Etudier les différents réseaux de distribution des fluides du site afin de les adapter à la nouvelle configuration de la tôlerie et d´en optimiser les coûts

TFE Année 2010-2011 Etudier les différents réseaux de distribution des fluides du site afin de les adapter à la nouvelle configuration de la tôlerie et d´en optimiser les coûts. Société : Aperam Dates de stage : 16/05/2011-07/10/2011 Lieu du stage : ISBERGUES - FRANCE Tuteur entreprise : PELLETIER Jean Marie Tuteur –PCP ECL : PERKINS Richard Élève : SOLER HERNANDEZ Rafael 2 Sommaire : 1.- Résumé : (français) ………………………...................................……….......……4 (anglais) ………………………………...………….………...…..…….5 2.- A propos d’Aperam : ……………………………………………………………....6 2.1.- Santé-Sécurité ………………………………………………..…..………6 2.2.- Développement durable ………………………………………….............7 2.3.- Volume production ……………………………………………………....9 2.4.- Satisfaction clients ……………………………………………………….9 2.5.- Investissements ………………………………………………………....10 3.- Activité de l’entreprise ……………………………………………………………10 3.1.- Fabrication industrielle ………………………………………………….11 3.2.- Présentation de l’activité du site ………………………………………...11 3.3.- Marché et différents produits ……………………………………………12 4.- Présentation du service UMC ………………………………………...…………...12 4.1.- Air comprimé ……………………………………………………………13 4.2.- Eau décarbonatée ………………………………………………………..14 4.3.- Eau adoucie ……………………………………………………………...15 4.4.- Eau clarifloculée ………………………………………………………...16 4.5.- Eau surchauffée ………………………………………………………….17 5.- Etude économique des réseaux …………………………………...……………….18 6.- Réseau d’eau surchauffée ……………………………………………...………….19 6.1.- L’installation …………………………………………………………….20 6.2.- Le cycle de l’eau ………………………………………………………...20 6.3.- Plan du réseau …………………………………………………………...25 6.4.- Modifications proposées ………………………………………………...25 7.- Etude technique ………………………………………………………...….……....27 7.1.- Propriétés de l’eau ……………………………………………….…....…27 7.2.- Formules à utiliser ……………………………………………….……....27 7.3.- Puissances installées sur le site …………………………………….……28 7.4.- Méthode de travail ..............................................................................…...31 8.- Conclusions étude technique ………………………………………………………37 9.- Etude technique et économique …………………………………………….….......37 9.1.- Pertes de charge ………………………………………………….…..…..38 9.2.- Pertes de chaleur ………………………………………………….……...39 9.3.- Coût des modifications proposées ……………………………….………43 10.- Conclusions étude technique et économique ………………………..……………45 3 11.- Annexes : ………………………………………………………………….……..46 Annexe 1 : Interconnexion des réseaux ……………………………………………....46 Annexe 2 : Propriétés de l’eau …………………………………………….….………46 Annexe 3 : Perte chaleur dans les tuyauteries nues et calorifugées …………………..47 Annexe 4 : Utilisation des courbes caractéristiques du groupe de pompage ………....47 Annexe 5 : …………………………………………………………………………….48 Pompes de circulation ………………………………………………………...48 Pompes de secours ……………………………………………………………48 Bâche alimentaire …………………………………………………………….49 Armoires de pilotage automatique ……………………………….…...………49 Ballon d’azote sous pression ………….. …………………………………….50 Chaudières ……………………………………………………………………50 Echangeur de chaleur vertical ………………………….…………….............51 Fonctionnement vase d’expansion (ballon d’azote) …………………....…….52 Annexe 6 : Calorifuge ……………………………………………………....………..53 Annexe 7 : Résultats obtenus …………………………………………………...…...54 12.- Bibliographie …………………………………………………………………....60 4 1.- Résumé : Le stage a eu lieu au nord de la France pendant la période du 16 mai 2011 jusqu’au 6 octobre 2011 chez Aperam qui est un acteur mondial du secteur de l’acier inoxydable. Son réseau industriel est concentré dans six usines principales situées au Brésil, en Belgique et en France. Sur le site d’Aperam à Isbergues, on produit de l’acier inoxydable pour divers marchés (automobile, équipement de maison, industrie et bâtiment).J’ai donc été affecté au service fluides qui a pour objectif d’entretenir et de maintenir les différents réseaux qui alimentent toute l’usine pour la production de l’acier. Ces énergies consommées sont : l’eau surchauffée, l’eau adoucie, l’eau tamisée, l’eau clarifloculée, l’eau de forage, l’eau décarbonatée, l’air comprimé, l’oxygène, l’azote et le gaz naturel. Il n’y a pas longtemps le site a subit une baisse de production et par conséquent a engendré une baisse de l’énergie. Il faut alors s’adapter à la nouvelle demande en dimensionnant et modifiant des appareils, machines, et l’architecture des réseaux afin de réaliser des économies d’énergie sur le site. Dans l’étude on analysera les différentes étapes établies pour arriver à chaque solution. D’abord une étude de toutes les consommations et frais de chaque énergie sera nécessaire pour trouver celle la plus impactant économiquement. Ensuite, des propositions techniques à modifier seront exposées et analysées. On réalisera une étude technique pour savoir la faisabilité des modifications proposées afin de savoir si elle respecte les règles de sûreté en essayant d’identifier et chiffrer les économies (étude technique et économique). Finalement on terminera par évaluer la rentabilité économique pour prendre des futures décisions. Concrètement on étudiera des modifications sur l’architecture du circuit d’eau surchauffée. Pour trouver des résultats, Aperam a mis à ma disposition différentes moyennes et sources telles que livres de mécanique des fluides, internet, questions aux techniciens d’Aperam et des visites sur chantier. Dans mon introduction il y a une petite présentation de l’entreprise sur ses activités dans le marché de l’acier inoxydable et des graphiques dont on peut remarquer l’engagement d’Aperam à exercer ses activités de façon responsable dans le respect de la santé, de la sécurité, et du bien être de ses employés engagés sur la voie d’une gestion durable de l’environnement et des ressources. Aussi, il y a des schémas de quelques réseaux afin d’analyser complexité du site : les interconnexions entre eux, les systèmes de sécurité et de secours. Plusieurs projets sont proposés actuellement sur le site pour réaliser des économies dont celui de l’eau surchauffée est expliqué dans ce rapport. Il faudra donc étudier tous les axes d’amélioration et essayer d’établir des économies dans les années à avenir. 5 Summary: The student work experience took place on the North of France, from the 16th of May till the 6th of October, in the APERAM company, which is a global stainless steel producer. Its industrial network is distributed in three different countries: Brazil, Belgium and France. In APERAMs plant in Isbergues, stainless steel is produced to satisfy a wide variety of markets (automobile industry, home applications, industrial environments and the construction Market). My working place has been the Fluids department, which is responsible for the monitoring and maintenance of the various energy grids that supply to the whole industrial complex, for the production of steel. These energy grids consist of the following elements: overheated water ( or pressurised water), water softening, water filtering , flocculated water, ground water or well water, decarbonised water, compressed air, oxygen, nitrogen and natural gas. Recently the plant has suffered a reduction in the production and thus a decrease in the energy consumption. Therefore an adaption to the new demand is needed, cutting back the machines, instruments and architecture of the various energy grids in order to save energy costs. In the research, various stages are analysed in order to reach each solution. Firstly, a study of all the consumptions and costs is required to find the most suitable economically speaking. Once that is finished, the required technical modifications will be presented. A technical study will be made in order to analyse the viability of the modifications presented; to see if we are still within the security limits and at the same time identify and calculate from where the economic savings are obtained and how much they amount to(Technical-economic study). Finally, the economic profitability will be evaluated to take future decisions. More specifically, modifications in the overheated water (or pressurised) circuit will be studied. In order to reach a solution, APERAM handed me various media and resources, such as Fluid Mechanics bibliography, Internet, access to APERAMs personnel and know how, and visits to the main plant. In the introduction there is a brief presentation of the company, about its activities in the stainless steel market, and charts where we can see APERAMs commitment to develop all its activities in a responsible manner towards health, security and welfare of its workers; who at the same time are committed to work in a sustainable way with the environment and earths resources. There are also charts of some of the energy grids in order to exemplify the complexity of the industrial complex, the interconnection between them and the security and emergency systems. Up to the moment, there have been various already some projects proposed, in order to obtain energy savings in the company plant, where the overheated water system is tackled in this research. It is needed, therefore, a study of all the possible paths of improvement, in order to save costs in the years to come. 6 2.- A propos d’Aperam : Aperam a dévoilé sa marque et son identité le 25 janvier 2011. Le déploiement de la marque permet à la société d’être identifiée et de s’imposer comme un producteur indépendant. Le nom Aperam es composé des éléments « Aper », pour « Aperture », qui évoque l’ouverture aux clients et l’ouverture au changement de la nouvelle société, et « am », en référence à ArcelorMittal dont elle est issue. Aperam est un acteur mondial du secteur de l´acier inoxydable, de l´acier électrique et des aciers spéciaux qui exerce des activités dans plus de 30 pays. La Société est structurée en trois secteurs : Acier inoxydable & Acier électrique, Service & Solutions et Alliages et Aciers spéciaux. Aperam qui a des capacités de production de 2,5 millions de tonnes d´Acier inoxydable plat en Europe et au Brésil, est un leader dans des créneaux à forte valeur ajoutée – les Alliages et les Aciers spéciaux. Aperam possède par ailleurs un réseau de distribution, de traitement et de services hautement intégré ainsi que des capacités inégalées pour produire de l´acier inoxydable et des aciers spéciaux à partir de biomasse à faible coût (le charbon). Son réseau industriel est concentré dans six usines principales situées au Brésil, en Belgique et en France. Aperam emploie 9900 personnes. Aperam s´engage à exercer ses activités de façon responsable dans le respect de la Santé, de la Sécurité et du Bien-être de ses employés, de ses sous-traitants et des communautés dans lesquelles la Société est présente. La Société est également engagée sur la voie d´une gestion durable de l´environnement et des ressources. Voici quelques chiffres qui décrivent en peu la Société : 2.1.- Santé – Sécurité Santé-Securité Taux de Fréquence TF= Nombre d´accidents avec arrêtx1000000/Nombre d´heures travaillés 2,3 1,9 0 2,6 2,3 0 1 2 3 4 5 2006 2007 2008 2009 2010 7 2.2.- Développement durable : 2,7 2,4 1,9 2 1,9 1,8 2,1 1,8 2 0,7 0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Rejets de nitrate dans l´eau (en tonnes par jour) 45420 41600 19440 14315 13213 11926 12949 8259 9443 5779 6013 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Boues d´Hydroxydes métalliques générées par le traitement des effluents aqueux (en tonnes) 8 1,9 1,7 1,9 1,9 1,7 1,1 2 1,3 1,1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Prélèvements d´eau (en millions de m ) 3 24 221 162 79 Papier bureaucarton Papier Kraft sec Papier Kraft huileux Bois Valorisation matière des déchets industriels banals, soit: 466 tonnes 87,15 12,73 0,12 Surface Nappe Ville Répartition des prélèvements d´eau (millions de m ) 3 9 2.3.- Volume production : 138102 137991 187162 200708 182536 179092 190804 168394 189033 158682 192573 101709 100868 99354 97493 108121 75408 91556 73907 77028 24391 17154 050000 100000 150000 200000 250000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Production LAF L/T Production LAF LC2i Tôleries Production de 1er choix LC2i et Lignes/Trains 2.4.- Satisfaction clients : 1,91 1,31 1,04 0,92 0,9 0,63 0,53 0,5 0,88 1,21 0 0,5 1 1,5 2 2,5 1997,94 2001,96 2005,98 2010 Qualité produit Taux de gravité des litiges (Tonnages justifiés/kT facturés) 16 4.4.- Production eau clarifloculée : Le clarifloculateur est alimenté en eau tamisée provenant du château d’eau SOCEA. A son arrivée, elle va y subir plusieurs traitements destinés à favoriser la décantation et à combattre l’activité bactérienne. L’eau est ensuite dirigée vers le centre du clarifloculateur où commence la décantation proprement dite. Un système de raclage permet de rassembler les boues vers le centre du clarifloculateur, une pompe à air comprimé permet de les diriger vers le décanteur de l’aciérie. Château d’eau clarifloculée : Eau industrielle (tamisée et clarifloculée) 17 4.5.- Production d’eau surchauffée : Elle sert principalement pour chauffer d’autres produits (eau, etc.…) qui serviront en suite pour les différents procédés de la production de l’acier. L’importance des graphiques précédentes c’est de remarquer que les installations sont fournies par différentes sources en cas de panne et fournies aussi par plusieurs groupes fournisseurs [voir annexe 1]. Par exemple, s’il y a une panne au circuit d’eau clarifloculée, on peut le secourir depuis le château d’eau tamisée ou encore d’eau du canal. Donc il faut que les différents réseaux soient interconnectés entre eux. En plus, normalement, à chaque station de pompage on a plusieurs pompes : par exemple, on peut avoir 2 pompes de secours et faire tourner 3 pompes et encore les faire tourner avec des délais différentes afin d’allonger leur durée de vie. De même avec les compresseurs sécheurs, etc. 18 5.- Etude des réseaux : Avant de lancer l’étude on a récupéré les donnés de consommation, coût de production et coût d’entretien pour chaque fluide. Les donnés de consommations sont fournies par des différents compteurs installés le long de chaque circuit, particulièrement à l’entré de chaque point de consommation. Ils mesurent débit ou énergie consommé selon le type de compteur et peuvent mesurer en différentes unités de volume ou énergie (m3, Nm3, KW, KWth, etc.…). Ces données sont envoyées au département de fluides et ensuite enregistrées. Par rapport aux coûts de production, c’est une partie plus difficile du au fait des interconnections entre les différentes réseaux et les différents machines qu’interviennent lors du process. En plus on a des frais d’entretien obligatoires chaque année qui ajoutent une partie fixe et frais du au pannes qui sont arrivées au cours de l’année. Donc, il est difficile de séparer la partie fixe et variable des coûts de production, mais de toute façon on a un ratio entre ce qu’on paye et ce qu’on consomme pour chaque fluide. Avec ça, on peut estimer un coût de production approximatif de chaque fluide. Le but de les avoir, c’est de savoir quel est le fluide le plus impactant par rapport aux coûts dans l’usine et pouvoir centrer l’étude sur ce fluide. Voici les données liées aux coûts d’entretien : Entretien : Tableau résumé des coûts : (partie fixe + variable)/consommation : 19 Tableau comparatif du coût total pour chaque fluide : Le fluide le plus impactant est le gaz naturel avec un 75%, suivi de l’eau surchauffée avec 17,2%. Finalement, avec des techniciens on a décidé d’étudier l’eau surchauffée pour des raisons suivantes : A) Il y a des sites qui ont diminué leur consommations (jusqu’à zéro ou presque zéro). Par conséquent, la puissance demandée par certains sites a baissé notablement et il faudra s’ajuster à la nouvelle demande sur le site. B) Grâce au tableau on peut voir que l’eau surchauffée est le deuxième fluide plus impactant par rapport au coût total des fluides sur le site, mais, en plus, son coût est directement lié au prix du gaz naturel (lequel est le plus cher) car on chauffe l’eau par combustion du gaz naturel dans les chaudières 6.- Réseau d’eau surchauffée : Décisions techniques prises et à tenir compte lors d’une réunion avec des techniciens afin de s’adapter à la nouvelle demande et diminuer les coûts: A) Décisions technologiques: On est assez limité à changer la structure du réseau car les machines et les matériaux sont déjà bien dimensionnés pour fournir le site et aussi on devrait être prêt pour une possible augmentation de la production. Les chaudières (avec des économiseurs), les pompes, l’acier pour les tuyaux et les isolants utilisés sont déjà bien dimensionnés pour le site et doivent s’adapter à la normative exigée. En plus, des modifications sur ces paramètres peuvent entrainer des investissements assez élevés. B) Décisions sur l’architecture du réseau: dans cette situation on doit étudier une nouvelle architecture du réseau. Il faut alors bien connaitre le circuit et savoir quel sont les sites qui ont arrêté leur production et savoir les besoins énergétiques des sites qui encore produisent et les localiser sur le plan d’eau surchauffée. Désormais on va étudier le circuit d’eau surchauffée et voir les possibles modifications. 20 6.1.- L’installation : Le circuit de chauffage est composé par : [voir annexe 5] - 1 bâtiment ou il y a 2 chaudières et 5 pompes centrifuges de circulation (2 en fonctionnement et 3 en secours) - une bâche alimentaire. - un ballon sous pression d’azote. - une tuyauterie qui appartient au circuit primaire (pour l’aller et pour le retour) et une autre pour le circuit secondaire. - échangeurs de chaleur, et d’autres machines qui ont besoin de l’énergie calorifique de l’eau, ceci sont les points de consommation. - divers appareils par exemple compteurs, vannes régulatrices, purges, soupapes, etc. Il faut parler de leurs caractéristiques principales de certaines et expliquer en peu le fonctionnement : Chaudières :  Chaudière Carosso: 55,5m3/h débit min, Tsor=175°C, Tent : 160°C, P=12MW  Chaudière Alstom: témp maxi 175°C et 148°C min, P= 12MW.  Réseau ES: Débit min: 230m3/h pour une chaudière en fonctionnement et le double pour les deux chaudières en fonctionnement. Débit max de 350 pour une chaudière et presque le double pour les deux. Pompes :  2 Pompes en parallèle: KSB de 450m3/h débit maxi et 230m3/h débit min Moteur SIEMENS 75 KW, η = 0,983 DN 250 Hmax (mano)= 45m Consigne de travaille: entre 40 et 42 m Tuyauterie :  Type acier: acier en carbone sans soudure TUE 250 B suivant norme NFA 49.211 6.2.- Cycle de l’eau : L’eau est maintenue toujours en état liquide. Le départ de la chaudière est à 15 bars et 175°C. En long de la tuyauterie on a des pertes de charge, (pression statique et dynamique), c’est pourquoi les pompes doivent compenser ces pertes de charge. De toute façon dans le bâtiment de la chaudière il y a un vase d’expansion (azote) qui assure une pression minimal dans le réseau afin d’éviter que l’eau vaporise et en plus éviter la cavitation des pompes et absorber les variations brusques de pression. 21 Voici un schéma simplifié de la connexion : En plus le circuit d’eau surchauffée est interconnecté avec le circuit d’eau adoucie afin de contrôler les possibles fuites et encore la sur ou sous pression du circuit. Il faut donc ajouter au graphique précédent d’autres parties : Schéma 1 : interconnexion circuit eau surchauffée avec l’eau adoucie, vase d’expansion et le ballon sous pression d’azote. On a plusieurs vannes régulatrices qui s’ouvrent en fonction de la pression du circuit, les pompes de restitution tournent en fonction de l’hauteur d’eau à la bâche mesurée par un capteur. Le système fonction automatiquement mais chaque jour il y a un technicien qui révise tous les appareils et l’ensemble du circuit pour vérifier le bon fonctionnement. Le cycle est fermé pour assurer à tout moment un débit minimum de circulation d’eau, même s’il n’y a pas de consommation. 22 On est allé sur place et on a vu ces deux types d’interconnexion entre le circuit primaire et secondaire : 1 Schéma 2 : connexion aller-retour circuit primaire d’eau surchauffée à travers d’un échangeur 2 Schéma 3 : connexion aller-retour circuit primaire d’eau surchauffée à travers d’un tuyau de DN plus petit Avec cette configuration le consommateur peut réguler l’énergie consommé (ou même le débit) à partir de la vanne régulatrice laquelle s’ouvre plus ou moins en fonction de la température de départ que reçoit du circuit secondaire. L’explication que le tuyau d’union entre l’aller et le retour du circuit primaire soit beaucoup plus fin, c’est pour favoriser la l’écoulement d’eau au circuit secondaire, car à l’union on a plus de pertes de charge. (on peut faire la similitude avec un circuit électrique).Les chaudières ont un fonctionnement en cascade, c'est-à-dire, tant que la consommation ne surpasse pas la puissance de 12000 KW il y aura une chaudière qui fonctionnera, et dès que la consommation surpasse de 12000 KW, la deuxième chaudière démarrera. Cette façon de travailler c’est faite pour avoir un bon rendement et que le rapport entre le débit et la puissance consommée soit le plus grand possible. 23 Si on fait un schéma plus général du réseau on a le suivant : Schéma 4 : Liaison entre circuit primaire et secondaire d’eau surchauffée. Chaudières connectées en parallèle et vanne régulatrice taré à 16 bars Dont cons1, cons2, cons N appartiennent au circuit secondaire. Le réseau est ramifié avec de connexions en parallèle. Finalement on peut avoir une idée du cycle fermé de l’eau dans différents diagrammes : Graphique 1 : Diagramme P-V du cycle de l’eau surchauffée. L’eau est maintenue toujours en état liquide. Le cycle ne fourni aucun travail. On est toujours dans la zone liquide. La ligne bleue représente le cycle de l’eau, donc on peut remarquer que la variation de volume est très faible, par conséquent le cycle ne fournie pas de travail, seulement fournie de la chaleur, par contre il le reçoit des pompes (travail) et de la chaudière (chaleur). Un peu plus clair on peut le voir ci-dessous : 24 Un peu plus clair on peut le voir ci-dessous : Graphique 2 : Diagramme P-T du cycle de l’eau. Plus grande est la surface du cycle fermé, plus calories consomme le circuit secondaire. Le rendement du cycle est : η = On essaye d’augmenter le rendement pour diminuer les coûts, donc, soit on augmente la chaleur transféré dans les échangeurs soit on diminue le travail des pompes et la chaleur livré par la chaudière. La chaleur transféré dans les échangeurs dépend, entre d’autres, de la surface d’échange des tous les tuyaux qui sont de dans, mais dans cet étude on ne peut pas la modifier. Pour diminuer le travail des pompes il faut diminuer les pertes de charge car les pompes tournent plus ou moins vite en fonction des pertes de charge. L’équation qui explique ça est cela de Bernoulli : Les moteurs qui font tourner les pompes consomment électricité du réseau de la compagnie électrique. Les pertes de charge dépendent de la longueur, du diamètre et de la vitesse de l’eau dans le tuyau : A la chaudière on a un contrôleur qui mélange la quantité suffisante de combustible avec de l’air selon le débit qui circule juste pour faire monter l’eau jusqu’à 175°C. Mais encore plus, la chaudière fournie aussi les pertes de chaleur qu’il y en a en long de la tuyauterie. Les pertes de chaleur dépendent, entre d’autres, de la longueur, le diamètre et l’épaisseur de l’isolant : 25 Au niveau des échangeurs et des points de consommations, on peut utiliser : (A) P = C*ρ*Q*∆T et aussi Ma*(H2a – H1a) = Mb*(H2b – H1b) P= puissance calorifique, C= capacité calorifique, ρ = volume massique, Q = débit ∆T = écart température, M = fluxe massique, H = enthalpie Ca découle de : 1) ∆H = ∆U + ∆PV 2) ∆U = Q + W 3) Q = Cm∆T Dont : U = énergie interne P = pression V = volume m = masse W = travail Dans cette étude W = 0 et ∆PV = 0 car on considère qu’il n’y a pas variation de volume. En réalité il y a des petites variations mais on peut largement les négliger. Donc, avec les considérations précédentes on a : ∆U = ∆H = Q et on vérifie l’expression (A). 6.3.- Plan du réseau : Voici un schéma très simplifié de la distribution actuelle du réseau : Schéma 5 : Ramifications principales du circuit d’eau surchauffée. Le plan n’est pas à échelle. 6.4.- Modifications proposées : A) Action 1: Suppression de la ligne (1) qui alimente la partie DTI B) Action 2: Suppression de la ligne (2) qui alimente l’ensemble de Carlite 3 et étudier la possibilité d’installer une petite chaudière pour chauffer cette partie. 32 On a suivi le circuit au long de toute la tuyauterie en ajoutant les pertes de chaleur et charge de chaque morceau. Donc, on peut surveiller chaque partie de la tuyauterie en regardant si la vitesse dépasse cela de la normative exigée. Voici un exemple de la ligne (3). Tableau 6 : Tableau exemple des caractéristiques techniques des différents points de consommation de la ligne (3) du circuit secondaire d’eau surchauffée. On a fait la même étude en considérant trois cas : Cas1) : on est allé sur place et on a mesuré les températures de retour de chaque point de consommation. A la partie finale du tuyau de chaque point de consommation il y a une petite zone qui est sans isolant et grâce à ça on a pu mesurer les températures. Encore on a l’épaisseur du tuyau d’acier mais on peut la négliger. [voir annexe 6] Cas2) : la température de retour est égale à 147°C avec l’addition de la nouvelle ligne et arrêt de la ligne(2). Cas3) : la température de retour est égale à 147°C sans l’addition de la nouvelle ligne. La température de retour et la vitesse : Ces deux paramètres ont été une contrainte au moment de faire les calculs. La vitesse : Après avoir cherché beaucoup d’information sur les circuits d’eau surchauffée on a vu que la vitesse maximum admissible dépend, entre d’autres, de la température du fluide, sa viscosité cinématique, la masse volumique, de la rugosité, le DN et matériau du tuyau et encore du type d’usage (on ne peut pas traiter de la même façon l’eau chaude pour l’usage industrielle que l’eau chaude pour l’usage sanitaire). Le seuil maximum pour l’eau surchauffée avec les caractéristiques de cette étude est de 5m/s pour un DN de 250 mm. En plus on peut faire la vérification car au niveau de la chaudière le tuyau de départ est de 250 mm et l’installation a été dessiné pour fournir une puissance maximale installée de 18100KW, donc, on a une vitesse de 3,36 m/s avec un retour de 147°C et de 4,7 m/s avec un retour de 155°C (on rappelle que ces sont les températures de consignes de retour des chaudières). Mais il est vrai que par des raisons de sûreté (vibrations et bruit) on devrait prendre une vitesse maximale comprise entre 2 et 2,5 m/s dans un régime permanent. 33 Si par exemple on essaye de dimensionner le débit par rapport à la vitesse on peut percevoir qu’on se tromperait dans les calculs car pour les cas de la nouvelle ligne qui a une puissance installé de 1025KWth et DN150 on obtiendrait une température de retour de 168°C et un débit de 127 m3/h et çà ne correspond pas à la réalité en sachant que le débit maximum pour une chaudière c’est de 350 m3/h et il faudrait ajouter encore les autres points de consommation. La température : Les pertes de chaleur dépendent proportionnellement de l’écart de température. Pour un débit constant donné, si la température de retour est plus haute, les pertes de chaleur seront plus grandes et vice versa. Si on maintient la même quantité de débit et la puissance consommée augmente, la température de retour sera plus basse et par conséquent les pertes de chaleur seront plus petites (moins écart de température). Par contre dans le deuxième cas la quantité de gaz brulé à la chaudière au retour sera plus grande. Par ailleurs, on peut augmenter la puissance d’alimentation en augmentant le débit grâce aux pompes de circulation ou même grâce à des vannes régulatrices .La conclusion est qu’on peut avoir différents écarts de température avec la même quantité de débit ou puissance consommées. Plus écart de température moins pertes de chaleur et plus de gaz à bruler ; Donc, c’est où le point d’équilibre le plus rentable ? Il faut aller aux données de la chaudière et voir quels sont les marges de fonctionnement pour une puissance donnée. En plus, il faut rappeler que la température de retour dépend aussi de la température des mélanges. La puissance considérée de la partie UGO lors de l’étude a été de 8245 KWth. Grâce aux graphiques de la chaudière on peut dire que pour les niveaux de consommation entre 8000 KWth et 9000 KWth les écarts de température sont entre 23 et 28°C pour un débit moyen de 290 m3/h. On a pris finalement une température de retour de 147°C car c’est une température de consigne de retour. (Rappelez que la température moyenne de retour est de 153°C) On comparera les trois cas et on expliquera les résultats en s’aidant des formules et des graphiques de la chaudière. En plus on verra que les résultats obtenus correspondent aux marges de fonctionnement. Il faut dire aussi qu’aujourd’hui il suffi de travailler avec une chaudière, tant que la puissance demandé du site ne surpasse pas de 12000KW, il y aura une chaudière en fonctionnement. En plus, si on avait pris une température de retour de 155°C on aurait surpassé le débit de 350 m3/h , et ceci est impossible pour un seul chaudière en fonctionnement. Au moment de faire le calcul on a considéré le suivant : - L’isolant est de laine de verre pour tous les tuyaux avec une épaisseur de 50 mm. On a mesuré sur place et l’épaisseur est la même avec n’importe quelle diamètre - Pour l’étude on peut négliger la vitesse de l’air extérieur car avec l’épaisseur de l’isolant l’influence est très petite. [voir annexe 3] - Il faut considérer l’aller et le retour pour les calculs, même pour les pertes de charge et les pertes de chaleur. - Les puissances de consommation sont les puissances installées. - Pour le cas (1) l’écart de température est de 175°C moins la température de retour mesuré sur place. Pour les cas (2) et (3) la température de retour est de 28°C, c'est-à-dire 175 – 147°C 34 - La température extérieure dépend de la saison mais on a pris une température moyenne de 15°C. - On ne considère pas le débit de recirculation, c'est-à-dire, le débit minimum qui circule par le tuyau d’union entre l’aller et le retour du circuit primaire pour assurer un cycle fermé de l’eau dans le cas qu’il n’y a pas de consommation. - On néglige les pertes de chaleur dans les échangeurs car c’est la limite entre le circuit primaire et secondaire. - On ne va pas considérer non plus l’épaisseur du tube d’acier ni sa conductivité thermique par rapport à cela de la laine de verre. Après appliquer le procédé précédent on est arrivé aux résultats suivant au niveau de la chaudière : Tableau 7 : Puissances et débits demandés à la chaudière selon les cas On va expliquer les résultats de chaque cas et les différences qu’il y en a entre eux Cas (1) : Les températures de retour sont celles prises sur place. Ici on devrait tenir compte de la production de LC2I, comme çà, la température de retour serait plus grande à cause du mélange des débits. En plus, même si on ne considère pas la production de LC2I, le débit minimum de circulation c’est de 230m3/h(car c’est le régime minimum de fonctionnement d’une seule chaudière), donc, ça ferait varier la température de retour, les pertes de charge et les pertes de chaleur. Dans ce cas là, au moment de calculer les résultats le long de la ligne(4), on a obtenu les résultats suivants au départ de la ligne(4) : Tableau 8 : Caractéristiques thermodynamiques au départ de la ligne (4) 35 Même si le débit dans ce cas est plus petit, on voit qu’il y a des problèmes pour alimenter la ligne car la vitesse s’approche à 2m/s et encore sans ajouter la nouvelle ligne. Il ne faut que le régime de fonctionnement soit plus critique pour surpasser les limites de vitesse et par conséquent les limites de sûreté. On doit alors écarté l’idée d’alimenter Carlite3 depuis la ligne(4). Sur les autres lignes il n’y a eu aucun problème. Cas(2) et cas(3) : Ici on a travaille avec LC2I en arrêt et la différence entre les deux cas est négligeable. Cette différence est due à l’écarte de longueurs entre les tuyaux. Voici les tableaux : Cas 2 : Ligne (3) ligne(4) Au niveau de la chaudière Tableaux 9, 10,11 : Caractéristiques thermodynamiques aux départs des lignes (9) (10) et (11) Cas 3 (sans la nouvelle ligne) Ligne (2) et ligne (3) : aucun problème. Ligne (4) : Au niveau de la chaudière : 36 Il y a des problèmes d’alimentation à la ligne (4) pour les deux cas mais c’est ce qu’on déjà espérait. Dans le cas 2 (avec la nouvelle ligne), on est à la limite de vitesse. Plus tard on parlera sur la faisabilité de relier le tuyau. Les débits pour les cas 2 et 3 sont à peu près de 270 m3/h, donc on est proche de la limite maximale des économies car si on avait pris une température de retour plus haute (par exemple 155 ou 160°C) on aurait été proche de 350 m3/h ou au dessus de cette quantité et ça ne correspond pas au fonctionnement réel d’une seule chaudière. En plus le débit minimal de fonctionnement pour une seule chaudière est de 230 m3/h, donc, le résultat est assez proche du débit moyen de fonctionnement. Grâce au procédé précédent on peut voir d’un coup d’œil les points critiques du plan général d’eau surchauffée : Schéma 11 : Points critiques sur le réseau d’eau surchauffée avec une puissance demandée environ 8300 KWth. Les pompes sont réglées pour travailler avec une différence de pression entre 40 et 42m entre l’entré et la sortie des pompes (pertes de charge). Ca explique les graphiques de la chaudière, surtout quand on compare le débit avec l’écart de température. Explication des différences entre les cas: Grâce aux graphiques de la chaudière et l’étude générale du réseau on peut remarquer le suivant: On aurait pu retourner à une température plus basse si LC2I tourne, car la température de la chaudière dépend de la température de mélange des débits de retour qui proviennent d’UGO et LC2I (voir cas 1). Par conséquent, si avec un même niveau de puissance consommé la température de retour diminue, ca veut dire que le débit utilisé a été plus petit, en suite, comme le diamètre des tuyaux ne change pas la vitesse diminue. Le débit est contrôlé par des vannes régulatrices qui s’ouvrent plus ou moins en fonction de la température de départ au circuit secondaire. Dans le bâtiment de la chaudière il y a des armoires dotées d’un écran branché aux compteurs de chaque partie (UGO et LC2I). Les compteurs envoient à cet écran les puissances consommées, entre d’autres. 37 Grâce à ça on a récupéré les données de consommation d’UGO (depuis le mois de mars 2011) en obtenant les résultats suivants : Tableau 12 : Résumé des puissances consommées de la partie UGO depuis mars jusqu’à juin 2011 8.- Conclusions étude technique On a travaillé dans le cas le pire, et on a vu que toutes les vitesses sont entre 2 et 2,5m/s. On a vu aussi le comportement de la chaudière par rapport aux pertes de charge : les pompes sont réglées pour travailler entre 40 et 42m d’hauteur manométrique, la relation entre la puissance consommée et l’écart de température est linéaire, la puissance entre le débit a une tendance linéaire, et le débit avec l’écart de température a une tendance constante. ¿Est-ce que si on a une puissance demandée de 18000KWth sur le site (presque le maximum) on aura à peu près le même débit et le double écart de température par rapport à la situation précédente ? La réponse est non, parce qu’il faut rappeler qu’on est en train de fonctionner avec une chaudière, et si on surpasse de 12000KW, la deuxième entrera en fonctionnement et le nouveau débit minimum de circulation sera de 450m3/h et les écarts de température seront pareils et de même avec les pertes de charge grâce à des connexions en parallèle sur un circuit ramifié avec un groupe de 2 pompes en parallèle qui peuvent donner un hauteur de 45m avec un débit de 600m3/h. Même dans cette situation on pourrait travailler avec ces valeurs, mais de toute façon ça dépend de la puissance demandé. Dans le tableau la valeur moyenne demandée par la partie UGO est égale à 4300KWth, donc, ça veut dire que tous les valeurs qu’on a calculée dans l’étude vont baisser. Il est faisable de relier un tuyau depuis la ligne(3) jusqu’à Carlite3 d’une longueur de 180m pour l’aller et pour le retour. Il faudrait savoir les perspectives de production pour faire une étude plus critique, mais il est faisable avec les perspectives actuelles. On verra en suite les économies et les différences entre installer un tuyau de DN150 et DN100 9.- Etude technique et économique : NOTE: Dans les résultats qu’on calculera à la suite, on a pris 8400 heures de fonctionnement, ça correspond à travailler 350 jours sans interruptions (24h sur 24h). Cette situation de fonctionnement ne correspond pas à la réalité car au cours de l’année il y a divers arrêts, mais on a pris cette valeur du à l’impossibilité d’avoir les valeurs Finalement il est très important de remarquer que les économies calculées seront maximales. 38 9.1.- Pertes de charge : On commencera par les pertes de charge : Pour pouvoir comparer et vérifier les résultats théoriques obtenus lors de l’étude, on a cherché les caractéristiques de fonctionnement des pompes dans un catalogue KSB, c'est-àdire, leurs courbes caractéristiques : Schéma 12 : Courbes caractéristiques des pompes KSB utilisées sur le site. Hauteur manométrique et puissances consommées en fonction du débit. [Voir annexe 4] La formule empirique à utiliser pour deux pompes connectées en parallèle est : Dont n = 2 et a et b on peut les trouvés grâce au graphique, en substituant deux points. Apres ça, on arrive à l’expression : 39 Pertes de charge : On sait que pour résoudre cette type de problèmes dont le réseau est très ramifié il faut utiliser des logiciels qui font des itérations jusqu’à arriver à une marge d’erreur souhaité afin de trouver le débit de chaque branche. On ne peut pas comparer directement les pertes de charge entre deux tuyaux car si le débit varie ça va faire varier le débit à partir du tuyau en amont et par conséquent les pertes de charge (rappelez que les pertes de charge dépendent de la vitesse et du diamètre, entre d’autres). Donc, il faut voir la puissance consommée par des pompes de circulation lesquelles compensent les pertes de charges qu’il y a le long de la tuyauterie. Voici le tableau de données à comparer entre une situation et l’autre : Tableau 13 : Comparaison au niveau de la chaudière entre les deux cas Même si on a obtenu les résultats précédents, on va se situer dans le cas ou on a des économies les plus grands en sachant que les pompes ont une consigne de travail entre 40 et 42 m. Voici la comparaison : Sans modifications Avec addition de la NL Débit (m3/h) 271,10 269,17 Hauteur (m) 42 40 Puissance pompes (KW) 28 27 heures fonctionnement 8400 8400 Puissance moteurs (η = 0,983) 34 32 Energie au bout d'une année (MWh) 244 230 Prix electricité (€/MWh) 60 60 Coût/année (€/année) 14616 13821 Tableau 14 : Comparaison des prix entre les deux cas Économies max = 795,8 €/année, soit 66,3 €/mois En sachant que le résultat c’est un écart maximum, on peut négliger l’écart des coûts des consommations des pompes 9.2.- Pertes de chaleur : Pertes de chaleur: Ici on a plusieurs variables qui font varier plus ou moins les pertes de chaleur telles que le diamètre du tuyau et sa longueur, l’épaisseur de l’isolant et sa conductivité thermique et le gradient de températures. De toute façon, on peut comparer directement les résultats des pertes de chaleur de chaque tuyau sur les lignes. On a contrasté aussi avec des DN différents. 40 On va vérifier le bon choix qu’on a pris pour le diamètre du tuyau et l’épaisseur de l’isolant. Diamètre : En admettant qu’on consomme le débit maximum et qu’on ne peut pas surpasser la vitesse de sureté de 2m/s, on obtient un diamètre de 97mm et c’est pourquoi qu’il faut prendre celui de DN100 comme le minimum . Il est recommandable que le diamètre soit plus petit ou pareil de celui auquel il est relié (DN150). Par ailleurs, plus on augmente le diamètre plus pertes de chaleur on aura car le surface d’échange de chaleur augmente et c’est équivalent à diminuer la résistance thermique. Donc on est entre DN100 et DN150. Isolant : Il faut savoir quelle est l’épaisseur minimum à ajouter qui ferra obtenir des économies. Sur le tuyau d’étude on a deux cas : Schéma 13 : Explication graphique du rayon critique. Différence entre les deux cas : dans le premier cas, pour avoir des économies il faut ajouter une épaisseur minimum (r critique). Si on ajoute une épaisseur minimum plus petite, la chaleur peut encore augmenter même si on ajoute de l’isolant. Dans le deuxième cas on peut ajouter n’importe quelle quantité d’isolant qu’on fera toujours des économies. Comment trouver ce point critique ? Avec l’expression : 41 Le terme ro peut être exprimé en fonction de l’épaisseur de l’isolant, le terme Rconv est exprimé en fonction de la conductivité thermique par convection à l’air au repos à 15°C laquelle a l’expression : Donc, il faut dériver l’expression précédente en fonction de l’épaisseur et égaler à zéro. D’abord il faut trouver hconv et pour l’avoir on a besoin de la température à la surface de l’isolant qui apparemment est plus grande de 15°C. Dans l’étude on n’a pas tenu compte la partie Rconv mais on va voir qu’on peut la négliger (et encore dans l’usage industriel). Pour avoir hconv il faut trouver d’abord la température à la surface de l’isolant et faire un petit système d’équations et itérer (en donnant des valeurs initiales) jusqu’à arriver à la valeur, mais on peut sauter ce pas et aller directement mesurer sur place où on a mesuré une température de 30°C. De toute façon on a pris des températures depuis 16°C jusqu’à 100°C. En comparant les deux résultats et en prenant 8400 heures de fonctionnement (pas courant) les économies maximales sont de 270 €/mois, qui n’affectent pas trop les frais de l’entreprise et il faut compter sur le vieillissement du calorifuge. Finalement le rapport après le dérivé est le suivant : Rcritique = λisol/hconv Si Rcritique est plus petit que le DN du tuyau on n’aura aucun problème et on gagne avec n’importe quelle épaisseur. Sinon, on devra ajouter un minimum d’épaisseur Rcritique. Dans tous les résultats Rcritique est plus petit que le rayon du tuyau, donc on gagne toujours, ça est du au fait que la résistance thermique de l’isolant est beaucoup plus grande par rapport à la résistance thermique par convection de l’air. Finalement pour de questions de sureté on a choisi un tuyau de DN150. On a cherché l’expression du coût annuel en fonction de l’épaisseur de l’isolant : Coût = [(L*π*(T2-T1))/ln (d+2*x/d)]*temps*prix Dont x = épaisseur de l’isolant Prix = prix du gaz Temps = heures de fonctionnement Ti = températures intérieur et extérieur L= longueur du tuyau 48 Annexe 5 : 2 pompes de circulation connectées en parallèle Pompes de secours du circuit d’eau surchauffée. 49 Bâche alimentaire qui sert, entre d’autres, à compenser les fuites. Automates : dans les armoires qui reçoivent les données de puissance consommée, pression, débit, température (pilotage automatique). 50 Ballon d’azote sous pression pour amortir les variations brusques de pression. Chaudière Alstom technologie à tubes de fumées 51 Chaudière Carosso technologie à tubes d’eau. Echangeur de chaleur vertical 52 Vase d’expansion : Principe de fonctionnement 1).- Avant la mise en température, la pression à l’intérieur du vase équilibre la pression statique de l’installation. L’azote occupe entièrement le volume du vase. La membrane reste plaquée contre la paroi. 2).- Pendant la mise en température, le volume d’eau dans le circuit augmente sous l’effet de la dilatation et comprime la membrane. Le volume d’azote diminue et la pression dans l’installation augmente. Après la mise en température, la pression finale avoisine la pression de tarage de la soupape de sécurité. 53 3).- A l’arrêt de la chaudière, l’eau du circuit se refroidit et la pression dans l’installation diminue. L’eau contenue dans la vase retourne dans le réseau pour rétablir la pression, et le volume d’eau. Annexe 6 : Dans cette image on peut voir une partie du tuyau d’acier nu et l’isolant qui l’enrobe 54 Cas 2 ligne(3) 55 Cas 2 ligne (4) 56 Cas 2 ligne (5) 57 Cas 3 ligne (2) et ligne (3)