il est alors possible d'évaluer le débit d'air comprimé pouvant ainsi être économisé. Dans le cas d'équipements spécialisés comme les soufflettes, les buses du type Venturi ou les couteaux d'air, les données de chaque fabricant peuvent être utilisées pour effectuer cette évaluation. Lorsqu'on connaît le prix des équipements et le débit d'air comprimé économisé, il est simple de calculer la PRI selon la méthode utilisée pour le colmatage. 31

39 32

40 Annexe B - Bibliographie AGENCE POUR LES ÉCONOMIES D'ÉNERGIE, Production et distribution des fluides de travail, Paris, Collection Économies d'énergie, 48 p. AMERICAN SOCIETY 0F MECHANICAL ENGINEERS, Displacement Compressors, Vacuum Pumps and Blowers, Performance Test Codes (ASME PTC 9), ASME, New York, 1970, 41 p. AMERICAN SOCIETY 0F MECHANICAL ENGINEERS, Compressors and Exhausters Power Test Codes (ASME PTC 10), ASME, New York, 1974, 83 p. ATLAS COPCO, Atlas Copco Manual, Atlas Copcoo, Stockholm, 1978, 591 p. COMPRESSED AIR AND GAS INSTITUTE, Compressed Air and Gas Handbook, CAGI, New York, HYDRAULICS AND PNEUMATICS, Choosing Energy-Saving Components for Industrial Compressed Air Systems, Hydraulics and Pneumatics, October INGERSOLL-RAND COMPANY, Compressed Air and Gas Data, 3rd Edition, A.W. Loomis Editor, New jersey, 1980, 760 p. KUSS, G.E, Une hémorragie permanente d'énergie: les fuites d'air comprimé. «Le Québec Industriel», janvier 1975, p TALBOTF, E.M., Compressed Air Systems, A Guidebook on Energy and Cost Savings, Fairmont Press Inc., Atlanta, 1986,183 p. 33

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