Optimisations énergétiques sur un réseau vapeur
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
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)
Température de Saturation Vapeur 201 181 Température C 161 141 121 101 81 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 pression bar (a)
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 + 417 kj
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 + 2 258 kj v = 0,001044 m³/kg
Les propriétés s physiques de la vapeur saturée Chaleur latente : P = 0 barg t = 100 C h = 417 kj + 2 258 kj Gaz 0 barg 1 kg de vapeur, 100 C, 2 675 kj v = 1,694 m³/kg Vaporisation Condensation
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.
La vaporisation sous 10 barg 10 barg 1 kg d eau, 184 C, 778 kj 10 barg 1 kg de vapeur, 184 C, 2 776 kj + 1 998 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.
Les variations d enthalpie en fonction de la pression Enthalpie 2 675 kj 2 780 kj 2 802 kj 2 258 kj 1 999 kj 1 830 kj 226 C 100 C 417 kj 184 C 781 kj 972 kj 0 barg 10 barg 25 barg Pression
La boucle vapeur Chaudière Vapeur Eau d appoint d 10 C Consommateurs vapeur Purge Vapeur Retour condensats 90 C Égouts
La vapeur: fluide cher! 1. Coût du gaz 1 tonne de vapeur à 10 bar : 2 776 000 kj 0,5 tonne d eau à 10 C: 500*10*4.18 = 20 900 kj 0,5 tonne d eau à 90 C: 500*90*4.18 = 188 100 kj 50 % retour condensats Énergie nécessaire: 2 567 000 kj = 713 kwh Rendement chaudière: 90% Énergie nécessaire: 2 852 000 kj = 792 kwh PCI Énergie nécessaire: 3 169 000kj = 880 kwh PCS Prix du gaz: 0,018 EUR/kwh Prix: 880* 0.018 = 15.8 /tonne
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
La vapeur: fluide cher! 2. Coût de l eau Eau traitée: 1 EUR/m³ 3. Autres: électricité, amortissement Coût moyen :15 /t - 20 /t
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
La vapeur: fluide cher! Débit vapeur: 25 t/h Temps de fonctionnement: 8000 heures Production vapeur: 200 000 tonnes/an Coût annuel: 3 360 000 Émissions CO 2 : 32 000 tonnes Important d optimiser sa production Important d optimiser son utilisation
Optimisation des réseaux vapeur Économies réalisables: r Entre 10 et 15% de la facture Économie Usine [25 t/h]: 500 000 EUR/an
Optimisation de la boucle vapeur
B. LA PRODUCTION Chaudière Vapeur Eau d appoint d 10 C Consommateurs vapeur Purge Vapeur Retour condensats 90 C Égouts
Optimisations en chaufferie Production : 25 t/h Energie: 628 000 GJ/an Cout: 3 340 000 EUR/an 8000h/an
1. Installation d un d économiseur: 4% P f f = 3,6% fumées 120 C 105 C Économies: 4% sur le rendement Économies : 125 000 EUR/an Investissements: max. 50 000 EUR Réduction cons. énergie: 25 000 GJ/an Réduction CO 2 émissions: 1400 t 135 C fumées 210 C
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
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
2. Régulation R de l air l entrant: 3%
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: 94 200 EUR/an Investissements: max. 150 000 EUR CH4 +2O 2 => CO 2 +2H 2 O
3. Préchauffe de l air l de combustion: 0,5% Préchauffe: 5ºC5 Puissance nécessaire: n 30 kw (25 t/h) Économie annuelle: 17 800 EUR/an Économies : 3200 GJ PCI/an Réduction émissions: 180 t CO 2 /an Économie: 0,5% sur le gaz
4. Réduire R la purge de chaudière Vapeur Chaudière consommateurs Purge Condensats Égouts Eau appoint
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
Réduction du taux de purge : 10 % a 2 % Économies : 12 000 GJ/an Économie GAZ: 62 000 EUR /an Économie EAU: 16 000 EUR/an Émissions: 625 tonnes de CO 2 /an Économie 1,2 % sur facture totale
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
Économies: 13 400 EUR/an 2670 GJ PCI/an 149 tonnes de CO 2 0,2 bar 105 C
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
C.LA DISTRIBUTION Chaudière Vapeur Eau d appoint d 10 C Consommateurs vapeur Purge Vapeur Retour condensats 90 C Égouts
Réduire pertes en ligne Recherche des pertes par thermographie
Fonctionnement des Soupapes
État du calorifuge
Calorifuge des chaudières
D.LA CONSOMMATION Chaudière Vapeur Eau d appoint d 10 C Consommateurs vapeur Purge Vapeur Retour condensats 90 C Égouts
1. Fonctionnement de échangeurs sous vide 3000 ch. Sensible ch. Latente total 2500 2000 kj/kg 1500 1000 500 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 pression
1. Fonctionnement de échangeurs basse pression 2900 ch. Sensible ch. Latente total 2800 2700 2600 kj/kg 2500 2400 2300 2200 2100 2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 pression
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: + 150 kj +7%
1. Fonctionnement de échangeurs basse pression Vapeur 4 bar Vapeur 0.8 bar Échangeur Condensats 0.8 bar Pompe mécanique
E.RETOUR CONDENSATS Chaudière Vapeur Eau d appoint d 10 C Consommateurs vapeur Purge Vapeur Retour condensats 90 C Égouts
1. Récupérer vapeur de revaporisation Condensats 8 bar g température: 175.4 C chaleur sensible: 742 kj/kg Flash: 742 kj/kg-418 kj/kg 2 257 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
1. Récupérer vapeur de revaporisation Vapeur : 8 bar g Flash: 742 kj/kg-418 kj/kg 2 257 kj/kg = 14 % Échangeur Flash vers consommateur basse pression 0b 8 b purgeur Condensats vers retour
Où utiliser le Flash? Dans des consommateurs basse pression (chauffage eau, aérothermes)
Ex 2: Système à serpentins multiples
Ex 2: Système à serpentins multiples optimisé
Ex 3: Réinjecter R Vapeur dans réseau r basse pression Vapeur : 8b Flash: 742 kj/kg-604 kj/kg 2 133 kj/kg = 6,5 % Échangeur 3b Vapeur 3 bar 8b purgeur 0 b 3b Condensats vers retour
2. Réduire R pertes des purgeurs But: Laisser passer les condensats Empêcher la vapeur de passer
Conduite vapeur Purges de ligne Purge de process
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: 38 000 EUR/an Émissions CO 2 : 380 t /an
Calcul réel des pertes Armstrong SteamStar - Avantages Base de données comprenant plus de 6 000 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)
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
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
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
3. Augmenter le retour condensats: 3% Société: 25 t/h 200 000 t/an Coût annuel : 3 400 000 EUR/an Retour condensats: 50% -> 70 % Augmentation : 40 000 t/an Économie Gaz: 77 000 EUR/an Économie Eau: 40 000 EUR/an Économie Purge: 30 000 EUR/an Réduction émissions: 868 tonnes de CO 2
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
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
2.2 Dimensionner un retour 2000 kg/h de condensats P1: 10 barg Diamètre?
2.2 Mauvais dimensionnement 10 bar 20 mm Débit: 2000 kg/h -> > 2 m 3 /h Vitesse : 2 m/s [ vitesse liquide] 0 bar
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: 1,31 10-5 5 m 2 Diamètre: 90 mm
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
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats
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
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
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats Sonde de température et coups de bélier b a l entrée e du tank
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats
103 102 101 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85 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
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats temperatures Mercredi 21/08/02 100 99 98 97 temp5 C 96 95 94 93 92 91 90 temp4 89 88 87 86 Température condensats: zoom temp2 85 18:00:00 18:07:12 18:14:24 18:21:36 18:28:48 18:36:00 18:43:12 18:50:24 temps
1.10 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 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
1.10 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 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
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats 21 aout 2002 (Mercredi) 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70 bar 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 16:30:00 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
104 102 100 98 96 94 92 90 88 86 84 82 Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats M e rc re d i 2 1 /08 /0 2 2.4 1.9 1.4 0.9 0.4-0.1 16:21:55 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
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats M ercred i 21/08/02 100 2.4 98 1.9 96 1.4 94 0.9 temperature coups 92 90 0.4 88-0.1 16:21:55 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
2.3 Vaincre la contre-pression: installation de pompes
2.3 Vaincre la contre-pression: installation de pompes
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
Patricia Provot Steam System Engineer Armstrong International +32 4 240 91 06 pprovot@armstronginternational.eu www.armstronginternational.eu www.steamstar.be