Optimisations énergétiques sur un réseau vapeur
Table des Mati ères 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 propri étés physiques de la propriétés vapeur satur ée 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
Température °C
181 161 141 121 101 81 0
1
2
3
4
5
6
7
8
pression bar (a)
9
10
11
12
13
Les propri étés physiques de la propriétés vapeur satur ée 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 propri étés physiques de la propriétés vapeur satur ée saturée • Chaleur sensible : P = 0 barg
0 barg
t = 100°C h = 417 kJ Liquide v = 0,001044 m³/kg
1 kg d’eau, 100°C, 417 kJ + 2 258 kJ
Les propri étés physiques de la propriétés vapeur satur ée saturée • Chaleur latente : P = 0 barg t = 100°C h = 417 kJ + 2 258 kJ Gaz v = 1,694 m³/kg • Vaporisation Condensation
0 barg 1 kg de vapeur, 100°C, 2 675 kJ
Ce qu ’il faut retenir qu’il • 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.
Enthalpie
Les variations d ’enthalpie en d’enthalpie fonction de la pression 2 802 kJ
2 780 kJ 2 675 kJ
1 830 kJ
1 999 kJ 2 258 kJ 226°C 184°C
972 kJ
100°C 417 kJ
0 barg
781 kJ
10 barg
25 barg Pression
La boucle vapeur Chaudière Vapeur
Consommateurs Eau d’appoint 10°C 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
Prix E/t
19,00 18,00 17,00
Euros/t
16,00 15,00 14,00 0,00
0,20
0,40
0,60
Retour condensats
0,80
1,00
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 = CO2 • Gaz naturel: 55,8 kg CO2 / GJ primaire • Gasoil: 73,3 kg CO2 / GJ primaire • Fuel extra-lourd: 76,6 kg CO2 / GJ primaire • Charbon: 92,7 kg CO2 / GJ primaire Ex. 1 tonne de vapeur 10 bar [produite avec du gaz] Énergie: 2,852 GJ de Gaz Émissions: 160 kg de CO2
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 CO2: 32 000 tonnes
• Important d’optimiser sa production • Important d’optimiser son utilisation
Optimisation des rréseaux éseaux vapeur Économies réalisables: 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
Consommateurs Eau d’appoint 10°C 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 économiseur: 4% P’f = 3,6% fumées 120 °C 105 ° C
135 ° C Économies: 4% sur le rendement Économies : 125 000 EUR/an Investissements: max. 50 000 EUR Réduction cons. énergie: 25 000 GJ/an Réduction CO2 émissions: 1400 t
fumées 210 °C
2. Régulation de l’air entrant: 3%
Air
210°C Chaudière CO2 + H2O
CH4 CH4 +2O2 => CO2 +2H2O
2. Régulation de l’air entrant: 3% •Le volume de l’air change avec les conditions météo •La pression du gaz peut changer •Le PCI du gaz change selon ses origines
2. Régulation de l’air entrant: 3%
2. Régulation de l’air entrant: 3%
Air
210°C Boiler CO2 + H2O
CH4 CH4 +2O2 => CO2 +2H2O Économies: 3% sur le gaz Économies: 94 200 EUR/an Investissements: max. 150 000 EUR
3. Préchauffe de l’air de combustion: 0,5% Préchauffe: 5ºC Puissance nécessaire: 30 kW (25 t/h) Économie annuelle: 17 800 EUR/an Économies : 3200 GJ PCI/an Réduction émissions: 180 t CO2/an Économie: 0,5% sur le gaz
4. Réduire la purge de chaudière Vapeur
consommateurs Chaudière
Purge
Égouts Condensats
Eau appoint
Taux de purge = f ( Retour condensats)
Taux de Purge = Fonction du retour condensats 30%
Purge
25% 20% 15% 10% 5% 0% 0%
20%
40%
60%
80%
Retour condensats
100%
120%
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 CO2/an Économie 1,2 % sur facture totale
5. Re-vaporiser la purge: 0,5 % Vapeur 25 t/h Consommateurs Chaudière
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 CO2
0,2 bar 105°C
É conomies en chaufferie Économies • 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
Consommateurs Eau d’appoint 10°C vapeur
Purge
Vapeur Retour condensats 90°C
Égouts
R éduire pertes en ligne Réduire • Recherche des pertes par thermographie
Fonctionnement des Soupapes
État du calorifuge
Calorifuge des chaudières
D.LA CONSOMMATION Chaudière Vapeur
Consommateurs Eau d’appoint 10°C vapeur
Purge
Vapeur Retour condensats 90°C
Égouts
1. Fonctionnement de é changeurs échangeurs sous vide ch. Sensible ch. Latente total 3000 2500
kj/kg
2000 1500 1000 500 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
pression
90
100
110
120 130
140
150
1. Fonctionnement de é changeurs échangeurs basse pression ch. Sensible ch. Latente total 2900 2800 2700
kj/kg
2600 2500 2400 2300 2200 2100 2000 0
1
2
3
4
5
pression
6
7
8
9
10
1. Fonctionnement de é changeurs échangeurs basse pression 5 bar: Chaleur sensible : 640 kJ/kg Chaleur Latente: 2107 kJ/kg Total: 2747 kj/kg 1 bar 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 é changeurs échangeurs basse pression Vapeur 4 bar
Vapeur 0.8 bar
Échangeur
Condensats 0.8 bar
Pompe mécanique
E.RETOUR CONDENSATS Chaudière Vapeur
Consommateurs Eau d’appoint 10°C vapeur
Purge
Vapeur Retour condensats 90°C
Égouts
1. R écupérer vapeur de revaporisation Récupérer Condensats 8 bar g température: 175.4 °C chaleur sensible: 742 kj/kg Condensats 0 bar g température: 100 °C Chaleur sensible: 418 kj/kg Chaleur latente: 2257 kj/kg
Flash: 742 kj/kg-418 kj/kg 2 257 kj/kg
= 14 %
Vapeur : 8b
Échangeur
Condensats vers retour 8b
purgeur
0b
1. R écupérer vapeur de revaporisation Récupérer Flash: 742 kj/kg-418 kj/kg 2 257 kj/kg
= 14 %
Vapeur : 8 bar g
Flash vers consommateur basse pression
Échangeur
0b
8b purgeur Condensats vers retour
O ù utiliser le Flash? Où • Dans des consommateurs basse pression (chauffage eau, aérothermes)
Ex ème àà serpentins Ex 2: 2: Syst Système serpentins multiples multiples
Ex ème àà serpentins é Ex 2: 2: Syst Système serpentins multiples multiples optimis optimisé
Ex éinjecter Vapeur éseau basse Ex 3: 3: R Réinjecter Vapeur dans dans rréseau basse pression pression Flash: 742 kj/kg-604 kj/kg = 6,5 % 2 133 kj/kg Vapeur : 8b
Échangeur
Vapeur 3 bar 3b 8b purgeur
0b 3b Condensats vers retour
2. R éduire pertes des purgeurs Réduire
But: Laisser passer les condensats Empêcher la vapeur de passer
Conduite vapeur
Purges de ligne
Purge de process
2. R éduire pertes des purgeurs: 2% Réduire • 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: 10 % Purgeurs défectueux: 30 purgeurs Perte de vapeur: 300 kg/h Perte financière: 38 000 EUR/an Émissions CO2: 380 t /an
Armstrong SteamStar Avantages • Calcul réel des pertes • 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 CO2 (kg/an) (les formules de calcul utilisées sont les seules approuvés par le Comité Technique de l’ONU)
Armstrong SteamStar Avantages • Rapports détaillés • 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’égout 2. Mois d’eau 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 CO2
Causes de non-retour de condensats • 2.1 Condensats pollués • 2.2 Pas de lignes de retour ⇒ Dimensionner une ligne •2.3 Coups de bélier ⇒ 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
Diamètre? 2000 kg/h de condensats P1: 10 barg
2.2 Mauvais dimensionnement
20 mm
10 bar
0 bar Débit: 2000 kg/h -> 2 m3/h Vitesse : 2 m/s [ vitesse liquide]
2.2 Dimensionnement correct ⇒ 480 m3/h
Flash: 300 kg/h Vitesse: 20 m/s [vitesse vapeur] Section: 0,046 m2 Condensats: 1700 kg/h Vitesse: 2 m/s [vitesse liquide] Section: 1,31 10-5 m2 Diamètre: 90 mm
⇒ 1,7 m3/h
2.3 R ésolution coups de b élier Résolution 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 a l’entrée du tank
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats
C 103
102
101
100
99
98
97
96
95
94
93
92
91
90
89
88
87
86
85 0:05:20 0:47:20
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 tem peratures V endredi 23/08/02
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
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats
2:11:20
tem ps
Graphique: températures sur collecteur retour condensat
1:29:20
tem p5
tem p4
tem p2
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats temperatures Mercredi 21/08/02 100 99 98 temp5
97 96 95 94 C
93 temp4 92 91 90 89
Température condensats: zoom
88
temp2
87 86 85 18:00:00
18:07:12
18:14:24
18:21:36
18:28:48 temps
18:36:00
18:43:12
18:50:24
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats 2 1 a o u t 2 0 0 2 (M e rc re d i P .M ) 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70
bar
0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10
te m p s
Coups de bélier et pression sur collecteur condensats
00:00:00
23:30:00
23:00:00
22:30:00
22:00:00
21:30:00
21:00:00
20:30:00
20:00:00
19:30:00
19:00:00
18:30:00
18:00:00
17:30:00
17:00:00
16:30:00
16:00:00
0.00
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats 21 aout 2002 (M ercredi) 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70
bar
0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10
tem ps
1. Chute de pression 2. Coups de bélier
19:00:00
18:45:00
18:30:00
18:15:00
18:00:00
17:45:00
17:30:00
17:15:00
17:00:00
16:45:00
16:30:00
0.00
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
17:16:48
17:13:12
17:09:36
17:06:00
17:02:24
16:58:48
16:55:12
16:51:36
16:48:00
16:44:24
16:40:48
16:37:12
16:33:36
16:30:00
0.00
temps
Commentaires: • Chaque chute de pression ne provoque pas de coup de bélier (sensibilité) • Différences de pression = mélange biphasique [6m = 0.6 b]
Coups de bélier dus à un retour condensats (6 m de chute?)
temperature 104
102
100
98
96
94
92
90
88
86
84
82 16:21:55
16:42:45 16:53:35 17:03:45 17:15:05
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
M e rc re d i 2 1 /0 8 /0 2
19:26:55 19:39:45 19:50:35 te m p s
Température et coups de bélier au niveau siphon
17:25:05
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 2 .4
1 .9
1 .4
0 .9
0 .4
-0 .1
coups
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats
16:32:05
:2 1 16 : 55 :2 3 16 : 05 :2 4 16 : 05 :2 5 16 : 05 :2 6 16 : 25 :2 7 16 : 25 :2 8 16 : 35 :2 9 16 : 35 :3 0 16 : 45 :3 1: 16 55 :3 2 16 : 55 :3 4 16 : 05 :3 5 16 : 05 :3 6 16 : 05 :3 7 16 : 05 :3 8 16 : 15 :3 9 16 : 25 :4 0 16 : 45 :4 2 16 : 15 :4 3 16 : 25 :4 4 16 : 25 :4 5 16 : 35 :4 6 16 : 35 :4 7 16 : 45 :4 8 16 : 55 :5 0 16 : 35 :5 1 16 : 45 :5 2 16 : 45 :5 4 16 : 15 :5 5 16 : 15 :5 6 16 : 15 :5 7 16 : 15 :5 8: 15
16
temperature
94
1. Diminution de température 2. Coups de bélier coups
Ex. Pratique: Coups de bélier dans un retour condensats M e rc re d i 2 1 /0 8 /0 2
100 2 .4
98 1 .9
96 1 .4
0 .9
92
90 0 .4
88 -0.1
tem p s
2.3 Vaincre la contre-pression: installation de pompes
2.3 Vaincre la contre-pression: installation de pompes
R ésumé des é conomies Résumé 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
[email protected] www.armstronginternational.eu www.steamstar.be
