Table des matières Introduction générale ................................................................................................. ............................................................................................................................... .............................. 6 CHAPITRE CHAPITRE I : INTRODUCTION INTRODUCTION GENERALE SUR LE GROUPE CMCP ................................... 7 Introduction ................................................................... ......................................................................................................................................... ........................................................................... ..... 8 I.
................................................................... ............................................. ................................. ........... 8 Historique de la CMCP ............................................
II.
................................................................. ......................................... ..................9 Organisation actuelle de la CMCP ..........................................
III.
.................................................................. ............................................ ................................... .............11 Politique énergétique ............................................
IV.
................................................................... ....................................... ................13 Procédé de fabrication du papier ............................................
................................................................. ............................................ ........................ .. 15 IV.1 Fabrication de la pâte à papier ........................................... ................................................................ ............................................ ....................................... .................16 IV.2 Fabrication de papier ..........................................
CHAPITRE II : ETUDE DES PERFORMANCES ENERGETIQUES DE LA CHAUFFERIE ... 25 I.
Description de la chaufferie ............................................................... ...................................................................................................... ....................................... 27 .................................................................. ............................................. ............................... ......... 27 I.1 Les chaudières de la CMCP ........................................... ................................................................ ....................31 I.2 Caractéristiques et utilisation de la vapeur d’eau ............................................
II.
Performances de la chaufferie ................................................................................. .................................................................................................. ................. 34
III.
Campagne de mesures ............................................................ ............................................................................................................... ................................................... 54
IV.
Résultats des calculs .................................................................................................... .................................................................................................................. .............. 56
V.
Bilans journaliers de la chaudière................................................................ ............................................................................................ ............................ 61
VI.
Estimation du prix de revient de la vapeur produite ............................................................. 63
VII.
Conclusion.................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 64
CHAPITRE III : ETUDE DESPERFORMANCES ENERGETIQUES DE LA CENTRALE THERMIQUE THERMIQUE................................................................ ...................................................................................................................................... ......................................................................... ... 66 I.
Généralités sur les turbines ...................................................................................................... ...................................................................................................... 67
II.
Turbine axiale SIEMENS 5 MW ............................................................................................. ............................................................................................. 69
III.
Campagne de mesures ............................................................ ............................................................................................................... ................................................... 80
IV. V. VI.
Résultats et commentaires......................... commentaires............................................................. .......................................................................... ............................................81 ......81 Evaluation économique des pertes........................................................... pertes............................................................................................85 .................................85 Conclusion..................................................................................................................................88
CHAPITRE IV : CALCUL DU RENDEMENT DE LA DISTRIBUTION ET DE LA CONSOMMATION CONSOMMATION DE VAPEUR .................................................................................................... ....................................................................................................... ... 89 I.
Rendement de la distribution ................................................................................................... ................................................................................................... 90
I.1 Distribution de la vapeur : ............................................................................................................... ............................................................................................................... 90 I.2 Chaleur dissipée entre la chaudière et la l a turbine........................................................................... turbine........................................................................... 90 I.3 Chaleur dissipée dans les autres conduites de la distribution ....................................................... 92 I.4 Chaleur dissipée totale.................................................................... ...................................................................................................................... .................................................. 92 I.5 Calcul du rendement de la distribution .......................................................................................... .......................................................................................... 93 1
II.
Rendement de la consommation................................................................... ............................................................................................... ............................ 93
CHAPITRE V : ACTIONS D’AMELIORATION D’AMELIORATION ............................................................................ 106 I.
Améliorations dans la chaudière ............................................................................. ............................................................................................ ............... 107 107
I.1 Diminution de l’excès d’air ........................................................... ............................................................................................................ ................................................. 107 I.2 Récupération de la chaleur des fumées ............................................................... ......................................................................................... .......................... 108 I.2.1 Echangeur de chaleur à roue r oue ..................................................................................................... ....................................................................................................... 108 I.2.2 Gain de combustible .................................................................................................................... .................................................................................................................... 111 I.2.3 Coût total d’investissement d’investissement ........................................................ ......................................................................................................... ................................................. 111 I.2.4 Temps de retour de l’investissement l’investissement .......................................................................................... 112 I.3 Récupération de la chaleur des purges ......................................................................................... ......................................................................................... 112 I.3.1 Principe d’un ballon Flash ......................................................... .......................................................................................................... ................................................. 112 I.3.2 Quantité de vapeur Flash récupérée .......................................................................................... .......................................................................................... 112 I.3.3 Dimensionnement du Ballon Flash ................................................................... ............................................................................................. .......................... 115 115 I.3.4 Coût total d’investissement d’investissement ........................................................ ......................................................................................................... ................................................. 115 I.3.5 Retour d’investissement ............................................................. .............................................................................................................. ................................................. 116 II.
Améliorations dans la turbine ................................................................................................ ................................................................................................ 118
III.
Améliorations dans le circuit de distribution ......................................................... ........................................................................ ............... 118
Conclusion générale et recommendations ................................................................ .......................................................................................... .......................... 120 120 Bibliographie......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... 121
2
Liste des figures Figure 1. Organigramme Organigramme de la CMCP............................................................... ...................................................................................................... ....................................... 10 Figure 2. Structure microscopique microscopique des fibres d’une feuille de papier ...................................................... 13 Figure 3. Schéma général de la fabrication du papier .............................................................................. 14 Figure 4. Stock de vieux papiers .............................................................................................................. .............................................................................................................. 16 Figure 5. Pulpeur .......................................................................................................... ...................................................................................................................................... ............................ 17 Figure 6. Epurateur centrifuge de la pâte ................................................................................................. 18 Figure 7. Dépastilleurs de la pâte ............................................................................................................. ............................................................................................................. 18 Figure 8. Action de raffinage de la pâte ............................................................................................. ................................................................................................... ...... 19 Figure 9. Caisse de tête............................................................... ............................................................................................................................. .............................................................. 20 Figure 10. Machine à double toile MK3 .................................................................................................. .................................................................................................. 21 Figure 11. Section de presse MK3 ........................................................................................................... ........................................................................................................... 21 Figure 12. Sécherie ...................................................................... ................................................................................................................................... ............................................................. 22 Figure 13. Lisse et Calandre ................................................................... ..................................................................................................................... .................................................. 23 Figure 14. Machine à papier ................................................................... ..................................................................................................................... .................................................. 24 Figure 15. Schéma énergétique ................................................................................................................ 26 Figure 16. Schéma d’une chaudière à tube d’eau ..................................................................................... 27 Figure 17. Ballon supérieur ............................................................................... ...................................................................................................................... ....................................... 29 Figure 18. Surchauffeur.............................................................. ............................................................................................................................ .............................................................. 29 ........................................................................... ................. 30 Figure 19. Configuration d’une chaudière à tube d’eau .......................................................... ....................................................................................................... ........................................ 33 Figure 20. Circuit de l a vapeur d’eau ............................................................... Figure 21. Le triangle de la combustion ............................................................ ................................................................................................... ....................................... 34 Figure 22. Evolution de la composition de fumée humide en fonction de l’excès d’air .......................... .......................... 45 Figure 23. Pertes par chaleur sensible de fumée ...................................................................................... ...................................................................................... 46 Figure 24. Schéma du bilan énergétique de la chaudière à tube d’eau ..................................................... 48 Figure 25. Diagramme d’évolution du rendement de la chaudière N°4 ................................................... 58 Figure 26. Courbes d’évolution des paramètres de la chaudière le jour 12/12/2012 ............................... 59 Figure 27. Evolution des pertes de fumée sensible le jour 12/12/2012 .................................................... 59 Figure 28. Evolution des pertes par purge le l e jour 12/12/2012 ................................................................. ................................................................. 60 Figure 29. Evolution des pertes par parois le jour 12/12/2012........................................................... ................................................................. ...... 60 Figure 30. Principe de la l a turbine à contre pression .................................................................................. .................................................................................. 69 Figure 31. Turbine SIEMENS de la CMCP ................................................................. ............................................................................................. ............................ 70 Figure 32. Principe de cogénération .................................................................. ......................................................................................................... ....................................... 72 Figure 33. Circuit dans une turbine à vapeur ........................................................................................... 73 Figure 34. Cycle de RANKINE pour la turbine à vapeur ........................................................................ 73 Figure 35. Diagramme de Molier représentant la détente de vapeur........................................................ 75 Figure 36. Schéma des phénomènes visqueux dans une roue d’une turbine axiale ................................. 80 Figure 37. Diagramme de Molier utilisé pour le calcul de Wis .......................................................... ................................................................ ...... 83 Figure 38. Courbes des performances de la turbine le 12/12/2012 .......................................................... 84 Figure 39. Disposition des cylindres sécheurs et parcours de la feuille ................................................... ................................................... 96 Figure 40. Principe du siphonage ................................................................................. ............................................................................................................. ............................ 97 Figure 41. Disposition d’un siphon fixe dans le cylindre ......................................................................... 97 Figure 42. Régime des condensats dans un cylindre .................. ................................................................................ .............................................................. 98 Figure 43. Schéma représentant le l e système cascade pré-sécherie .......................................................... 100 Figure 44. Flowsheet représentant le système hybride de la post-sécherie ............................................ ............................................ 102 Figure 45. Fonctionnement du thermocompresseur thermocompresseur ............................................................................... ............................................................................... 103 Figure 46. Echangeur de chaleur à roue .................................................................................. ................................................................................................. ............... 109 Figure 47. Schéma du Ballon Flash................................................................... ........................................................................................................ ..................................... 113
3
Liste des tableaux Tableau 1. Fiche d’identité du Groupe CMCP International Paper ......................................................... 11 Tableau 2. Caractéristiques techniques des chaudières ............................................................................ 31 Tableau 3. Caractéristiques de la combustion dans la chaudière 4........................................................... 36 Tableau 4. Caractéristiques du Gaz Naturel ............................................................................................. 36 Tableau 5. Volumes stœchiométriques de combustion ............................................................................ 40 Tableau 6. Tableau des mesures effectuées le 12/12/2012 dans le circuit eau-vapeur à la CMCP .......... 55 Tableau 7. Résultats du 12/12/2012 de la chaudière N°4 à la CMCP ...................................................... 57 Tableau 8. Analyse des eaux de chaudière N°4 du 12/12/2012 ............................................................... 58 Tableau 9. Rendement de la chaudière 4 durant le mois de Novembre 2012 .......................................... 62 Tableau 10. Calcul du prix de revient de vapeur (Novembre 2012) ........................................................ 64 Tableau 11. Caractéristiques de la turbine SIEMENS ............................................................................. 70 Tableau 12. Caractéristiques de la turbine après modification................................................................. 71 Tableau 13. Tableau des mesures de la turbine SIEMENS le 12/12/2012 ............................................... 81 Tableau 14. Calcul du bilan thermique de la turbine ................................................................................ 81 Tableau 15. Fiche technique des sécheurs................................................................................................ 94 Tableau 16. Avantages et inconvénients du système cascade ................................................................ 101 Tableau 17. Avantages et inconvénients du système hybride ................................................................ 103
4
Liste des abréviations
A
Volume d’air stœchiométrique
BP
Basse pression
Cb
Combustible
CMCP
Compagnie Marocaine des Cartons et Papiers
CH4
Chaudière 4
CH3
Chaudière 3
Cs
Consommation spécifique
e
Excédent d’air
GN
Gaz naturel
GPL
Gaz de pétrole liquéfié
HP
Haute pression
MP
Moyenne pression
MK1
Machine à carton 1
MK2
Machine à papier 2
MK3
Machine à papier 3
PCI
Pouvoir calorifique inférieur
RAK
Régie Autonome de Distribution d'Eau, d'Electricité et d'Assainissement liquide de la province de KENITRA
Re
Rendement du turboalternateur
Ris
Rendement isentropique
Rméc
Rendement mécanique
5
Introduction générale La vapeur d’eau, utilisée surtout pour le séchage grâce à sa grande fonction thermique, est l’un des éléments cruciaux dans l’industrie du papier et carton, et notamment dans la
Compagnie Marocaine des Cartons et des Papiers. C’est un paramètre stratégique sur lequel on peut jouer pour augmenter la qualité de la production et diminuer son coût.
Notre travail consiste alors à étudier les performances énergétiques de la chaudière générant la vapeur d’eau dans l’usine, celles de la turbine axiale à contre pression assurant la cogénération, et d’étudier le circuit de cette vapeur ainsi que sa consommation pour cerner le problème des
pertes de matière et chaleur dissipées.
Dans le premier chapitre, on présentera l’entreprise d’accueil tout en décrivant ses procédés de fabrication.
Dans les deuxième et troisième chapitres, on calculera le rendement de la chaudière à tube d’eau et de la turbine axiale Siemens respectivement, tout en s’appuyant sur des m esures, qu’on
a effectuées durant notre stage, afin de mettre en évidence l’état de fonctionnement des machines.
Le chapitre quatre sera réservé pour étaler notre étude sur les installations de distribution et de consommation de la vapeur d’eau, afin d’ y évaluer les différentes pertes énergétiques.
Enfin, le dernier chapitre amènera quelques actions d’amélioration et des recommandations
pour augmenter le rendement actuel des installations de vapeur.
6
Chapitre I
INTRODUCTION GENERALE SUR LE GROUPE CMCP
7
Introduction
De nos jours, le papier et le carton sont devenus omniprésents dans notre vie par leurs usages multiples. Leur consommation s’est élevée considérablement durant ces dix dernières années. En effet, grâce à ses avantages mécaniques, économiques et esthétiques, le papier s’impose comme support indispensable de la communication dans l'entreprise constituant ainsi
un complément des équipements d'informatique et de bureautique, de plus le carton est un matériau essentiel dans l’emballage, le conditionnement et l’édition.
Plusieurs entreprises Marocaines de transformation se sont intéressées à la fabrication du papier et carton destinés aux emballages, fournitures scolaires et équipements bureautiques comme GPC, Embalcarton, Maroc Emballage... Pourtant, la plus ancienne est « La Compagnie Marocaine des Cartons et du Papier » (CMCP) constituant ainsi un des piliers de l'économie
nationale, et contribuant au développement du secteur de l’industrie.
Cette première partie sera consacrée à la présentation de l’usine de la CMCP en décrivant d’abord l’historique de l’entreprise, son organisation actuelle, sa politique énergétique et enfin
le procédé utilisé pour la fabrication du papier.
I.
Historique de la CMCP Créée en Janvier 1949 par les groupes FERDINAND BEGNIN ; DARBLAY (OLMAC) et
(CELCO) près de Oued Sebou à K ENITRA, la CMPC n’était qu’une caisserie à cette époque, elle connut plusieurs extensions :
1951 : Installation d’une machine à carton plat.
1952 : Installation d’une machine à papier.
1978 : Installation d’un ordinateur (Système MEASUREX).
1994 : Installation d’une seconde machine à papier.
2000 : Fusion avec deux autres caisseries (d’Agadir et de Casablanca) et Certification
ISO 9001 par le cabinet TUV : Classement parmi les 30 premières entreprises Marocaines et 7ème dans l’activité d’emballage en Afrique.
8
2003 : Rapprochement au FINPACK, d’où le groupe CMPC est devenu groupe COFIPAC – Leader du marché Méditerranéen de la production du papier, carton et caisse d’emballage ; Trophée de l’Exportation grâce à un chiffre d’affaire dépassant 20
millions de DH.
2007 : CMCP est devenue une filiale du Leader Américain Mondial « International Paper ».
Aujourd’hui, « International Paper » dispose de 3 caisseries au Maroc, situées à
CASABLANCA, à KENITRA et à AGADIR. « International Paper » concentre ses activités dans deux filières : le carton ondulé et le papier et le carton recyclé pour diverses applications d’emballage. En plus, la société fabrique
des cornières de protection, mandrins et tubes à base de papier. CMCP KENITRA ne fabrique pourtant pas de carton ondulé. C’est une papeterie avec 3 machines à papier et carton d’une capacité totale de production d’environ 120 000 t/an.
II.
Organisation actuelle de la CMCP
L’organisation générale de la CMCP s’articule autour des directi ons suivantes :
-
Direction Générale
-
Direction Marketing et Communication
-
Direction Commerciale Caisserie
-
Direction Logistique
-
Direction Ressources Humaines
-
Direction Financière
-
Direction Audit Interne et Contrôle de Gestion
-
Direction Achat
-
Direction informatique
-
Direction Audit interne et contrôle de gestion
L’organigramme de l’usine est donné dans la figure 1 de la page suivante.
9
Président Directeur Général
Marketing et Communication
Direction Commerciale Caisserie
Pôle Caisserie
Pôle Papeterie
Direction Logistique
Direction R.H
Direction Financière
Direction Informatique
Figure 1. Organigramme de la CMCP
10
Direction Audit Interne
Contrôle De Gestion
Service Juridique
Direction Achat
La fiche d’identité du groupe CMCP International Paper est donnée dans le tableau suivant :
Tableau 1. Fiche d’identité du Groupe CMCP International Paper
Nom
CMCP International Paper
Date de création de la CMCP
1949
Activité
Fabrication de papier et carton
Adresse
Q.I BP 94 KENITRA
Chiffre d’affaire International Paper
25 billions de dollars
Ventes à l’export
22 %
Part du marché de papeterie
65 %
Effectif CMCP
664 personnes -
Production journalière CMCP Production annuelle totale CMCP
Machine à papier 250 t/jour Machine à carton 140 t/jour 140 000 t/an
III. Politique énergétique
La fabrication du papier et du carton est une industrie grande consommatrice de l’énergie. Dans le cas de la CMCP, cette énergie se répartie en :
-
Energie électrique (˜20%) destinée à l’alimentation des machines et ses auxiliaires.
-
Energie thermique (˜80%) pour le séchage et le conditionnement du papier fabriqué.
La consommation énergétique totale de la CMCP est de l’ordre de 694 386 kWh/j dont 168 000 kWh/j (»10MW) de consommation électrique.
La production d’énergie électrique est assurée :
Par une turbine à contre pression axiale du type SIEMENS ENG 25/20/50-3 :
Pnominale= 3200 kW
Vitessenominale=12587t/min
Padmission=40 bar 11
Pcontre-pression=2,3bar
T=440°C
Production journalière : 1900 kw/heure
Elle est de l’ordre de (25%).
Par le groupe électrogène :
2 moteurs Diesel de puissance chacun 3300 kW ; fonctionnant par le Fuel N°2 (Un seul en marche actuellement)
Elle est de l’ordre de (8%).
Par le réseau externe (RAK) :
Une puissance souscrite de 5800 kW
Elle est de l’ordre de (67%).
La production de l’énergie thermique est assurée :
Par une chaufferie fonctionnant soit au Fuel soit au gaz naturel :
1 chaudière N°4 : P= 40 bar ; T = 420°C ; QVapeur produite = 32 t/h (la plus utilisée).
1 chaudière N°3: 40 bar ; 420°C ; 12 t/h (utilisée juste en cas de besoin).
Il est à noter que la centrale thermique de la CMCP dispose d’une deuxième turbine à contre pression STAL qui ne fonctionne plus à cause de son faible rendement (2400 kW ;
Padmission=38 bar ; P contre -pression=2.4 bar ; T=420°C ). D’autre part, la CMCP dispose d’une s tation de traitement des eaux alimentant la chaudière
N°4 d’une capacité de 200 m3/jour ; 2 chaînes de déminéralisation (capacité maximale 300m3/j chacune) et une station d’ osmose inverse alimentée directement par l’eau de ville.
Dans le cadre de sa politique énergétique, la CMCP développe ses potentiels pour adopter une autonomie énergétique permettant d'accroître l’efficacité et réduire le coût de production. C’est dans cette perspective qu’elle utilise la turbine à contre pression de 3200 kW avec un soutirage
à 15bar, et suit un programme qui a pour objectif d’assurer une production énergétique 100% à partir du gaz naturel.
12
IV. Procédé de fabrication du papier
Le papier est une matière une matière inventée premièrement en Chine depuis le premier siècle. Il se présente sous forme de feuilles minces ou tissu continu. Il est fabriqué principalement à partir de fibres de fibres cellulosiques cellulosiques végétales ou animales, d’air et d e l’eau. Les charges minérales et les adjuvants peuvent être ajoutés pendant la fabrication pour améliorer les caractéristiques du papier.
Le papier est un matériau un matériau de base dans les domaines de l’écriture, du dessin, de l’impression, de l’emballage et de la peinture. Il est également utilisé dans la fabrication de composants
divers, comme les filtres. les filtres. Les fibres de cellulose sont principalement extraites du bois ou des papiers recyclés qui sont son t appelés les «vieux papiers» [1].
Figure 2. Structure microscopique des fibres d’une feuille de papier
-
Le bois utilisé est généralement pris des coupes d'éclaircies des forêts et des chutes de sciage du bois d'œuvre destiné à la menuiserie, l'ameublement ou la construction.
-
Les «vieux papiers» et cartons sont de vieux journaux ou papiers commerciaux, emballages industriels et ménagers, chutes de transformation...
Le procédé de fabrication du papier est donné dans la figure de la page suivante. 13
Produit chimique : sulfate d’alumine, CaCO3,Antimousses, pigments...
Balles Pâte neuve
Désintégration Discontinu
Continu
Raffinage
Balles Vieux papier
Désintégration Raffinage
Charges
Cuviers de mélange
Epuration
Dosage
Machine à papier
Lissage et Calandrage
Bobinage
Mise en format
Dilution
Colorants...
Eau d’égouttage
Pâte récupérée
Récupération MES
Boues
Traitement des rejets
Eau fraîche d’appoint Eaux blanches
Vers rivière
Figure 3. Schéma général de la fabrication du papier
14
IV.1 Fabrication de la pâte à papier
La pâte à papier représente la matière première du procédé de fabrication du papier. Les fabricants du papier et du carton, comme la CMCP d’ailleurs, reçoivent de la pâte en balles
pour la transformer en différentes sortes de papier. Au niveau national, la matière première est monopolisée par la société Cellulose du Maroc, filiale de l’ONA, qui dispose d’une unité de production à SIDI YAHYA Gharb. Sa capacité de production dépasse les 100.000 tonnes par an, dont plus de 90% sont destinés à l’export.
La fabrication des pâtes à papier consiste à diviser le bois en fibres primaires reliées entre elles par une substance appelée « lignine », tout
en essayant de conserver leurs propriétés
mécaniques, optiques et morphologiques [2]. Pour cela, il existe deux procédés :
La voie mécanique : Les rondins sont râpés par une meule ou les copeaux passent à
travers des disques défibreurs. La pâte résultante est essentiellement destinée à la fabrication de produits nécessitant moins de résistance, tels que le papier journal, certains papiers de presse magazine et certains cartons [2].
La voie chimique : Cuisson du bois et ajout de produits chimiques pour dissoudre
la lignine et récupérer les fibres de cellulose. On obtient ainsi les pâtes chimiques : pâte sulfate (ou pâte kraft), pâte sulfite... utilisées pour la fabrication de produits qui offrent une grande résistance comme les papiers d’impression et d’écriture, les papiers à usages
sanitaires et domestiques et certains papiers et cartons d’emballage [2].
Il existe plusieurs procédés hybrides (mi- chimiques), combinant de façon variable la pureté de la pâte chimique et le bon rendement de la pâte mécanique.
15
IV.2 Fabrication de papier
L’usine de CMCP utilise comme matière première entrante un mélange de la pâte neuve dite noble, achetée, et les vieux papiers (journaux, magazines, caisses en carton ondulé, chutes de transformation). En effet, ces derniers peuvent être utilisés soit seuls, soit en mélange avec les pâtes nobles, selon l’exigence de la qualité du produit fini.
L’utilisation des vieux papiers souligne plusieurs avantages :
-
Coût inférieur à celui des différents types de pâtes nobles achetées.
-
Obtention de papiers plus opaques
-
Meilleure stabilité dimensionnelle
-
Qualité d’impression voisine de celle obtenue à partir de pâtes neuves.
Malgré la pluralité de leurs avantages, les pâtes recyclées n’échappent guère aux inconvénients :
-
Production de papiers parfois à résistance faible et blancheur insuffisante (On peut ajouter dans ce cas une certaine proportion de pâte chimique afin d’améliorer la
solidité) -
Problème des contaminants: les encres, les particules lourdes (fils de fer, agrafes...) et les particules légères (plastiques, bois...).
Figure 4. Stock de vieux papiers
16
IV.2.1 Préparation des fibres (Trituration) Un pulpeur -grand consommateur d’ énergie (35 à 70kWh/ tonne de papier)- constitué d’une cuve cylindrique dans laquelle un rotor à dents ou à pâles crée de fortes turbulences, est utilisé pour désintégrer les balles de vieux papiers dans l’eau, mettre les fibres en suspension et les
individualiser sans fragmenter les contaminants.
Figure 5. Pulpeur
IV.2.2 Epuration Le but de cette étape est d’éliminer les impuretés grossiers telle que : le sable, gravier, pièces métalliques, fils de fer, ficelles, plastiques. Deux types d’épurateurs sont donc installés à la sortie du pulpeur précédent pour ce faire. Des épurateurs se basant sur la différence de taille entre les corps étrangers et les fibres (tamis vibrants et classeurs à fentes ou à trous). Et d’autres épurateurs agissant par voie densitométrique (Cleaners ou épurateurs centrifuges).
17
Figure 6. Epurateur centrifuge de la pâte
IV.2.3 Dépastillage Après l’étape d’épuration, la pâte passe par un dépastilleur tournant à grande vitesse (1000 à 3000 tr/min) comportant deux disques dentelés, l’un fixe, l’autre mobile, munis de lames distantes de plusieurs millimètres (distance réglable). Cette phase permet d’atteindre la désagrégation totale des agglomérats fibreux subsistants.
Figure 7. Dépastilleurs de la pâte
IV.2.4 Raffinage Cette étape comporte une action mécanique sur les fibres en milieu aqueux par passage forcé de la suspension fibreuse entre deux disques garnis de lames d’ un raffineur, ce qui provoque :
18
-
Une hydratation et donc un gonflement de la fibre par pénétration d’eau, d’où une meilleure souplesse chez celle-ci et une augmentation du nombre de liaisons interfibres (papier plus solide).
-
Une fibrillation externe résulte de la friction entre fibres et entre fibres et lames. En effet, des éléments fins appelés « fibrilles », se détachent de la paroi secondaire (paroi primaire déjà détruite lors de la trituration) et augmentent la surface externe de la fibre, et donc les couches internes de la fibre, plus riches en hémicelluloses, apparaissent, d’où une augmentation de l’énergie de liaison entre fibres.
Figure 8. Action de raffinage de la pâte
IV.2.5 Machine à papier La suspension fibreuse, à une concentration de 4 à 5%, est dirigée après l’étape de raffinage vers des « cuviers machine » pour le stockage à légère agitation. Une autre épuration est subie par la pâte avant d’arriver à la machine pour éliminer le maximum possible d’impuretés indésirables (écorces, sables, agglomérats de fibres et de charges, plastiques...). Après épuration, la pâte est diluée par les eaux blanches récupérées en dessous de la toile de la machine pour favoriser l’homogénéité des fibres.
La machine à papier est composée principalement des parties suivantes :
-
¨La partie humide :
Caisse de tête
19
La caisse de tête reçoit la suspension fibreuse épurée et diluée à la machine à papier à des vitesses comprises entre 2.5 et 6 m/s. Elle délivre ensuite la suspension à la toile de table de fabrication à travers une section rectangulaire, très allongée, en une lame, ayant une vitesse proche de celle de la toile. La caisse de tête comprend donc: un répartiteur, une capacité (la caisse), et un convergent.
Figure 9. Caisse de tête
-
Table de formation
La CMCP dispose d’une machine à formes rondes (MK1), et de deux machines à table plate (MK2 et MK3), c’est le type d’unité le plus répandu d’ailleurs. Ce dernier type est constitué d’un châssis autour duquel tourne une toile sans fin fabriquée en fils métalliques ou
synthétiques et sur laquelle se forme la feuille. Les fibres longues se déposent sur les mailles de la toile quand le jet sort de la caisse de tête puis, à l’aide du colmatage, les fibres plus fines se retiennent de mieux en mieux.
La CMCP utilise une machine à double toile équipée d’une deuxième table supérieure (MK3), formant une deuxième feuille comme couche supérieure et de qualité meilleure que la feuille inférieure. Les deux feuilles sont ensuite assemblées par un essorage entre les deux toiles au niveau des caisses humides, ce qui favorise l’amélioration de la qualité du papier.
20
Figure 10. Machine à double toile MK3
-
La section des presses
Etant donné que la feuille quitte la toile de fabrication à une siccité comprise entre 16 et 23% suivant les papiers, une section de presse avant l’étape de séchage est nécessaire pour diminuer l’humidité. Cette dernière qui est l’inverse de la siccité, dépend du degré de raffinage, du
grammage, de la composition fibreuse, des produits auxiliaires utilisés et des moyens d’égouttage. La section de presse permet donc de :
-
Diminuer la quantité d’eau avant de l’envoyer à la sécherie par essorage de la feuille
supportée par une toile absorbante, entre deux rouleaux revêtus de Caoutchouc, de Stonite, ou de Microroc. -
Augmenter la résistance de la feuille.
Figure 11. Section de presse MK3
21
La sécherie :
Après l’essorage subi à la section des presses, la feuille atteint une siccité de 33 à 45%. L’eau libre étant pratiquement éliminée, il reste uniquement l’eau absorbée par les pores et l’eau capillaire. C’est l’étape de séchage qui va favoriser l’évaporation de l’eau restante par le
phénomène de transfert massique, et éliminer ainsi la vapeur formée arrivant ainsi à une siccité entre 93% à 95% en utilisant la chaleur et l’air.
La sécherie est constituée par plusieurs cylindres creux (55 cylindres dans la machine MK3 et 45 cylindres dans la machine MK1) de 1.5 de diamètre, en fonte ou en acier, ayant une rotation continue à des vitesses lentes, et regroupés en «batteries» et alimentés par la vapeur produite par la chaudière N°4 afin d’élever la température de la feuille au contact. Cette dernière est supportée par une toile à base de fibres synthétiques, ayant une grande perméabilité à l’air soufflé facilitant ainsi l’évacuation de l’humidité et assurant un meilleur conditionnement du papier. Les cylindres sont capables de supporter une pression de vapeur de 3 à 4bars.
Pour empêcher l’air humide de se propager dans la salle, la sécherie est enveloppée par une « hotte » qui permet une aération efficace de la sécherie par soufflage d’air chaud, tout en améliorant le rendement calorifique du séchage.
Figure 12. Sécherie
Finition :
Comme finition de la fabrication des papiers, on tend à assurer des surfaces unies, douces au toucher et brillantes. On effectue les opérations suivantes pour ce faire :
22
-
La lisse (Apprêteur)
C’est la première machine qui vient après la sécherie. Elle est constituée de trois à huit
rouleaux creux superposés, en fonte dure trempée, très polis extérieurement, montés sur paliers coulissants permettant l’écartement entre les rouleaux pour varier la pression. La lisse sert à écraser les crêtes, et adoucir le papier sortant brut de la sécherie.
-
La calandre (Supercalandre)
Le principe de cette étape est de favoriser un micro-glissement entre des rouleaux en fonte trempés qui sont alternés avec des rouleaux élastiques. Le but est de satiner le papier et de le rendre brillant comme un tissu de satin.
Figure 13. Lisse et Calandre
Enfin, le papier est enroulé par une bobineuse de 4 à 5 tonnes et il est, selon la demande, soit envoyé vers la découpeuse qui découpe en ‘rames’ de feuilles, soit enroulé en bobines plus
petites permettant sa transformation en caisse.
Le schéma général récapitulant les étapes de la machine à papier est présenté dans la page suivante.
23
97,5 %
84%
55 %
7%
A : La table de formation inférieure
1 : La caisse de tête
Teneur en eau 6: Les cylindres sécheurs
B : La table de formation supérieure
2 : La toile sans fin
7: La lisse
C : Section de presse
3 : Pontuseaux
8: Capteur de contrôle de qualité
D : La sécherie
4 : Caisse humide (caisse aspirante)
9: Bobineuse
E : La finition
5 : Le bassin à eaux blanches Figure 14. Machine à papier
24
Chapitre II
ETUDE DES PERFORMANCES ENERGETIQUES DE LA CHAUFFERIE
25
Introduction L’énergie est une entité qui suit la fameuse règle de LAVOISIER « Rien ne se perd, rien ne se crée ». En effet, l’énergie peut se transformer en divers aspects. Les principales sources de l’énergie sont les énergies primaires (Mix ou bouquet énergétique ) directement
accessibles dans la nature et qui comportent les énergies fossiles (Charbon, pétrole, gaz naturel), les énergies nucléaires et les énergies renouvelables (hydraulique, biomasse, solaire, éolien, géothermie, énergie des marées) [3]. Dans le cas de la CMCP, on utilise de l’ énergie fossile pour la transformer en énergie thermique (vapeur d’eau) à l’aide d’une combustion effectuée dans une chaudière à tube d’eau
(Chaudière N°4), et en énergie électrique par le biais d’une turbine à contre-pression. Ces énergies sont utilisées pour assurer l’alimentation des machines dans l’usine.
Le carbone et l’hydrogène sont les principaux composants du combustile. Le procédé de combustion leur permet de se combiner à l’oxygène apporté par l’air pour donner de la chaleur et du pouvoir calorifique. Idéalement, la combustion permet d’oxyder le carbone en gaz carbonique (CO2) et l’hydrogène en vapeur d’eau (H2O). Cependant, une combustion incomplète crée des imbrûlés. Donc il faut faire passer plus d’air (excès d’air ayant environ 21 % d’oxygène par volume) par le brûleur pour assurer une combustion complète. Toutefois, cette opération contribue à l’augmentation des pertes de chaleur sensible des fumées et donc à la dissipation de l’énergie et à la pollution de l’envi ronnement .
Ceci nous ramène à l’étude du point optimal de fonctionnement de l’ usine par l’évaluation des performances énergétiques au niveau production, transformation, transport et stockage de l’énergie (figure 15), afin d’augmenter la qualité de production et d’en minimiser le coût.
Figure 15. Schéma énergétique
26
I.
Description de la chaufferie La chaufferie de la CMCP se compose de deux chaudières moyenne pression (40 bars) de
type à tube d’eau fonctionnant soit au fuel soit au gaz naturel ou un mélange des deux pour la
chaudière N°4. I.1 Les chaudières de la CMCP
Une chaudière vapeur est l’élément le plus important d’un réseau vapeur . Avant tout, c’est l’endroit où se crée la vapeur, un réservoir dans lequel l’énergie d’ un combustible est cédée à
un liquide permettant ainsi de changer l’état d’une phase liquide à une phase gazeuse [4].
Figure 16. Schéma d’une chaudière à tube d’eau
On distingue dans une chaudière donc: a) Les brûleurs (haut et bas se trouvant à gauche) :
Ce sont le moteur de la chaudière, ils permettent de réaliser la combustion. Ils doivent créer le maximum « d'effet thermique », et ce par un mélange air/combustible le plus homogène possible grâce à la meilleure proportion entre les deux constituants.
27
Le brûleur est constitué de: · Un injecteur amenant le combustible. · Une amenée d'air comburant. · Une tête de brûleur ou gicleur
Il ya différents types de brûleurs selon la nature du combustible utilisé. Dans le cas du combustible Fuel, le brûleur assure : · La pulvérisation du combustible dans la chambre de combustion pour augmenter la surface de contact avec l'air. · La distribution judicieuse du combustible pulvérisé dans l'air comburant afin de réaliser un meilleur mélange possible. b) Le ballon d’eau supérieur et inférieur :
Ils permettent de séparer la phase liquide de la phase vapeur et de minimiser la température du condensat avant rejet à l’égout. En effet, les gouttelettes d'eau se trouvant dans la vapeur peuvent causer l’endommagement de l’installation. Le ballon supérieur, au niveau duquel se fait l'alimentation en eau de la chaudière assure une bonne séparation du mélange eau-vapeur à l’aide des chicanes canalisant le mélange vers les cyclones séparateurs. La vapeur passe par des filtres de vapeur avant de quitter le ballon supérieur et d’arriver au surchauffeur. Quant au ballon inférieur, il est constitué d'un désurchauffeur de vapeur et d'une purge à extraction rapide. Les deux ballons sont composés de tôle et comportent tous les accessoires nécessaires tels que le trou d'homme, la tubulure... Les tubes constituants les murs de la chambre de combustion sont assemblés par dudgeonnage aux deux ballons.
28
Figure 17. Ballon supérieur
c) Vaporisateur
Le vaporisateur assure la fin de l'échauffement de l'eau (en cas de non vaporisation dans l’économiseur) et la production de la vapeur. Il est constitué d’écrans soudés à la chaudière et
est complété par des faisceaux. d) Surchauffeur (rouge)
Ce sont des tubes de surchauffe de la vapeur produite. Ils reçoivent de l’extérieur les gaz provenant de la chambre de combustion. La vapeur saturée venant du haut du réservoir passe dans les tubes des surchauffeurs, où sa température est élevée à pression constante.
Figure 18. Surchauffeur e) Economiseur sur la conduite des fumées (vert) Il permet de préchauffer l’eau alimentaire provenant du dégazeur à l’aide des fumées déjà
préalablement refroidies. C’est un échangeur de chaleur à circulation d'eau inversée par rapport
29
à celle des gaz de combustion. L'échange de la chaleur se réalise par convection, il a pour but l'augmentation du rendement thermique.
Ces chaudières sont donc très onéreuses et permettent d’obtenir des puissances importantes avec des pressions élevées ou de la vapeur surchauffée. L’eau provenant de la bâche alimentaire circule à l’intérieur des tubes et les gaz de combustion à l’extérieur .
Le principe de ces chaudières se base sur la circulation naturelle de l’eau. En effet, l’eau froide est introduite dans le ballon vapeur supérieur puis retombe dans le ballon inférieur (ballon des boues) étant donné que sa densité est supérieure à celle de l’eau chaude.
Quand l’eau est chauffée dans le tube soumis à la chaleur, sa densité diminue. L’eau chaude et
les bulles de vapeur remontent à nouveau au ballon supérieur où la vapeur se sépare naturellement de l’eau et peut être distribuée, c’est l’effet thermosiphon.
Cependant lorsque la pression augmente, la différence entre la densité de l’eau et de la vapeur
saturée diminue, ce qui entr aîne une diminution de la circulation. Pour garder le niveau d’eau constant à la pression de calcul, on doit augmenter la distance entre les 2 ballons [5].
La figure ci-dessous en récapitule le fonctionnement :
Figure 19. Configuration d’une chaudière à tube d’eau
Les caractéristiques des chaudières de la CMCP sont regroupées dans le tableau suivant :
30
Tableau 2. Caractéristiques techniques des chaudières
Chaudière N°
Ch3
Ch4
Type
Tube d’eau+ Economiseur
Tube d’eau+Economiseur
Combustible utilisé
Fuel
GN / Fuel
Capacité (t/h)
12
32
T (°C)
420
420
P (bar)
40
40
Fréquence de marche
rarement
fréquemment
Analyseur de fumée
Aucun
% O2
Compteur de Cb
Aucun
Aucun
Compteur de vapeur
Existant
Existant
Purge
Extraction seule
Extraction (6fois/jour suivant la qualité de l’eau, avec
text≈8s) + purge continue Analyse d’eau
1fois/jour
1fois/jour
A noter que la chaudière N°3 n’est pas utilisée actuellement (utilisée seulement pour l’appoint)
et que seule la chaudière N°4 est en marche. Donc on va travailler seulement sur la chaudière 4. Cette dernière alimente en vapeur d’eau la centrale électrique (turbine SIEMENS) et les installations de production de papier et carton.
I.2 Caractéristiques et utilisation de la vapeur d’eau
La vapeur d’eau est le fluide caloporteur le plus utilisé dans l’industrie (pétrochimie, chimie,
agroalimentaire, bois, pneumatiques, blanchisseries…) grâce à sa disponibilité dans la nature et ses propriétés thermo-physiques particulièrement adaptées aux transferts de chaleur. En plus, l'eau et sa vapeur qui constitue l’état intermédiaire entre le liquide et le gaz, ne sont ni offensives ni toxiques.
31
A température élevée et à basse pression, la vapeur peut être assimilée à un gaz parfait. Cependant, dans les turbines à vapeur et les échangeurs de chaleur on utilise la vapeur à des pressions et températures qui ne permettent pas de lui appliquer la loi des gaz parfaits, d’où l’utilisation des abaques et des tables de vapeur.
Dans le cas de la CMCP, la vapeur d'eau produite par la chaudière N°4 est le fluide porteur de chaleur et fluide moteur de la turbine. En effet, cette vapeur est renvoyée par des conduites calorifugées à la centrale thermique où elle est transformée pour produire à travers la turbine de l'énergie mécanique, elle même transformée en énergie électrique au moyen des turboalternateurs. La vapeur à basse pression est ensuite condensée et renvoyée dans l'installation sous forme liquide (condensat), ou bien on l'utilise dans un réseau de chauffage (distribution de chaleur).
Calorifugeage des conduites de vapeur :
La vapeur d’eau circule à travers des conduites calorifugées avec de « la laine de Roche »
ou « ligne de verre ». En effet, la laine de roche présente des propriétés excellentes d’isolation thermique grâce au grand nombre de cellules d’a ir concentré dans sa structure. Quant à la ligne de verre, elle se manifeste par un double vitrage thermique constitué de deux feuilles de verre assemblées et scellées, séparées par un espace étanche renfermant de l'air , d’où sa résistance thermique importante.
Un schéma simplifié décrivant le circuit de la vapeur dans l’usine est présenté dans la page
suivante.
32
D é g a z e u r
Eau de ville
Bâche alimentair e
Chaîne de déminéralisation
Osmoseurs
Retour condensat de MK1 et MK3
CH4
CH3
Eau désurchauffée
ARRET
Détente (40-> 15 bars)
MARCHE
Détente (15->7bars)
Détente (40-> 15 bars)
Pulvérisations et réchauffage Fuel Groups électrogènes
Détente (15-> 6 bars)
Barillet 40 bars Turbo STAL 2.4 M
MK3: Prép. amidon
Turbo SIEMENS 5 MW
MK3: Thermocomp Détente (15->8bars)
Détente( 40->2 bars)
ARRET
Condensat
MARCHE
Détente (15->2bars)
MK3 (20 t/h)
Barillet 15 bars
Dégazeur
Barillet 15 bars
MK1: Groupe BRUNCHWEILER
Détente (15->2.2bars)
Vapeur
MK1: Prép amidon Détente (15->2bars)
MK1: Aérotherme Détente (15->2bars)
Figure 20. Circuit de la vapeur d’eau 33
MK1 (15t/h)
Performances de la chaufferie
II.
Pour vérifier les performances actuelles de la chaufferie de la CMCP, on va étudier dans un premier temps quelques caractéristiques essentielles de la combustion réelle du gaz naturel (Méthane), le Fuel n’étant pas utilisé en ce moment. Puis on va procéder au calcul des pertes
par l’élaboration d’un bilan thermique global de la chaufferie.
II.1. Combustion dans la chaudière
La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. La réaction chimique de combustion ne peut se produire que si l'on réunit trois éléments: un comburant, une énergie d'activation en quantités suffisantes et un combustible. La CMCP utilise le
gaz naturel (Gaz Méthane) et le Fuel N°2 comme combustibles.
Figure 21. Le triangle de la combustion
Le gaz :
Combustible facilement brûlé avec très peu d’excès d’air comburant. Deux types de gaz sont
disponibles :
-
Gaz naturel : produit en sous sol et utilisé dans son état naturel mis à part les
impuretés à éliminer, il contient du méthane sous sa forme la plus commune. -
Gaz liquéfiés : produits après raffinage du pétrole et stockés à l’état liquide sous
pression tel que le Propane et le Butane [4].
34
Le gaz naturel présente des rendements avantageux par rapport aux autres combustibles (solides ou liquides), grâce à son homogénéité intime avec l’air de combustion qui lui permet de brûler facilement avec très peu d’excès d’air comburant. C’est la raison pour laquelle le
gaz naturel est le pus utilisé pour la combustion à la CMCP.
Le fuel :
C’est un résidu de pétrole. Après différents étages de distillation, on retrouvera le fuel léger,
la paraffine, le kérosène et le gas oil. Il existe différents grades de fuel :
-
Classe D : gas oil
-
Classe E : fuel léger
-
Classe F : fuel moyen ou peu lourd
-
Classe G : fuel lourd
En général, la combustion d’un litre de Fuel produit 14 kg de vapeur [4].
Dans le cas de la CMCP, la consommation en fuel ne dépasse pas 2% de la consommation annuelle de combustible (d’après les bilans établis par l’usine), il est utilisé seulement en cas
de manque de gaz naturel ou chute de pression dans la conduite de transport, présence de l’eau ou des impuretés.
Le méthane est utilisé dans la chaudière avec un taux de 98%/an, soit environ 60.000 Nm3/jour. Il provient des forages qui se trouvent dans les régions de GHARB (SOUK TLAT, DAR ELGADARI… ) à travers une conduite de diamètre 10cm et d’une pression au point d’arrivée de 30-35 bars.
Le tableau suivant regroupe les caractéristiques de combustion dans la chaudière N°4 :
35
Tableau 3. Caractéristiques de la combustion dans la chaudière 4 Paramètre
Fuel N°2
Gaz naturel
Air comburant
Méthane
3 020 kg/h
3 620 Nm /h
38 000 Nm /h
T (°C)
120
20
20
P (bar)
20
30-35
20-22 mbar
Brûleurs /
4 brûleurs, Marque
4 brûleurs à gaz
Ventilateur d’air
Ventilateur d’air
Pillard ZV2/56 AS
pieuvre 5314
Type MA 36
Débit max de consommation
Réf 5314
Ventimeca
Dans la suite, on va se focaliser sur la combustion du gaz naturel qui est le plus utilisé à la CMCP.
II.1.1 Caractéristiques du gaz naturel
Les caractéristiques du gaz naturel sont données dans le tableau suivant : Tableau 4. Caractéristiques du Gaz Naturel Composition chimique %CH4
%N2
99.468
0.532
T d’inflammation (°C)
PCI (kcal/m3)
PCI (kcal/kg)
650
8043.98
11261,6
II.1.2 Réaction de combustion
D’après
le tableau ci-dessus montrant la composition chimique du gaz naturel, nous
pouvons considérer que le combustible utilisé est composé totalement de Méthane, donc nous allons négliger l’Azote dans les calculs qui suivent.
La réaction de combustion est :
36
-PCI
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
II.1.3 Volume d’air stœchiométrique
C’est le volume d'air nécessaire et suffisant pour assurer une combustion complète sans excès d’air, de l’unité de gaz naturel.
Donc, on a : n(O2) = 2 n(CH4) = 2 n(CO2) = n(H2O) Donc : V(O2) 22.4
= 2
V(CH4) 22.4
Avec 22.4 l/mol : volume molaire du gaz aux conditions normales.
D’où : V(O2) = 2 V(CH 4)
Si on pose :
A=
Alors on a :
V(O2) 0,21
A=
Avec : A : Volume d’air stœchiométrique
37
() ,
II.1.4 Fumée sèche et humide
a) Fumée sèche :
Volume de fumée sèche
Le volume de fumée stœchiométrique est donné à pression constante par la relation:
F st V CO 2 V N 2 Fst : Volume de fumée sèche stœchiométrique
Donc :
F st
V O 2 2
0.79 A
A : Volume d’air stœchiométrique Soit :
0.21 F 0.79 A 2 st
Donc st
F = 0.895 A
Composition de fumée sèche
La fumée sèche est composée de CO 2 et d’Azote donc :
% CO2 + % N2 = 100 %
38
Soit
α
st
st
+ γ = 100%
Avec : st
α : % de CO 2 dans la fumée sèche γst : % de N2 dans la fumée sèche
st st
V CO 2 F st
%
0.21 A 2 * 0.895 A
% 11.73% de CO2
100 11 .73 88 .27 % d’Azote
b) Fumée humide Volume de fumée humide
-
La fumée humide peut être calculée suivant la relation :
st
st
Fh = F + V (H2O) st Fh : Volume de fumée humide stœchiométrique st F : Volume de fumée sèche stœchiométrique
Donc :
Fh st = 1,105 A
A : Volume d’air stœchiométrique
Composition de fumée humide
La composition de la fumée humide tient compte du volume d’eau, donc :
st
V CO 2 st
Fh
%
0.21 A 2 * 1.105 A
% 9.5% de CO2
39
st
V H 2O
st
V N 2
st
Fh
st
Fh
0.21 A
%
%
1.105 A 0.79 A
1.105 A
% 19% de H2O
% 71,5% de N2
En appliquant les relations précédentes à V = 1 m3 de gaz naturel, on trouve :
Tableau 5. Volumes stœchiométriques de combustion st
V air
F
st
Fh
(m3/m3GN)
(m3/m3GN)
11.73 %CO2 88.27 %N2 8.52
9.52
(m3/m3GN)
9.5%CO2 19%H20 71.5%N2 10.52
II.1.5 Excès d’air
On sait que la fumée comporte la fumée sèche et l’excès d’air non réagi, donc :
F F st e A F : Volume de fumée avec excès d’air F st : Volume de fumée sèche stœchiométrique e : Coefficient d’excédent d’air. A : Volume d’air stœchiométrique
Et on a :
O2 F
F
O2
ω : % O2 dans la fumée donné par l’analyseur de fumée. D’où
0.21e A
F st e A 40
et
(
0.21
1)e
F st A
Et puisque Fst = 0.895 A, on a :
(
0.21
1)e 0.895
Donc l’excédent est donné par :
e 0.895
0.21
%
ω : % O2 dans la fumée donné par l’analyseur de fumée.
II.1.6 Composition de fumée en présence d’excès d’air
Fumée sèche :
On trouve les compositions de la fumée avec excès d’air (présence d’oxygène) e n appliquant
le même raisonnement du paragraphe (§ II.1.4), soit :
0.895 0.895 e
st
100 ( )
α : % CO 2 dans la fumée sèche avec excès d’air ω : % O2 dans la fumée donné par l’analyseur de fumée.
e : Coefficient d’excédent d’air st
α : % de CO 2 dans la fumée sèche stœchiométrique γ : % N2 dans la fumée sèche avec excès d’air
A noter que d’après la relation précédente, on a :
41
e
F st st
1 A
Donc
0.21
st
1
0.21
st
1
Fumée humide
Dans le cas de la présence de vapeur d’eau, les équations sont :
0.895 e ' 1.105 e
1,105 1,105
e
st
1,105 1,105
e
st
100 ( ) Avec : α : % CO 2 dans la fumée humide avec excès d’air ω : % O2 dans la fumée donné par l’analyseur de fumée ω’ : % O2 dans la fumée humide sans excès d’air
e : Coefficient d’excédent d’air st α : % de CO 2 dans la fumée humide stœchiométrique st
β : % H2O dans la fumée humide stœchiométrique sans excès d’air β : % H2O dans la fumée humide avec excès d’air γ : % N2 dans la fumée humide avec excès d’air
Une courbe d’évolution de la composition de fumée humide en fonction de l’excès d’air a été tracée dans la figure 22 suivant les équations ci-dessus. II.1.7 Pertes par chaleur sensible de fumée C’est la chaleur emportée par les gaz de combust ion à la sortie de la cheminée, elle est donnée
par la relation :
42
P f
F h H f (1 e) A H a PCI
100
Soit :
Q f
P f
Qt
100
Avec :
H a :
C’est l’enthalpie de l’air d’entrée (dépend seulement de la température), elle est
donnée par la relation suivante :
H a
H f
Cp ( a ) T a
kcal / k g
0.22 T a
: C’est l’enthalpie de la fumée après la dernière surface d’échange (économiseur ) :
H f Cp( f ) * T f
%i * Cp(i) *T
f
kcal / kg
Avec : Cp (CO2) = 0.19 + 0.61 10-4*T Cp (H2O) = 0.457 + 0.83 10-4*T
(T en Kelvin)
Cp (O2) = 0.185 + 0.81 10-4*T Cp (N2) = 0.232+ 0.36 10-4*T
La masse volumique de la fumée est donnée par :
f
M f 22.4
44 18 32 28 22.4 *100
43
kg / m 3
Conclusion D’après l’équation des pertes par chaleur sensible de fumée, on conclut que ces derniers sont
fonction de la température d’entrée de l’air, celle de sortie de la fumée et du coefficient d’excédent (e). Ainsi, pour diminuer ces pertes il faut : Augmenter la température d’entrée d’air par l’installation d’un réchauffeur d’air qui
échange la chaleur des fumées en chauffant l’air comburant (économise 5% du
combustible)
Diminuer la température de sortie de fumée par installation des échangeurs de récupération : Economiseur généralement en fonte, qui réchauffe l’eau d’alimentation de la chaudière (économise 5% du combustible)
Limiter l’excès d’air à une valeur optimale
Une courbe des pertes de fumée a été représentée en fonction de l’excès d’air et de la température de sortie, pour une température d’air ambiant de 30°C (figure 23).
44
22,00
20,00
18,00
16,00
14,00
CO2 12,00
H2O
%
O2
10,00
Fum hum Vair
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00 0
10
20
30
40
50
60
70
80
ex cès d'air
Figure 22. Evolution de la composition de fumée humide en fonction de l’excès d’air 45
90
100
14,00
13,00
12,00
11,00
T=115 °C 10,00
T=120°C
s e t r 9,00 e p %
T=125 °C T=130°C T=135 °C T=140°C
8,00
T=110°C 7,00
6,00
5,00
4,00 0
10
20
30
40
50
60
70
%excès d'air
Figure 23. Pertes par chaleur sensible de fumée 46
80
90
100
II.1.8 Rendement de la combustion
Le rendement de combustion est l'image de la qualité de la combustion et de l'échange thermique entre les fumées et le fluide caloporteur [6]. Il se définit par : comb =
(Pa - Pertes fumées) / P a
Pa = puissance contenue dans le combustible = débit de combustible x PCI (combustible) En pratique, le rendement de combustion peut être exprimé par la formule de SIEGERT [6]:
comb = 100 - f x (T fumées - Tamb) / %CO2
Tfumées = la température des fumées à la sortie de la chaudière [°C]
Tamb = température ambiante de la chaufferie [°C]
%CO2 = la teneur en CO2 des fumées [%]
f = facteur dépendant principalement du type de combustible (gaz naturel : f = 0,47)
II.2. Bilan thermique de la chaudière
Le bilan thermique de la chaudière à tube d’eau comprend les entrées – sorties suivantes : Entrées :
Eau alimentaire
Combustible (Méthane)
Air comburant Sorties :
Vapeur produite
Pertes par purges
Pertes fumées
Pertes par rayonnement
Autres pertes 47
Le schéma suivant représente clairement le bilan énergétique de la chaudière :
Vapeur
) F , f Q ( e é m u F ( D v , H v )
Eau (Qe, De)
Rayonnement P u r g e ( H p ,D p )
Combustible (PCI,Dcb)
Autres pertes
Air (Qa, (1+e)A)
E x t r a c t
Les pertes
io n
Energie utile
Energie fournie
Figure 24. Schéma du bilan énergétique de la chaudière à tube d’eau
Le bilan thermique s’écrit : Ee + Ec = Ev + Pp +Pf + P(R) + Pa
Ee : L’énergie apportée par l’eau : Ee = De * He De : Débit massique moyen de l’eau à l’entrée de la chaudière (kg/s) He : Enthalpie de l’eau à l’entrée de la chaudière (kJ/kg) Ec : L’énergie dégagée par la comb ustion : Ec = Dc * PCI 48
Dc : Débit massique du combustible à l’entrée de la chaudière (kg/s) PCI : Pouvoir calorifique inférieur du méthane (KJ/kg) Ev : L’énergie transportée par la vapeur d’eau : Ev = Dv * Hv Dv : Débit de la vapeur à la sortie de la chaudière (kg/s) Hv : L’enthalpie de la vapeur à la sortie de la chaudière ( kJ/kg) Pp : Pertes par purge Pf : Pertes par chaleur sensible de fumée P(R) : Pertes par parois Pa : Autres pertes
II.3. Rendement de la chaudière
Cas du combustible GAZ NATUREL
Le rendement utile d'une chaudière est son rendement instantané lorsque le brûleur est en marche :
utile = (Qu/ Qt) × 100
[%]
Avec :
Qu : Quantité de chaleur réellement utilisée pour la transformation
Qt : Quantité de chaleur totale fournie par le combustible
On a :
Q u D v ( H v H e )
Qt
Avec
He : Enthalpie d’eau d’alimentation :
C c b PCI
H e Cpe *T e
Hv : Enthalpie de vapeur déterminée par les tables (ou logiciel STEAM) suivant la pression et la température. 49
Cas du combustible FUEL
Dans le cas de l’utilisation du Fuel comme combustible, la consommation énergétique
augmente à cause de la vapeur nécessaire pour le réchauffage et la pulvérisation de Fuel dans la chaudière. Donc la quantité de chaleur utile produite diminue. Le rendement de la chaudière est donc:
n G
Qu Q ' Qt
100
Avec : Q’ : Chaleur nécessaire additionnelle pour le Fuel :
Q' Dv' * hv (T , P ) Le rendement varie en fonction des conditions d'exploitation de la chaudière (température de l'eau, puissance du brûleur par rapport à la puissance de la chaudière...).
II.4. Evaluation des pertes de chaleur
Les pertes dans la chaudière représentent la différence entre la puissance utile fournie à l'eau alimentaire (Pu) et la puissance contenue dans le combustible (Pt). La nature et le volume de la chaleur perdue sont fonction de la capacité et de l’état de la chaudière, du type de combustible et de l’eau d’alimentation. Ces informations nous permettent d’évaluer les pertes maximales admissibles et d’optimiser l’utilisation de la chaudière.
Les types de pertes thermiques sont : a) Les pertes par imbrûlés b) Les pertes par les fumées (les plus significatives) c) Les pertes par purge d) Les pertes par les parois
50
Dans ce qui suit, on évaluera chaque type de perte avec plus de détail.
a) Les pertes par imbrûlés
Les imbrûlés sont les mauvais mélanges d’air comburant-combustible (cas des solides et liquides). Les pertes qu’ils engendrent sont faibles dans le cas du gaz Méthane en condition de
marche normale. b) Les pertes par les fumées
Ces pertes ont déjà été évaluées pour le cas du Gaz Naturel Méthane. Les pertes engendrées dans le cas de l’utilisation du Fuel peuvent être évaluées suivant la
composition de la fumée dans ce cas (S, CO, H2, NOx), et la température de rosée qui est très élevée (>160°C). c) Les pertes par purge
Une purge est un robinet ou une valve qui permet de vider le contenu de la chaudière contenant l’eau. On distingue la purge de déconcentration et la purge d’extraction. La purge de déconcentration de la chaudière N°4 permet de maintenir une concentration de
sels totaux inférieure au seuil de saturation pour éviter la cristallisation des sels sur les tubes de la chaudière, la purge est ouverte en continu. La purge d’extraction permet d’extraire les condensats de la vapeur. Cette opération est faite
à la CMCP six fois par jour suivant la qualité de l’eau avec un temps de purge text≈8s. Ces deux purges causent alors des pertes par chaleur sensible qui peuvent être réduites par un traitement adéquat de l'eau d'alimentation et un bon retour de condensat. Ces pertes sont fonction de la température et du taux de purge qui peut être déduit des bilans de matière et des mesures du taux de salinité de l'eau d'alimentation de la chaudière et de l'eau de purge. La formule donnant les pertes par purge est la suivante :
P ( P )
Dp
H pTs
Te
H e
C cb * PCI
*100
Ts H p = Enthalpie des fumées à la température de saturation Ts
51
H eTe = Enthalpie de l'air à la température d’entrée Te Dp
= Débit de purge
Ou plus simplement : P (p) = Dp * Hp
Dp : Débit massique des purges en Kg/s Hp : Enthalpie de l’eau sortant des purges à la pression P de la chaudière (conditions de
saturation), dans notre cas : Hp = 1087,31 kj/kg
Pour calculer le débit de purge :
On suppose que les vapeurs sont exemptes de sel et que la conductivité d'eau est proportionnelle à la salinité pour un même mélange de sels [7].
Par la loi de conservation de la masse, on a :
Masse (sels entrant avec l'eau d'alimentation) = Masse (sels sortant par la purge)
Donc : (Le débit d’eau d’alimentation)× (la conductivité d’eau d’alimentation) = (le débit d’eau de purge) × (conductivité d’eau de purge)
Soit :
débit de vapeur × concentration en sel d ′eau alim en sel eau alim + concentration en sel eau de purge
Dpurge = concentration Donc :
débit de vapeur × conductivit é d ′ eau alim é eau alim + conductivit é eau de purge
Dpurge = conductivit
52
L’analyse de la conductivité des eaux des chaudières est réalisée par des conductimètres.
Le taux de purge est donné par la relation suivante [8] :
Taux de purge (%) = Débit de la purge/ Débit de la vapeur
Taux de purge (%)= (A/(P-A))×100
Tel que : A : Taux de salinité de l’eau alimentaire P : Taux de salinité de l’eau de purge
d) Les pertes par les parois
La chaudière contient une masse beaucoup plus chaude que son extérieur, en plus elle peut contenir des parties non irriguées (parois sèches) qui s'échauffent directement sous le rayonnement de la flamme, ce qui produit un échange thermique par rayonnement et convection entre la chaudière et son environnement. Ce sont des pertes de chaleur. Les pertes par les parois dépendent de la température moyenne de l'eau dans la chaudière, de la configuration de cette dernière et de son isolation. En effet, ces pertes diminuent quand le débit relatif de l’installation augmente. Généralement, ces pertes sont comprises entre 0.5 et 3.5% [6].
On calcule ces pertes par :
P ( R ) 0 .5 *
D nom D m
* 100
Avec : D nom et Dm : respectivement le débit nominal et le débit actuel de la chaudière.
53
III.
Campagne de mesures
Pour l’évaluation du rendement thermique de la chaudière, nous nous sommes focalisés dans
notre analyse sur la chaudière N°4 qui est la seule en marche actuellement, et sur le combustible gaz naturel Méthane qui est aussi le seul à être utilisé pour la combustion. Afin de pouvoir calculer le rendement journalier moyen de la chaudière, on a été amené durant notre étude à relever tout d’abord des mesures dans le circuit de l’eau et de la vapeur de :
Débits avec des débitmètres
Températures avec un thermocouple
Pressions avec un manomètre
Et ce, durant toute la journée du 12/12/2012 avec une fréquence d’une heure . Les mesures effectuées sont regroupées dans le tableau suivant :
54
Tableau 6. Tableau des mesures effectuées le 12/12/2012 dans le circuit eau-vapeur à la CMCP PARAMETRE Eau d'appoint venant de la station de traitement
Point de mesure
3
Q (m /h)
Entrée bâche alimentaire
T (°C) P (bar)
Eau alimentaire
3
Q (m /h)
Entrée chaudière
Vta(t) T (°C) P (bar)
Consommation de gaz méthane
Production de vapeur
% O2 dans les fumées Air comburant de la chaudière
Température de fumée
3
Q (Nm /h) 3
Vca (Nm ) T (°C) P (bar) Q (t/h) Vt (t) T (°C) P (bar) %
Entrée chaudière
Sortie chaudière Sortie cheminée
3
Q (Nm /h) 3 Vt (m ) T (°C) P (bar) T (°C)
Entrée chaudière Sortie cheminée
10h45
11h45
12h45
13h45
14h45
5,78
5,1
5,2
5,51
6,05
25
25
25
25
25
1
1
1
1
1
34,31 2697427 99 51
30 2697487 99 50
30,8 2697527 99 49
32,42 2697557 99 52
35,61 2697626 99 50
2808
2712
2698
2702
2634,8
735970
736620
736957
737322
738036
12 1 30
12 1 27
12 1 29
12 0,9 29
12 1,1 27
144 413 35 4,9
192 413 37 5
228 419 36 4,6
259 422 37 4,9
320 423 39 5,4
32000 152752
31941 202440
30739 240974
30835 273081
27681 337183
32 0,1 134
35 0,1 133
35 0,1 132
36 0,1 132
36 0,1 131
55
Avec :
Vt : Volume total consommé ou produit durant la journée depuis 5h du matin jusqu’à l’heure
de mesure. Vta : Volume consommé depuis le début de la première utilisation de l’eau alimentaire. Vca : Volume consommé depuis le début de la première utilisation du gaz Méthane.
On a utilisé la relation suivante pour le calcul des débits de l’eau d’appoint :
Qeau appoint
= 17 %
Qeau alimentaire
Résultats des calculs
IV.
En utilisant les relations et équations citées auparavant (§ II), on a pu calculer le rendement de la combustion, le rendement de la chaudière, et on a pu évaluer les pertes de chaleur pour la journée du 12/12/2012. N.B : On a obtenu l’enthalpie de la vapeur à partir du logiciel « STEAM » en entrant les données de
la pression et de la température de vapeur.
56
Tableau 7. Résultats du 12/12/2012 de la chaudière N°4 à la CMCP Paramètre
Unité
Excédent d’air (e)
%
%CO2 dans la fumée ( α)
%
%H2O dans la fumée(β)
%
%N2 dans la fumée ( γ)
%
Pertes par fumée (Pfumée)
KW
Pertes par purge (P purge)
KW
Pertes par parois (P (R))
kW
Autres pertes (Pa)
kW
Enthalpie de vapeur (Hv)
kJ/kg
Energie utile (Qu)
kW
Energie fournie (Qf)
kW
ηcombustion
%
ηchaudière
%
Débit de purge
t/h
Taux de purge
%
Energie apportée par l’eau kW (Qe) Energie de combustion (Qc) kW Energie transportée par la vapeur (Qv)
10h45
11h45
12h45
13h45
14h45
Moyenne
27,23913043
27,96875
25,1036585 27,2391304 30,9807692
27,8731643
7,621291035
7 ,58113293
7,74131031 7,62129104 7,41973631
7,58761004
15,24258207
1 5,1622659
15,4826206 15,2425821 14,8394726
15,1752201
72,23612689
7 2,2566012
72,1760691 72,2361269 72,3407911
72,2538366
3329,020701
3 054,40382
1668,51147 1715,28183 1490,60525
2149,22473
1744,2427
1569,8185
53,33333333 2659,616287
1686,1013
1686,1013
1569,8185
1627,9599
5 9,2592593
55,1724138 55,1724138 59,2592593
57,2891902
1294,60008
594,336979 3705,26395
233,72731
1905,2657
3253,99
3250,83
3266,14
3271,48
3270,73
3262,705
23593,916
21210,825
22905,327
22948,344
21360,075
22088,675
30857,057
26821,877
26683,404
29692,234
23689,440
26307,315
93,27804177
9 3,3044308
93,5036837 93,4013805 93,2854757
93,3714499
76,67182382
7 9,2974916
86,0760732 77,4986796 90,4136447
81,9825674
5,775054074
5 ,19754867
5,58255227 5,58255227 5,19754867
5,39005047
19,25018025
1 9,2501802
19,2501802 19,2501802 19,2501802
19,2501802
3522,6666
3616,6044
3806,8284
4181,4053
3813,0909
30874,04
26836,64
26698,09
29708,58
23702,48
26321,7967
27116,5833
24381,225
26310,5722
26353,5889
23530,475
25376,4981
4028,7564
kW
57
Remarque :
Le débit de purge a été calculé sur la base des analyses des eaux de chaudière faite au laboratoire de la CMCP ce jour là. Les résultats des analyses sont les suivantes :
Tableau 8. Analyse des eaux de chaudière N°4 du 12/12/2012 PH
Us/cm
TH (°F)
v,mésurée
norme
v,mésurée
norme
v,mésurée
Bâche alimentaire
8,05
9-9,2
26,7
12
0
CH4
8,65
9,8-10,4
112
254
0
Condensat PM1
8,2
9-9,2
24,3
*****
0
Condensat PM3
8,06
9-9,2
23,1
*****
0
Le diagramme suivant représente l’évolution du rendement de la chaudière durant la journée.
Figure 25. Diagramme d’évolution du rendement de la chaudière N°4
En plus du rendement de la chaudière, on a présenté la variation du rendement de la combustion, ainsi que d’a utres paramètres, en fonction du temps. Ces courbes sont établies
selon le bilan du jour 12/12/2012.
58
Figure 26. Courbes d’évolution des paramètres de la chaudière le jour 12/12/2012
Figure 27. Evolution des pertes de fumée sensible le jour 12/12/2012
59
Figure 28. Evolution des pertes par purge le jour 12/12/2012
Figure 29. Evolution des pertes par parois le jour 12/12/2012
Commentaires
Les courbes précédentes de l’évolution des paramètres de la chaudière durant la journée du 12/12/2012 montrent que:
Le rendement de la chaudière varie remarquablement à cause de la variation de la charge
(demande au niveau de la fabrication instable) avec un rendement moyen de 81,98%.
Le rendement moyen de la chaudière durant la journée est autour de 81,98%. Ceci montre que les performances de la chaudière ne sont pas très bonnes en comparaison avec le rendement donné par le constructeur qui est de 97%. 60
Sachant que le changement des équipes de travail se fait à 5h, à 13h, et à 21h, on remarque qu’à 13h il se produit de grandes variations des paramètres de la chaudière (charge,
rendement, excès d’air...), d’où l’impact du changement de personnel sur le rendement.
En ce qui concerne les pertes par chaleur sensible de fumée, on remarque d’après la courbe qu’elles ont diminué au long de la journée à cause de la diminution de la consommation en
gaz Méthane.
Par contre, les pertes par purge sont variables durant la journée. Ceci est peut être du à la manière avec laquelle les eaux sont purgées et aux pertes accidentelles causées par la purge continue connectée au ballon supérieur.
On remarque que les pertes par parois subissent des variations qui dépendent du débit de vapeur produite. En effet, elles augmentent quand le débit de vapeur diminue et vice-versa.
Les autres pertes ont été déduites à l’aide du bilan thermique. on a trouvé une moyenne de
1905,26 kW de pertes autres que celles déjà calculées, soit :
% Autres pertes =
V.
+
∗ = 6,32 %
Bilans journaliers de la chaudière Dans cette partie, on va essayer de comparer le rendement de la journée du 12/12/2012 qu’on a trouvé avec celui des jours du mois de Novembre 2012, et qui sera calculé sur la base
des consommations et des productions enregistrées dans les bilans de l’usine. La température et pression moyennes de la vapeur produite sont respectivement: 380°C et 40bar L’enthalpie de vapeur est donnée par le logiciel « STEAM » : Hv = 3164.81 kj/kg
La température d’eau d’alimentation est de 100°C donc He = 100kcal/kg.
Le tableau suivant regroupe les résultats trouvés du rendement de la chaudière pour le mois de Novembre 2012.
61
Tableau 9. Rendement de la chaudière 4 durant le mois de Novembre 2012 Date
Vap prod(T/jour) Qu (Kcal/j)
Conso GN(t/jour)
Qt (Kcal/j)
Rch4 (%)
01/11/2012
615
404134950
59195
476163396 84,8731661
02/11/2012
640
420563200
61783
496981216 84,6235604
03/11/2012
606
398220780
58228
468384867 85,0199927
04/11/2012
615
404134950
59154
475833593 84,9319922
05/11/2012
594
390335220
57260
460598295 84,7452595
06/11/2012
651
427791630
63685
512280866 83,5072434
07/11/2012
659
433048670
64278
517050946 83,7535784
08/11/2012
539
354193070
51505
414305190
09/11/2012
655
430420150
63531
511042093 84,2240112
10/11/2012
644
423191720
61919
498075198 84,9654273
11/11/2012
618
406106340
58965
474313281 85,6198543
12/11/2012
615
404134950
58646
471747251 85,6676852
13/11/2012
27
17742510
3412
14/11/2012
428
281251640
41298
332200286 84,6632745
15/11/2012
690
453419700
67123
539936070 83,9765531
16/11/2012
579
380478270
56532
454742277 83,6689899
17/11/2012
618
406106340
59597
479397076 84,7118934
18/11/2012
626
411363380
60031
482888163 85,1881266
19/11/2012
647
425163110
62070
499289839 85,1535676
20/11/2012
615
404134950
58658
471843779 85,6501597
21/11/2012
675
443562750
65001
522866744
22/11/2012
652
428448760
62551
503158993 85,1517643
23/11/2012
643
422534590
62147
499909225
24/11/2012
663
435677190
64357
517686421 84,1585123
25/11/2012
627
412020510
61237
492589203 83,6438369
26/11/2012
666
437648580
65088
523566570 83,5898632
27/11/2012
650
427134500
62626
503762291 84,7888989
28/11/2012
667
438305710
64280
517067034 84,7676763
29/11/2012
641
421220330
61336
493385557 85,3734617
30/11/2012
644
423191720
61452
494318659 85,6111159
Cumul
18209
1,1966E+10
1756945
27446059,8
1,4133E+10
85,49086
64,645017
84,832848 84,522263
84,665844
Commentaires
D’après le tableau précédent, on constate que le rendement moyen de la chaudière au mois
de Novembre 2012 est de 84,66 %, un rendement qui est très proche de celui trouvé le 12/12/2012, qui est de 81,98 %. Ce rendement est considéré assez bas par rapport au rendement nominal donné par le constructeur qui est de 97%. Cette dégradation est peut être due à une mauvaise manipulation 62
des pertes thermiques, c’est à dire les pertes par chaleur sensible de fumée, les pertes par purge
et les pertes par parois de la chaudière. Nous suggérons alors une minimisation de ces pertes par l’optimisation de la consommation en eau, en gaz naturel et en air comburant.
VI.
Estimation du prix de revient de la vapeur produite
La chaufferie utilisée à la CMCP a pour but d’assurer les ressources en énergie utile sous forme de vapeur pour l’usine, et d’en minimiser le coût. La bonne gestion de l’énergie doit s’accompagner donc d’une estimation du prix de revient de la vapeur produite pour vérifier cet
objectif. Le prix de revient dépend de :
-
Consommation en combustible (Gaz Naturel).
-
Consommation en eau alimentaire.
-
Consommation en produits chimique.
-
Frais de maintenance et d’intervention.
On a :
Pri x de r evient =
é
Avec : Dépenses = Consom(GN)*prix unitaire + Consom(H2O)*prix unitaire + Produits chimiques *prix unitaire + Maintenance (coût des pièces consommées) Production = Vapeur produite
Le prix de revient de vapeur sera calculé pour le mois de Novembre 2012 en se référant aux consommations relevées, et aux enregistrements des achats de la CMCP. La production totale de vapeur durant ce mois a été de 18209 tonnes de vapeur.
Le tableau suivant donne l’estimation du prix de revient de vapeur produite:
63
Tableau 10. Calcul du prix de revient de vapeur (Novembre 2012)
GN (Nm3) 3
Eau alimen (m )
Consommation (Novembre2012)
Prix unitaire
Total (MAD)
1756945
1,6
2811112
21183
4,5
95323,5
Maintenance
887,66
Intervention
1544
Permat191 (l)
26,27
96,7
2540,309
Mutabisulfit (kg)
33,09
5
165,45
Nalco72350 (l)
120,6
45,79
5522,274
Hydrazine (l)
117,75
17
2001,75
Phosph_TS (kg)
112
6,6
739,2
A.sulfurique (kg)
700
0,7913
553,91
Soude (kg)
250
1
250
TOTAL
2920640,05
Vapeur produite (t)
18209
Coût (MAD/Tv)
160,395412
VII. Conclusion
Cette étude nous permet de dire que le rendement global de la chaudière qui est de 81,98%, est faible par rapport au rendement prescrit par le constructeur qui est de 97%. En effet, ce rendement subit des variations brutales de la charge qui causent ainsi des pertes thermiques importantes. Par contre, le rendement de la combustion de la chaudière N°4 est de l’ordre de 93,37%, un rendement qui est plutôt stable par rapport au rendement global.
D’autre part, l’excès d’air (27,87 %) dépasse les valeurs recommandées (5-15% pour le cas du
combustible méthane), ce qui cause des pertes par chaleur sensible de fumée très importantes dépassant les 7%. Aussi, l’élévation du débit d’air dans le foyer de la chaudière produit des flammes très longues nuisibles à la sécurité des tubes à écran d’eau, et provoque une
diminution de la température du foyer ainsi qu’une augmentation de la consommation énergétique des ventilateurs, d’où plus de pertes énergétiques.
On a trouvé un coût de revient de la vapeur de 160,39 DH/tv, une valeur qui est assez proche du coût estimé par l’usine (145 DH/tv).
64
Enfin, on propose une intervention au niveau de la chaudière N°4 par l’élaboration d’une courbe d’évolution de la chaudière (excès d’air, consommation de combustible en fonction de la charge), afin d’optimiser le fonctionnement. On a remarqué aussi un mauvais
fonctionnement des appareils de mesure à l’usine (Thermocouple, débi tmètre...) on propose alors de les réparer et de les étalonner pour des mesures plus fiables.
65
Chapitre III
ETUDE DES PERFORMANCES ENERGETIQUES DE LA CENTRALE THERMIQUE
66
Introduction
La vapeur utile générée par la chaudière N°4 est transmise par le biais des conduites calorifugées à un barillet 40 bars duquel on reprend de la vapeur et on la transmet à la turbine SIEMENS 5 MW installée à la centrale thermique. L’énergie thermique de cette vapeur fait
tourner un arbre solidaire des pales de la turbine, ce qui provoque la conversion partielle de cette énergie en énergie mécanique puis électrique, d’où le phénomène de cogénération.
Cependant, il se produit là encore des pertes de chaleur lors de la conversion selon l’état de la turbine et les paramètres du fluide moteur. En effet, des dépôts peuvent se produire sur les aubages provoquant l’endommagement de la turbine à cause d’une va peur motrice de mauvaise
qualité.
Le but de cette partie est de calculer les performances de la turbine axiale à contre pression tout en évaluant ses pertes en termes énergétiques.
Pour cela, on présentera d’abord le fonctionnement de la turbine en question, ainsi que ses principales caractéristiques. Ensuite, on va faire un rappel de son cycle thermodynamique qui sera exploité pour évaluer sa performance énergétique.
I.
Généralités sur les turbines Une turbine est un dispositif rotatif pouvant transformer partiellement l’énergie cinétique
d'un fluide liquide comme l'eau ou gaz (vapeur, air, gaz de combustion), en énergie mécanique faisant tourner un arbre solidaire des pâles de la turbine pour entraîner un alternateur, une pompe ou tout autre récepteur, créant ainsi de l’énergie électrique.
Les turbines hydrauliques utilisent un fluide moteur incompressible dont l’énergie est assurée par la pesanteur, par contre les turbines à gaz et les turbines à vapeur fonctionnent avec un fluide compressible, dont l’origine de l’énergie est la pression et l a température du fluide.
De grandes vitesses dépassant quelques fois la vitesse du son peuvent se produire à cause de la variation de la masse volumique du fluide moteur lors de la détente dans les aubages; Ceci 67
entraîne de grandes modifications dans l’écoulement et l’apparition d’ondes de choc dans la turbine.
Dans ce qui suit, on va se focaliser sur la turbine à vapeur utilisée à la CMCP.
I.1. Turbine à vapeur
La turbine à vapeur est un moteur thermique à combustion externe, fonctionnant selon le cycle thermodynamique de Clausius-Rankine caractérisé par le changement d’état du fluide moteur qui est en général de la vapeur d'eau. Les étapes du cycle sont les suivantes :
L’eau liquide est pompée vers la chaudière
L’eau est chauffée, vaporisée et surchauffée
La vapeur est envoyée vers la turbine, où elle se détend en fournissant de l’énergie
mécanique
La vapeur détendue est condensée au contact d'une source froide sous vide.
Il existe deux types de turbines à vapeur selon les conditions de la vapeur à la sortie : les turbines à condensation et celles à contre pression.
Dans les turbines à condensation, la vapeur d’admission est habituellement surchauffée pour minimiser la condensation à l’intérieur de la turbine et la vapeur d’échappement est à une
pression inférieure à celle de la pression atmosphérique. Un échangeur de chaleur externe génère une faible pression d’échappement qui refroidit la vapeur et la condense à la sortie de la
turbine.
Dans les turbines à contre pression , la pression de la vapeur d’échappement est supérieure ou
égale à la pression atmosphérique. Comme la va peur d’admission est souvent à la pression et à la température de saturation, on obtient un mélange de vapeur et de condensat, soit une vapeur humide à l’échappement.
68
Chaudière
Figure 30. Principe de la turbine à contre pression
Une turbine est dite à soutirage si l’on prélève de la vapeur au niveau de quelques étages. Une turbine est dite axiale si la vapeur s’écoule parallèlement à l’axe de l’arbre, par contre elle est dite radiale si elle est perpendiculaire à l’axe.
Le principal avantage des turbines à vapeur est d’être des moteurs à combustion externe. Leur
rendement peut atteindre des valeurs très élevés en comparaison avec le coût de fonctionnement. En plus, tous les combustibles (gaz, fuel, charbon, déchets, chaleur résiduelle) et notamment les moins chers peuvent être utilisés pour l’alimenter en vapeur [9].
II.
Turbine axiale SIEMENS 5 MW
II.1. Conception La turbine utilisée à la CMCP est une turbine à vapeur axiale à contre pression et à soutirage de type SIEMENS . Le groupe turboalternateur avait été installé en 1988 dans la
société COURTAULDS à CALAIS .
69
Figure 31. Turbine SIEMENS de la CMCP
Les caractéristiques de la turbine sont données dans le tableau suivant :
Tableau 11. Caractéristiques de la turbine SIEMENS TURBINE AXIALE A CONTRE PRESSION PRESSION ET SOUTIRAGE TYPE ENG 25/20/50-3 Caractéristique technique
Valeur
Unité
Vitesse nominale
12587
t/min
vitesse
13750
t/min
4145
KW
Pression de vapeur vive
46
Bar
Tvapeur vive
460
°C
Contre pression
1,8
Bar
Pression en soutirage
15,2
Bar
Textraction
299
°C
provoquant
fermeture rapide Puissance nominale
Cependant, la turbine SIEMENS a été modifiée en 2004 suivant le réseau vapeur de la CMCP.
Le tableau suivant regroupe les nouvelles caractéristiques de la turbine qui sont utilisées :
70
Tableau 12. Caractéristiques de la turbine après modification TURBINE AXIALE A CONTRE PRESSION PRESSION ET SOUTIRAGE TYPE ENG 25/20/50-3 Caractéristique technique
Valeur
Unité
Vitesse nominale
12587
t/min
vitesse
13750
t/min
3200
KW
Pression de vapeur vive
40
Bar
Tvapeur vive
420
°C
Contre pression
2,3
Bar
170
°C
Pression en soutirage
15
Bar
Textraction
300
°C
provoquant
fermeture rapide Puissance nominale
Température
de
contre
pression
II.2. Fonctionnement II.2.1 Principe de cogénération
En général, toute industrie achète son électricité du réseau. Pourtant, il est possible, de produire simultanément une partie de ses besoins de chaleur et d'électricité par une unité de cogénération. Ceci permet d'optimiser les coûts d'installation, d'améliorer les rendements énergétiques et de limiter l'impact sur l'environnement. La cogénération (ou encore production combinée chaleur force) fait référence à un système dans lequel on produit simultanément de l'énergie mécanique et de l'énergie thermique en brûlant un combustible combus tible primaire (charbon, ( charbon, gaz naturel, nat urel, GPL (gaz de pétrole pét role liquéfié), fuel f uel lourd ou domestique...). L'énergie mécanique disponible sur l'arbre de la machine motrice, est utilisée pour entraîner un alternateur qui fournit du courant électrique. L'énergie thermique est disponible après transformation dans la chaudière, sous la forme de vapeur caloporteuse. 71
Figure 32. Principe de cogénération
II.2.2 Principe de la turbine
Le principe de cette turbine axiale se base sur des tuyères (série d’aubes composant le distributeur) et aubes distributrices ayant pour but de transfor mer l’énergie thermique (enthalpie) en énergie cinétique. Ces tuyères donnent à la vapeur d’eau pro venant de la chaudière N°4 une direction convenable pour attaquer les aubes de la roue mobile. Suivant le taux de détente p2 /p1, la tuyère pourra être convergente ou convergente
puis divergente.
L’écoulement de la vapeur peut atteindre un état critique qui est une vitesse supersonique, soit à la fin d’une tuyère convergente, soit au col d’une tuyère convergente-divergente.
Afin d’augmenter la tenue du matériau et d’utiliser une température de sortie de chambre de
combustion la plus élevée possible, un refroidissement des aubages du distributeur a été nécessaire pour améliorer le rendement de la détente.
Dans cette turbine axiale, le débit de vapeur est réglé à l’admission et passe, sans extraction ou ajout de vapeur, jusqu’à l’échappement. Cette turbin e ne comprend pas de vanne inter-étages.
II.3. Cycle thermodynamique Dans cette partie, on va rappeler les équations énergétiques de la turbine ainsi que les équations donnant les pertes de chaleur pour pouvoir procéder au calcul de la performance. II.3.1. Cycle de Rankine
Comme déjà dit auparavant, le fonctionnement de la turbine à vapeur suit le cycle de Rankine illustré ci-dessous :
72
5 Source chaude
Chaudière
4
1
Turbine
Pompe
3
2
Condenseur Source froide Figure 33. Circuit dans une turbine à vapeur T
5
1
4 3
2
S Figure 34. Cycle de RANKINE pour la turbine à vapeur
D’après les schémas ci-dessus, les étapes du cycle sont les suivantes :
1
2 : Détente adiabatique et réversible
(W '/ m') = h2 – h1 Avec : W ' : Travail massique
73
m' : Débit massique h : Enthalpie massique 2 (ΔEpot ≈ 0 et ΔEcin négligeable aussi sauf si la vitesse en 2 est de l’ordre de 10 m/s)
2
3 : Condensation suite à l’échange de chaleur avec le condenseur (Q'SF / m')= h3 – h2
3
4 : Compression du liquide d’où la puissance de pompage est négligeable.
4
5: Chauffage isobare avec échange irréversible de chaleur avec la chaudière
(Q'Sc / m')5-4= h5 – h4 5
1: Vaporisation isotherme et isobare avec échange irréversible de chaleur avec la
chaudière
(Q'Sc / m')1-5= h1 – h5 D’où :
-(W '/ m') = (W '/ m') 1-2 + (W '/ m')3-4 ≈ (W '/ m')1-2 = Aire du cycle 123451 Avec :
Q'Sc / m') = h1 – h5 et
(Q'SF / m')= h3 – h2
Donc le rendement thermique du cycle est [10]:
R=
– –
II.3.2. Equation de conservation de l’énergie
Cette équation traduit le premier principe de la thermodynamique, sous sa forme technique, en ne prenant en compte que le travail mécanique échangé, entre le fluide et les éléments
74
mobiles liés à l’arbre de machine. Le travail donné dans l’équation suivante représente la chute de l’enthalpie lors de la détente adiabatique dans les aubages de la turbine.
W ( h1
h2 )
Le diagramme de Molier nous donne cette détente adiabatique. Il est utilisé pour calculer la différence des deux enthalpies et le travail réel :
H kcal/kg
P1
hh11
T1
P2
W= ∆h hh22
T2
hh1is 1is
ss11
S
s2
Kcal/kg.edg
Figure 35. Diagramme de Molier représentant la détente de vapeur
II.3.3. Rendement de la turbine a) Rendement isentropique D’après le diagramme de Molier, la création d’entropie dans la turbine cause des pertes
thermiques calculées par l’équation suivante :
Ris
h1 h1
75
h2 h1is
Avec h1is : Enthalpie de sortie pour une détente isentropique. b) Rendement global
La puissance effectivement récupérée sur l’arbre est donnée par :
Pu
D d W
Avec
D : Débit de vapeur total d
: Débit de fuite de vapeur par les jeux de la turbine.
Une partie de la puissance produite par la détente est utilisée pour vaincre les pertes mécaniques. La puissance utile est donc :
Pu u
D d W Pu ' méca
Pu'méca : Puissance mécanique consommée par les équipements auxiliaires de la turbine et perdue par frottement de l’arbre (paliers et accouplements). On sait que le rendement est le rapport de la puissance utile sur la puissance totale reçue par la turbine, donc le rendement global est donné par :
R
Pu u D * ( h1 h2is)
Avec :
D * (h1
h2is )
D * W : Puissance totale donnée par la détente de la vapeur.
Le rendement global peut s’écrire alors sous la forme :
R
R m76* Rv
* Ris
Avec :
Rm
(1
Pu ' méca ) D d W
d Rv (1 ) D Ris
D * W D * his
le rendement mécanique de la turbine
le rendement volumétrique qui représente les fuites du fluide
le rendement isentropique déjà défini (équation (9)).
c) Rendement du groupe turbo-alternateur
Si l’on prend en compte le rendement de l’alternateur, on peut aussi écrire :
RT Avec
Re
R e
* R m * Rv * Ris
P e : Rendement du groupe turboalternateur P u
Pe : Puissance électrique obtenue directement par le compteur électrique.
d) Consommation spécifique C’est la vapeur d’eau nécessaire pour produire un Kilojoule mécanique d’énergie. Elle est
donnée par la relation :
Cs
1
h1 77
h2
en [kg/kj]
ou la vapeur nécessaire pour produire un KWh d’énergie électrique :
Cs
Avec :
3600 / Re h1 h2
en [kg/KWh]
Re : R endement de l’alternateur. La relation précédente permet d’établir la relation :
Dth
C s * P e
Dth : Débit théorique de vapeur à l’entrée Pe : Puissance électrique produite par la turbine en kW.
II.3.4. Pertes dans la turbine à vapeur a) Pertes volumétriques
Il se produit des pertes :
Entre le corps de la turbine et l’arbre moteur
Aux sommets des ailettes mobiles, la vapeur passant par les jeux n’est pas détendue dans les ailettes.
Pour réduire ces pertes, Il faut limiter les jeux en tenant compte du risque de frottement, et multiplier les obstacles au passage du fluide dans un système appelé garniture d'étanchéité. b) Pertes mécaniques Dues aux auxiliaires : ces pertes sont nécessaires pour entraîner les pompes attelées, les
organes de contrôle et les ventilateurs de refroidissement de l’alternateur. Mais il faut veiller à optimiser les consommations de ces équipements. Dues aux éléments principaux de la turbine : le déséquilibre de la turbine (augmentation des
jeux et des fuites, dissymétrie de la masse des ailettes par encrassement), crée une excentricité
78
du rotor dans les garnitures, et fait apparaître des forces perpendiculaires à cette excentricité, qui peuvent affecter la stabilité dynamique de celle-ci, augmenter des amplitudes de vibration, et provoquer l’usure au niveau des butés et des coussinets de la turbine. c) Pertes par écoulement
Le deuxième principe de la thermodynamique s’écrit :
ds
f q
Cette équation montre que la création de l’entropie (ds) de la vapeur, lors d’une détente
adiabatique (q=0) dans la turbine, est due uniquement aux pertes d’écoulement ( f). Donc, l’augmentation de ces pertes engendre une augmentation d’entropie, et cause une chute
du rendement isentropique de la turbine. Ces pertes peuvent contenir :
Un terme de frottement dû à la viscosité le long de la paroi et à la sortie de l’aube, on a trois types de pertes :
-
Les pertes de profil liées à a création de couches visqueuses sur les aubes et les sillages.
-
Les pertes secondaires, qui à cause de la déviation de l’écoulement visqueux sur l’ailette, apparaissent aux confins des aubes tout en donnant naissance à d’importants tourbillons .
-
Les pertes liées à la présence inévitable du jeu existant entre l’extrémité des roues.
Un terme lié au Nombre de Mach : Les turbines à contre pression peuvent travailler à des nombres de Mach élevés. A basse pression, on peut trouver des nombres de Mach allant jusqu'à 2 au sommet des dernières ailettes mobiles. Plusieurs régimes d’écoulement naissent de la variation du nombre de Mach. Cependant, pour un
écoulement amont subsonique donné, si la pression à l'aval est diminuée progressivement, une zone supersonique apparaît à la sortie de l’aube, avec accélération de l'écoulement au-delà du col conduisant à des pressions sur le profil nettement plus faibles que la pression aval. Le retour vers cette pression se fait par une recompression brutale (onde de choc) accompagnée d’une élévation de la température et de l’entropie de vapeur.
79
Figure 36. Schéma des phénomènes visqueux dans une roue d’une turbine axiale
III. Campagne de mesures
Comme fait pour la chaudière, le calcul de la performance de la turbine nécessite des mesures effectuées à l’usine. L’évaluation du rendement ainsi que les pertes associées à la
turbine nécessite la connaissance de l’enthalpie et du débit de la vapeur à l’entrée et à la sortie de la turbine, ainsi que la puissance électrique produite.
Les mesures ont été prises du tableau de bord de l’usine CMCP à chaque heure durant la
journée du 12/12/2012.
L’enthalpie de la vapeur a été obtenue en entrant sa température et sa pression (qui ont été obtenus par picage au niveau de la vanne d’admission et au niveau de la conduite contre
pression respectivement) sur le logiciel « STEAM ». Le travail isentropique transformé lors d’une détente est obtenu par le diagramme de Molier. La consommation spécifique est calculée sur la base du rendement de l’alternateur donné p ar le
constructeur qui est de 98%, donc :
Cs
3600 / 0.98 h1
80
h2
[kg de vapeur/kWh produit]
Le tableau présentant les mesures qui ont été faites est le suivant : Tableau 13. Tableau des mesures de la turbine SIEMENS le 12/12/2012 Température entrée vapeur Temp de contre pression(BP) Pression entrée turbine Pression contre pression (BP) Pression surcharge(MP) Pression après vanne (HP) Puissance produite
Paramètre 10h45 372 Te (°C)
11h45 370
12h45 368
13h45 371
14h45 371
15h45 396
Tcp (°C)
200
200
200
200
200
200
Pe (bar)
35
37
36
37
38
39
Pcp (bar)
2,3
2,3
2,3
2,3
2,3
2,3
Ps (bar)
15
15
15
15
15
15
Pav (bar)
34,6
40
38,9
38,8
41,4
38,5
Pu (kW)
1912
1864
1822
1873
1099
1895
IV. Résultats et commentaires
Après calcul du bilan thermique de la turbine, on trouve les résultats suivants :
Tableau 14. Calcul du bilan thermique de la turbine Paramètre 10h45
11h45
12h45
13h45
14h45
15h45
1912
1864
1822
1873
1099
1895
Puissance produite
Pu (kW)
h1
kj/kg
3159,02
3150,33
3147,57
3152,71
3150,72
3208,05
h2
kj/kg
2869
h1-h2
kj/kg
290,02
2869 281,33
2869 278,57
2869 283,71
2869 281,72
2869 339,05
Wis
Kj/kg
559,02
580,33
557,57
572,71
590,72
588,05
Ris
%
51,88
48,47
49,96
49,53
47,69
57,65
Cs
Kg/kWh
12,66
13,05
13,18
12,94
13,03
10,83
Rméc
%
22,89
25,56
23,49
23,71
15,62
21,56
Rméc % constructeur
24,45
27,15
25,28
25,28
28,19
27,15
81
Remarques :
Le travail isentropique Wis a été calculé en utilisant le diagramme de Molier présenté dans la figure 37.
Le rendement mécanique a été calculé par la formule :
Pe m
P e tel que :
et
P m
GE
Dv * h1
h2
GE
G E : Le rendement de l’alternateur.
Le rendement mécanique constructeur représente le rendement prescrit par le constructeur et qui a été calculé sur la base des données de température et de pression définies par le constructeur pour pouvoir faire une comparaison avec le rendement trouvé.
Le rendement global de la turbine n’a pas pu être calculé à cause du manque de débimètre
servant à calculer les fuites de vapeur par les jeux de la turbine.
82
Figure 37. Diagramme de Molier utilisé pour le calcul de W is
83
Figure 38. Courbes des performances de la turbine le 12/12/2012
Commentaires :
On constate d’après la courbe que le rendement isentropique de la turbine est assez faible
(Ris moy = 50,86%). Ceci est peut être dû à une mauvaise détente à travers les aubages de la turbine. En effet, les encrassements et les corrosions se trouvant sur les roues et les aubages provoquent une diminution de la section de passage de la vapeur. Cela conduit à une élévation de la pression en amont de la turbine qui peut causer des frottements générant ainsi des pertes thermiques importantes.
On constate aussi d’après la figure précédente que le rendement isentropique commence à chuter à partir de la charge 1895 kW. Ceci est peut être dû à des pertes importantes durant l’écoulement ayant provoqué une augmentation d’entropie de la vapeur au niveau des
aubages.
D’après la courbe de la consommation spécifique, on constate une augmentation de cette
dernière à partir de 1895 kW. Donc on peut dire que 1895 kW représente le point économique.
On remarque aussi que le rendement mécanique calculé est assez proche de celui donné par le constructeur autour du point économique.
84
V.
Evaluation économique des pertes
D’après l’étude précédente, on a constaté que la turbine subi des pertes énergétiques
importantes à cause des encrassements et de la corrosion des roues et des aubages qui provoquent une diminution de la section de passage de la vapeur. Par conséquent, les coûts de maintenance et d’intervention s’élèvent à cause de l’endommagement mécanique du matériel, en plus du coût des arrêts de réparation et celui des
pertes énergétiques amenant à une chute du rendement de la turbine. Nous allons dans ce qui suit, estimer le coût de ces pertes.
V.1 Coût du kWh électrique Pour connaître le coût des pertes, on doit calculer d’abord le prix de revient du kWh électrique
produit et le coût de kWh acheté de la RAK. V.1.1 Prix de revient du kWh produit
On va calculer le prix de revient pour le point économique 1895 kW, on a :
C ( kW h)
depenses de production( DH ) Enérgie produite(kWh)
C ( kW h)
C ( vapeur ) * hV Ee
Avec :
Ee hV
RT : Rendement global de la turbine, qui a été estimé à une valeur moyenne de 85%
N.B : Le rendement global exact de la turbine n’a pas pu être calculé à cause du manque de
débimètre pour calculer le rendement volumétrique.
85
On a l’enthalpie de la vapeur d’entrée à 1895 kW est de : h1 = 3208 kj/kg et puisque le coût de la vapeur produite est C = 160,39 DH/tv (calculé dans le dernier chapitre), alors on a : C(vapeur) = 50 DH/Gj
Soit :
C ( kW h)
C ( vapeur ) * 3600 10 6 RT
DH kWh
donc :
C ( kW h) 0.21 DH / kWh V.1.2 Prix de revient du kWh acheté de la RAK
Selon les factures mensuelles de l’électricité payées par la CMCP, l’électricité achetée de la RAK a un coût moyen de 0.93 DH/kWh. V.2 Coût des pertes thermiques
On a : -
Le rendement isentropique moyen du 12/12/2012 : Ris = 57,65 %
-
Le rendement isentropique du constructeur : Ris con = 76,76 %
-
L’enthalpie de vapeur d’entrée à 1895 kW : h1 = 3208 kj/kg
-
La détente actuelle pour Ris= 57,65% : 339,05 kj/kg
-
La détente selon le constructeur pour Ris = 76,76 % : 454,65 kj/kg
Les pertes thermiques peuvent donc être estimées à : Pth = 115,6 kj/kg Le coût des pertes est : C(pertes) = 50*115,6/1000
AN :
C(pertes) = 5,78 DH/ tv
86
Ces pertes thermiques sont dues à la vapeur de fuite causée par le jeu entre le corps de la turbine et son arbre. Cette vapeur est ensuite récupérée et dirigée vers les égouts sous forme de condensats, caractérisés par un débit variable selon la charge de la turbine.
V.3 Coût de chute de puissance
La chute de puissance peut être calculée comme étant la différence entre la puissance nominale de la turbine donnée par le constructeur et la puissance maximale atteinte (le point économique), donc : Chute de puissance = 3200 – 1895 = 1305 kW
Le coût de ces pertes par chute de puissance est : Coût (pertes) = 1305 × (0,93 -0,21) Coût (pertes) = 939,6 DH/ h
V.4 Coût d’endommagement L’encrassement et la corrosion sur les aubages de la turbine, provoqués par la vapeur d’eau qui
peut être mal traitée au niveau de la station de traitement installée avant la chaudière, peuvent causer des endommagements considérables et des dysfonctionnements de la turbine. Ce qui engendre des pertes additionnelles d’indisponibilité, d’endommagement, de maintenance et d’interventions.
VI. Conclusion
Les résultats obtenus lors de cette étude montrent que la turbine est à moitié de ses performances (Rismoy = 50,86%) et que les pertes thermiques à travers ses aubages deviennent plus importantes. On a trouvé que :
Le rendement global de la turbine ne peut être calculé à cause du manque de débimètres pour calculer les fuites de vapeur dans le circuit.
87
Le point économique est autour de 1895 kW, avec une consommation spécifique de 11,06kg/kWh à ce point.
La température de la vapeur d’entrée actuelle est en moyenne de 374,66 °C, ce qui est inférieur à la température donnée par le constructeur qui est de 420°C, ce qui provoque une augmentation de la consommation spécifique et une diminution du rendement de la turbine.
Le rendement isentropique est assez faible, ce qui se traduit par des pertes thermiques importantes dans les aubages.
Ces résultats confirment alors que la vapeur d’eau motrice est très corrosive et encrassante. Ce qui veut dire que l’eau utilisée dans la chaudière n’est pas suffisamment traitée pour conserver le bon fonctionnement des installations. On suggère alors un suivi et contrôle des paramètres indispensables suivants :
Au niveau de la vapeur d’eau:
La qualité chimique de la vapeur
Les températures, pressions et débits de la vapeur
Au niveau de la turbine :
Les caractéristiques de l’huile de graissage de la turbine
Les organes de régulation et de sécurité
L’équilibrage
de l’arbre et vibration
Les appareils de mesure (débitmètres, thermocouples, manomètres...)
88
Chapitre IV
CALCUL DU RENDEMENT DE LA DISTRIBUTION ET DE LA CONSOMMATION DE VAPEUR
89
I. Rendement de la distribution I.1 Distribution de la vapeur : La vapeur produite par la chaudière N°4 est dirigée vers :
- La machine à carton MK1 - La machine à papier MK3 - Le dégazeur - Le groupe électrogène - Le parc fuel (seulement en cas d’utilisation du combustible fuel dans la chaudière)
Cependant, on a remarqué qu’environ 97% de la vapeur produite par la chaudière N°4 est
consommée par les machines MK1 et MK3 pour le séchage, et 3% seulement par le dégazeur et le groupe électrogène. Tandis que le parc fuel ne reçoit pas de vapeur actuellement puisque le fuel n’est pas utilisé. C’est pour cela que le calcul du rendement de consommation va porter
essentiellement sur les machines MK1 et MK3, premiers consommateurs de vapeur à l’usine.
La vapeur produite est distribuée par l’intermédiaire l’intermédiai re de conduites calorifugées avec de la laine de roche et de la ligne de verre. Durant cette étape, une partie de leur chaleur est échangée avec l’air ambiant.
I.2 Chaleur dissipée entre la chaudière et la turbine
La quantité de chaleur totale dissipée à travers la conduite reliant la chaudière et la turbine est donnée par la relation suivante :
Qd(ch-t) = m’ m’ Cp |(T2 - T1) |
m’ : Débit de vapeur à la sortie de la chaudière : m’ = 28 t/h = 28000 kg/h = kg/h = 7,77 kg/s Cp : Capacité calorifique de la vapeur d’eau : Cp =1,8723 Kj/kg.°C T2 : Température moyenne à l’entrée de la turbine mesurée avec un thermocouple: T2 = 374,66 °C T1 : Température moyenne à la sortie de la chaudière mesurée avec un thermocouple:
90
T1 = 418,16 °C
Donc : Qd(ch-t) = 632,82 KW
S’il y avait un bon calorifugeage, l a
chaleur dissipée à travers la même conduite serait celle
par convection et rayonnement et qui est:
Qdcr = (hc + hr) × S × (Tc – Ta) Ta)
Avec : Qdcr : La quantité de chaleur dissipée par convection et rayonnement en KW Tc : La température moyenne de la surface des conduites : Tc = 40 °C Ta : La température ambiante : Ta = 25 °C 2 hc : Coefficient d’échange de chaleur par convection en W/m .K ;
hr : Coefficient d’échange de chaleur par radiation en W/m 2K [11]. h = hc+hr = 10,20 W/ m 2.k
S : La surface totale de la conduite en m2
S=2πRL
Avec : R : Le rayon extérieur de la conduite de vapeur : R= 0,1 m L : La longueur totale de la conduite en m : L = 24 m On trouve : S = 15,07 m2
Donc : Qdcr1= 2,305 KW
Donc la chaleur dissipée à travers la conduite due au mauvais calorifugeage est :
Qdmc = Qdt – Qdt – Q Qdcr1 = 630,51 kW
91
I.3 Chaleur dissipée dans les autres conduites de la distribution
La quantité de chaleur totale dissipée à travers les autres conduites du circuit vapeur est donnée par :
Qdt = Σ (m’ Cp |(T2 - T1) |)
Les températures ont été obtenues à l’aide d’un thermocouple appliqué aux différentes
conduites de la distribution à l’usine : On trouve :
Qdt = 1153,6 KW
De même, s’il y avait un bon calorifugeage, l a
chaleur dissipée à travers les mêmes
conduites serait celle dissipée par convection et rayonnement :
Avec : S = 1128,53 m2
On trouve : Qdcr2 = 172,658 KW
Donc la chaleur dissipée à travers les mêmes conduites due au mauvais calorifugeage est :
Qd = Qdt – Qdcr2 = 980,94 KW
I.4 Chaleur dissipée totale La chaleur totale dissipée par toute la distribution est : Qdtotale = Qdt + Qd(ch-t)
Q d totale = 1786,42 KW 92
I.5 Calcul du rendement de la distribution Le rendement de la distribution est donné par :
ηdistribution = 1 -
é é é é
Donc :
ηdistribution = avec :
−
Qt = Dv *Hv
Dv : débit moyen de la vapeur à travers les conduites en kg/s on a Dvmoy = 7,77 kg/s donc : Hv : Enthalpie de la vapeur saturée à P = 35 bars est Hv = 2803,4 KJ/kg Soit :
ηdistribution = 92,3 %
On constate que la distribution a un rendement qui n’est pas trop élevé à cause du mauvais calorifugeage des conduites.
II.
Rendement de la consommation
II.1 Description de la sécherie
II.1.1 Les cylindres sécheurs
Les sécheurs en fonte installés favorisent l’évaporation de l’eau restante dans le carton et
papier par le phénomène de transfert massique. En effet, il se produit un échange de chaleur entre les cylindres sécheurs et le carton ou papier par conduction, la vapeur étant introduite à
93
l’intérieur des cylindres et prête à se condenser pour dégager une grande quantité de l’énergie
chauffante [12].
Le tableau suivant regroupe les caractéristiques techniques des sécheurs MK1 et MK3.
Tableau 15. Fiche technique des sécheurs Paramètre
Machine à carton MK1
Machine à papier MK3
Longueur cylindre
3,65 m
2,87 m
Diamètre
1,5 m
1,5 m
rmax – rmin
15 mm
15 mm
Nombre de cylindres
45
55
Matériau
Fonte
Fonte
Pression timbre
2 bar
3 bar et 8 bar
Tmax (vapeur) près sécherie Tmax (vapeur) poste sécherie Vitesse
134°C
163°C
134 °C
184°C
140 m /min
400 m /min
Grammages usuels
200 g/m
140 g/m
Production moyenne
140 tonnes /jour
250 tonnes /jour
Capacité de production
50.000 tonnes/an
90.000 tonnes/an
Rendement constructeur
70 %
70%
Humidité d’entrée carton/papier Humidité sortie carton/papier Température d’entrée carton/papier Température de sortie carton/papier Surface d’échange
52%
47%
7 ± 0,3 %
7 ± 0,3 %
35 à 45 °C
35 à 45 °C
70 à 99 °C
70 à 99 °C
515,74 m
495,65 m
Temps de passage ts
85,84 s
28,96 s
94
Remarque : On a calculé la surface d’échange comme suit :
Pour MK1 : S MK1 = ((2/3) × π D L 1) × 45 Pour MK3 : S MK3 = ((2/3) × π D L 3) × 55
2/3 représente la partie du cylindre en contact physique avec le carton ou papier.
Et on a calculé le temps de passage par:
Pour MK1 : ts = ((2/3) × π D × 45 +1 × 45 + 4) ×60 /140
Pour MK3 : ts = ((2/3) × π D × 55 +1 × 55 + 4) ×60 /480
Parcours de la feuille :
Le séchage du papier se déroule par passage de la feuille sur 55 cylindres parallèles et regroupés en 8 batteries hautes et basses. En effet, le parcours de la feuille sur chaque cylindre est le suivant :
Arrivée sur le cylindre :
la feuille est relativement humide et tiède
Montée sur le cylindre
: la feuille se réchauffe progressivement. Il n’ya pas
d’évaporation massive de l’eau car elle est prise en sandwich entre le cylindre et la toile. Décollage du cylindre :
la feuille est très chaude et toujours humide. Elle est relâchée
dans une zone où l’air est très sec et chaud: (évaporation massive par les 2 faces).
Le déroulement du séchage peut donc se résumer ainsi : 95
-
Chauffage de la feuille lors de son contact avec le cylindre
-
Evaporation et refroidissement lors des parcours libres
Plus généralement, le parcours de la feuille dans toute la sécherie est résumé comme suit :
En début de sécherie ,
les cylindres sont à une température faible ==> préchauffage de
la feuille et évaporation faible. Le milieu de la sécherie assure l’essentiel du séchage
avec une évaporation maximale
En fin de sécherie, l’évaporation est beaucoup plus difficile car on s’attaque
à l’eau qui
est liée aux fibres. Le retrait a lieu dans cette zone.
Figure 39. Disposition des cylindres sécheurs et parcours de la feuille
La sécherie est couverte par une hotte qui permet d’évacuer l’eau évaporée vers l’atmosphère et éviter les risques de condensation. Le renouvellement de l’air est assuré par des systèmes de
ventilation apportant de l’air ambiant neuf, sec et chaud via des caissons soufflants.
Dans notre étude, et puisque les machines MK1 et MK3 ont le même principe de fonctionnement, on va se focaliser sur le calcul du rendement de consommation de la machine MK3.
96
II.1.2 Condensats
Le condensat formé par accumulation permanente de l’eau à l’intérieur des cylindres diminue le rendement énergétique. En effet, 1 mm de condensat formé équivaut à une épaisseur de 25 mm de fonte. D’où l’évacuation de ce condensat par siphonage.
Figure 40. Principe du siphonage
En effet, le pied du siphon trempe dans les condensats (distance de quelques millimètres de la paroi du cylindre), et par l’application d’une différence de pression (ΔP) entre l’entrée et la sortie, on expulse l’eau du cylindre [12].
Indices d’accumulation du condensat dans un cylindre :
Les ballons se remplissent
L’ampérage d’entraînement est élevé
La température de surface du cylindre est faible
Le séchage n’est pas bon (bandes humides, ralentissement)
Figure 41. Disposition d’un siphon fixe dans le cylindre 97
Régime de condensats :
1) Si le cylindre tourne lentement : On a une formation d’une flaque de condensats. Le transfert thermique est mauvais au niveau
de la flaque mais très bon au dessus.
2) Si le cylindre tourne un peu plus vite : La flaque de condensats s’accroche partiellement par force centrifuge. Mais la faible vitesse fait
retomber fortement la flaque. Il se produit alors une détérioration et des casses des organes d’entraînement.
3) Si le cylindre tourne très vite : Les condensats sont plaqués sur la paroi par la force centrifuge (formation d’anneau d’eau). Il
se produit un bon échange thermique si cet anneau est fin, en plus du brassage par des barres de turbulence. C’est donc le régime à adopter.
Figure 42. Régime des condensats dans un cylindre
Vérification du régime des condensats dans les cylindres de MK3 :
La vitesse minimale de création de l’anneau d’eau est donnée par :
V =
g : accélération de la pesanteur (m/s) R : rayon du cylindre (m)
98
Dans notre cas, on trouve :
V = 363,6 m/min
Et puisque les cylindres de MK3 tournent à 400m/min, donc il ya formation de l’anneau de condensat. Le régime de transfert thermique est donc optimal.
II.1.3 Vapeur de balayage
C’est la vapeur inévitablement entraînée avec les condensats au niveau du pied du siphon [12].
Cette vapeur :
représente environ 10 à 15% de la vapeur d’entrée
n’a pas servi à sécher le papier
aide à mieux expulser les condensats (création d’un aérosol)
Remarque :
Si ΔP dans le cylindre est élevé, il se produit une bonne purge des condensats mais un excès de vapeur de balayage et donc un coût élevé. Le ΔP est réglé selon une consigne fixée.
II.1.4 Vapeur de revaporisation (vapeur flash)
Les condensats expulsés du cylindre sont collectés dans un ballon dans lequel la pression est plus faible. Une partie de ce condensat va alors se vaporiser. C’est la vapeur de revaporisation. Le ballon de collecte contient donc :
Le condensat
La vapeur de balayage
La vapeur flash
II.2 Système vapeur-condensat
Dans le cas de la machine MK3, on peut diviser la sécherie en 2 parties : La partie présécherie et la partie post-sécherie.
99
1) Pré-sécherie :
Cette partie est conçue sous forme de système cascade. Pour l’appréhender, il faut
commencer par la dernière batterie de cylindres de cette partie. Cette dernière comportant dans notre cas 3 batteries de cylindres identiques.
En effet, on alimente la dernière batterie avec de la vapeur à 3 bars et avec un ΔP = 0,3bars, on obtient du condensat et de la vapeur dans le ballon à 2,7 bars. Les condensats sont collectés, réutilisés et renvoyés à la centrale thermique. La vapeur est envoyée à la batterie en amont avec un complément à partir du réseau : Cette batterie est donc alimentée avec environ du 2,7 bars.
La figure suivante montre le système cascade utilisé :
0,8 bars 0,8 bars
Batterie 1 Cylindre 1 et 3 à 6
Vers échangeurs, condenseurs et pompe à vide
3 bars
2,5 bars 2,5 bars
Batterie 2 Cylindre 2 et 7 à 19
Batterie 3 Cylindre 20 à 37
2,1 bars
0,3bars
Vers centrale thermique
Figure 43. Schéma représentant le système cascade pré-sécherie
Les avantages et inconvénients de ce système sont réunis dans le tableau suivant :
100
2,7 bars
Tableau 16. Avantages et inconvénients du système cascade Avantages
-
Inconvénients
Moins de pertes, très bon rendement énergétique
-
Montée régulière en température sur la
-
Batteries interdépendantes
-
Temps de réponse élevé
sécherie (température des cylindres très basse en début de sécherie ==> préchauffe en douceur du papier -
Evacuation automatique des
- Nombre de cylindres limité
incondensables au niveau de la pompe à vide
2) Post-sécherie :
Cette partie de la sécherie est conçue en mode hybride, c’est-à-dire une cascade thermocompressée.
Elle
comporte
5
batteries
de
cylindres
identiques
et
3
thermocompresseurs.
En effet, ce système diffère du premier par l’existence de thermocompresseurs qui peuvent regonfler la vapeur à une pression plus haute et l’utiliser dans une autre batterie ou la même
batterie. La vapeur peut cependant être utilisée directement à l’aide d’un by-pass (clapet antiretour ou vanne de régulation).
Afin de mieux comprendre ce système, on l’a tracé à l’aide du logiciel «Visio» et on a obtenu
le flowsheet donné dans la page suivante :
101
15 bars
2,49 bars
2,95 bars
P-14
2,95 bars
2,5 bars
Batterie 4 Cylindre 38
2 bars
P-7
P-3
P-11 I-3
P-24
6,5 bars
P-12
P-15
P-27
15 bars
15 bars
I-1
I-2
P-16
P-23
P-17
P-13
P-26
P-10
P-6
P-25
Batterie 5
Batterie 6
Batterie 7
Batterie 8
Cylindres 41 et 43
Cylindres 40, 42, 44
Cylindre 39
Cylindres 45 à 55
2,75 bars
2,53 bars
P-20
2,1 bars
P-19
5,7 bars
P-18
P-30 P-21
Vers échangeurs, condenseurs, pompe à vide, centrale thermique
Figure 44. Flowsheet représentant le système hybride de la post-sécherie
102
P-9
P-8
Les avantages et inconvénients de ce système sont réunis dans le tableau suivant :
Tableau 17. Avantages et inconvénients du système hybride Avantages
-
Indépendance des batteries
-
Conduite plus souple
-
ΔP assuré par le thermocompresseur
-
Possibilité d’avoir une première
Inconvénients
-
Exigence d’une vapeur haute pression
-
Consommation énergétique supérieure
batterie très chaude -
Possibilité du basculement en mode cascade
Fonctionnement du thermocompresseur :
Il permet de recycler la vapeur basse pression et de l’ajouter à la vapeur haute pression pour générer un ΔP selon les étapes suivantes [12] :
Arrivée de la vapeur haute pression dans le convergent
Accélération de la vapeur (jusqu’à 2000km/h)
Création de vide par effet Venturi
Aspiration de la vapeur basse pression
Mélange et sortie de vapeur dopée
Figure 45. Fonctionnement du thermocompresseur
103
II.3 Débit de vapeur consommé par les cylindres sécheurs
Le rendement de la sécherie MK3 est défini par :
R=
é é é é
Soit :
R=
× ( –) ×[(−)+]
Avec :
m : débit massique du papier à la sortie du sécheur (kg/h) : m= 250t/jour = 10416,66 kg/h mhe et mhs : masse humide d’entrée et de sortie du papier à la sécherie respectivement (kg d’eau/kg
de matière sèche):
mhe = 0,88kg d’eau/kg de matière sèche ; mhs = 0,075 kg d’eau/kg de matière sèche
Ts et Te : température du papier à l’entrée et à la sortie de la sécherie respectivement (°C) Ts = 99°C ; Te= 45 °C Lv : chaleur latente de vaporisation de l’eau à la température de sortie des cylindres sécheurs
(kJ/kg) Lv = 2260 kJ/kg
Ee = Hv×Qvc : énergie thermique de la vapeur à l’entrée de la sécherie (KJ/h) (P= 2,3 bar ;
T=163°C) Hv = 2768,8kJ/kg
Donc :
R=
× ( –) ×[(−)+] ×
soit :
104
Qvc =
× ( –) ×[(−)+] ×
En supposant R = 0,7, rendement théorique donné par le constructeur, on trouve alors le débit théorique consommé par la sécherie :
Qvc = 10011,47 kg/h
II.4 Calcul du rendement de la consommation
Il est donné par la relation suivante :
η (consommation) =
é é é é é é
Soit : η (consommation) =
é
Avec : Qvmesuré = 15,84 t/h = 15840kg/h
Donc :
η (consommation) =
,
η (consommation) = 63,20 %
105
Chapitre V
Actions d’amélioration
106
Introduction
D’après les études de performances énergétiques et les diagnostics réalisés sur la chaufferie, la
centrale thermique, les installations de distribution de vapeur ainsi que la sécherie, il s’est avéré qu’on peut économiser de l’énergie grâce à des actions d’améliorations qui vont être explicitées par
la suite.
I.
Améliorations dans la chaudière
Dans cette partie, on donnera des actions d’amélioration au niveau de la chaudière, compte tenu des résultats obtenus lors de notre diagnostic. Tout d’abord, on propose :
d’élaborer une courbe d’évolution de la chaudière (excès d’air, consommation de combustible en fonction de la charge) pour suivre le rendement de la chaudière et optimiser le fonctionnement.
Réparer les appareils de mesure (thermocouples, débitmètres...) et les étalonner pour des mesures plus fiables.
I.1 Diminution de l’excès d’air
Le gaz naturel est un combustible qui autorise des récupérations très poussées et moins de pertes de fumées grâce au faible pourcentage d’excès d’air qu’il peut utiliser pour une combustion
complète.
L’excès d’air utilisé à la CMCP, qui est en moyenne de 27,87% peut être diminué jusqu’à 10% tout en gardant une combustion complète du gaz naturel. Ceci pourra générer des économies d’énergie
importantes, en effet, d’après des calculs à l’aide des formules décrites auparavant, on a :
e =27,87% ==> Pertes par fumées = P1 = 3329,02 kW e = 10% ==> Pertes par fumées= P2 = 2180,31 kW
107
Donc :
Le gain en combustible gaz naturel qui pourrait être obtenu est :
Gain de méthane =
1−2 ( )
PCI : pouvoir calorifique inférieur du méthane : PCI = 8043,98 kcal/m3 = 9,35 kW/m3
Soit : Gain méthane= 122,85 m3/h
Et sachant que le prix unitaire du GN est de 1,53 MAD/ m3 alors le bénéfice est:
B = 4511,29 MAD/jour
I.2 Récupération de la chaleur des fumées
Comme la plupart des pertes de chaleur de la chaudière sont dans les gaz de combustion, la récupération de cette chaleur peut entraîner de grandes économies d’énergie. C’est pour cette raison qu’on propose d’in staller un échangeur de chaleur sur les fumées, qui réchauffera l’air comburant
avant son introduction au caisson du brûleur. Ce dernier devra donc être transformé ou changé pour l’utilisation d’air chaud.
I.2.1 Echangeur de chaleur à roue
Ce type d’échangeur est le plus convenable dans le cas du combustible gaz naturel grâce à sa
grande efficacité sous le plus faible encombrement.
L’entrée des fumées et l’extraction de l’air passent chacun sur la moitié de la roue à contre-sens
d'écoulement. La roue est constituée de médias de transfert tournant. Elle récupère temporairement la chaleur du courant de fumées chaudes et la transfert dans le flux d'air froid.
108
Son principe est illustré dans la figure suivante :
Figure 46. Echangeur de chaleur à roue
Cet échangeur à roue a un rendement de 75%, et dans notre cas, on a:
Tentrée(fumées) = 132°C
T(air) = 35°C
ΔTtotal = 97°C
Et puisque R=75% de l’échangeur :
ΔTréalisable = 0,75 * ΔTtotal = 72,75°C
Tsortie(fumées) = Tentrée(fumées)- ΔTréalisable = 59,25°C
Et on a l’énergie récupérée par l’air lors de l’échange thermique à travers l’échangeur est :
109
Q = m’ * Cp *ΔTréalisable m’ : débit massique du combustible Gaz naturel : m’ = 360419,86 m3/h =288335,88 kg/h
Cp : Chaleur spécifique des fumées : Cp = 0,308 KJ/Kg.°C
Soit : Q = 1794,65 kW
L’air sera donc réchauffé de :
ΔT =
( ) ×
Avec :
Q : Energie récupérée par l’air lors de l’échange thermique à travers l’échangeur : Q = 1794,65 kW m(air) : Débit massique de l’air à l’entrée de l’échangeur :
m(air) = Qair * ρair m(air) = 357488,5 * 1,29
m(air)=128,10 kg/s
Cpair : Capacité calorifique de l’air : Cp(air) = 0,28 kJ/kg.°C
D’où : ΔT = 50,03°C
Donc l’air sortira de cet échangeur à roue à :
Tsortie (air) = ΔT + 35°C Tsortie (air) = 85,03°C
110
I.2.2 Gain de combustible Dans le cas de l’installation de l’échangeur de chaleur à roue, on a :
Gain de méthane =
′ ()
Avec : Gain de chaleur de l’air froid = 1794,65 kW = 1543121,23 Kcal/h
Et PCI(GN) = 8043,98 Kcal/m3
Donc on trouve :
Gain de Méthane =
, ,
Soit : Gain de Méthane = 191,83 m /h
Et sachant que le prix unitaire du GN est de 1,53 MAD/ m3 alors le bénéfice est:
B = 7044,20 MAD/jour
I.2.3 Coût total d’investissement Le prix de l’équipement en 2012 est d’environ 6000 $, soit environ I = 50932.60 MAD. L’investissement total est donné par [11] : It = I * (1+ f 2+f 3)
f 2 : facteur d’instrumentation f 2 = 0,3 [11]. f 3 : facteur des canalisations : f 3 = 0,7 [11].
Donc :
It = 101865,20 MAD
111
I.2.4 Temps de retour de l’investissement Le temps de retour d’investissement peut donc être calculé :
TRI =
Soit :
TRI = 14,46 ≈ 15 jours
Ce temps de retour justifie l’intérêt d’installer cet échangeur de chaleur rotatif.
I.3 Récupération de la chaleur des purges On a trouvé que les pertes dues à la purge des eaux en continu sont assez élevées. Pour réduire ce problème, on propose alors :
D’installer un contrôleur de conductivité automatique liant l’ouverture de la vanne de purge à un conductimètre
De mettre en place « un ballon Flash » pouvant récupérer de la vapeur d’eau et des condensats des eaux de purge.
I.3.1 Principe d’un ballon F lash
Le ballon Flash est une unité qui peut être utilisée pour récupérer l’énergie contenue dans les eaux de purge de la chaudière. En effet, ce ballon fonctionne à une pression de service inférieure à la pression d’arrivée des eaux, ce qui engendre une dépression de l’eau accompagnée d’une perte d’énergie sous forme de vapeur appelée « vapeur Flash ». C’est la vapeur récupérée par le ballon
Flash.
Il est à noter que la quantité de vapeur Flash dégagée est fonction du débit d’eau, de s a pression d’entrée et de sa pression de sortie.
I.3.2 Quantité de vapeur Flash récupérée
112
Pour récupérer l’énergie des eaux de purge continue de la chaudière N°4, on a opté pour un ballon
Flash du type vertical avec une pression de service de 10bars. La figure suivante clarifie son fonctionnement :
Vapeur Flash à P=10 bars
0,4 m min. D 1m min. Eaux purgées en continu à P=40 bars
D
D/2 0,6m min. Liquide saturé à P= 10 bars
Figure 47. Schéma du Ballon Flash
En effectuant un bilan de matière sur le ballon, on a :
Qp = Ql + Qv
Avec : Q p : débit des eaux purgées sortant de la chaudière à P= 40 bars : Qp = 5400kg/h Ql : Débit de l’eau saturée récupérée à P = 10 bars, en (kg/h) Qv : Débit de la vapeur saturée récupérée à P =10 bars en (kg/h)
Le bilan thermique sur la même unité donne :
Qp× Hp = Ql × Hl + Qv× Lv
Tel que :
113
H p: Enthalpie massique des eaux de purge à P=40 bars : Hp = 1087,31 KJ/kg [10]. Hl : Enthalpie massique de l’eau saturée à P=10 bars : Hl = 762,81 kJ/kg [10]. Lv : Chaleur latente de vaporisation de l’eau à P =10bars : Lv = 2778,1 KJ/kg [10].
D’après les deux bilans précédents, on a :
Qv = Q p ×
Soit :
Qv = 5400 ×
(−) (−)
(,−,) (,−,)
On trouve tout calcul fait, un débit de vapeur flash de:
Q v = 869,50 kg/h
Ce qui représente un pourcentage de vapeur récupérée de :
Pvr =
= 16,10 %
Cette vapeur ainsi récupérée peut être utilisée soit dans le dégazeur des condensats, soit dans le chauffage de l’eau d’appoint provenant de la station d’épuration.
Aussi, on trouve aussi un débit de condensat égal à :
Ql = Qp - Qv
Soit : Q l = 4530,5 kg/h
Ce condensat peut aussi être utilisé en l’acheminant vers le dégazeur pour être réinjecté dans la
chaudière.
114
I.3.3 Dimensionnement du Ballon Flash
Le diamètre est la caractéristique principale d’un ballon flash, il est donné par [11]:
D=(
1/2 ) ×
Tel que : Us = 0,15 Ut et Ut = 0,07 (
− 1/2 )
Avec : ρl : La masse volumique de l’eau à P=10 bars, ρl = 887,31 Kg/m3 [10]. ρv : La masse volumique de la vapeur à P=10 bars, ρv = 5,15 Kg/m3 [10].
On trouve : Ut = 0,91 m/s Us = 0,13 m/s
Et on a : = 0,04 m3/s : Débit volumique de la vapeur récupérée : = On trouve alors le diamètre du ballon Flash:
D=(
× , 1/2 ) ×,
D = 0,62m I.3.4 Coût total d’investissement
Le prix d’achat du ballon flash en 2007 était de :
I2007 = 10000 $
En utilisant la formule d’actualisation, on trouve son prix en 2012 :
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I2012 = I2007 ×
Avec :
I2012 : Le prix du ballon flash en 2012 (en $) A2007 : L’indice de « Chemical engineering » de l’année 2007, A 2007 = 525,4 A2012 : L’indice de « Chemical engineering » de l’année 2012, A 2012= 588,5
I2012 ≈ 11201 $
Soit :
I2012 ≈ 95466,15 MAD
Le coût total d’investissement est :
It = I2012* (1+f 2 +f 3)
Avec : f 2: Facteur des canalisations : f 2 = 0,7 [11]. f 3: Facteur de l’instrumentation : f 3 = 0,2 [11].
On trouve un investissement total de: It = 95466,15 *(1+ 0,7 + 0,2) It ≈ 181 386 MAD
I.3.5 Retour d’investissement
Sachant que la quantité de vapeur récupérée par ce ballon flash est de :
Qv = 869,5 kg/h = 20,86 tonnes/jour
et que le prix de revient de la vapeur produite par la chaudière qu’on a calculé est :
C(vapeur) = 160,39 MAD/tonne
116
Donc le bénéfice obtenu grâce à ce ballon flash est :
B = 3345,73 MAD/jour
Le temps de retour de l’investissement put donc êt re calculé :
TRI =
TRI ≈ 55 jours
Ce temps de retour justifie l’installation de ce récupérateur « Ballon Flash » en vue d’économiser l’énergie et donc le prix de revient de la fabrication des papiers et cartons.
I.4 Diminution des pertes par parois Bien que ces pertes sont minimes vis-à-vis des autres types de pertes, elles doivent être éliminées. On propose alors :
d’ajouter de l’isolant aux endroits non calorifugées
d’augmenter l’épaisseur de l’isolant qui est déjà installé
I.5 Diminution des « autres » pertes D’après le bilan thermique de la chaudière , on a trouvé un pourcentage de pertes autres que celles
calculées qui est de % Autres pertes = 6,32%. Ces pertes sont dues principalement au mauvais transfert de chaleur entre le gaz naturel et l’eau, qui
est lui même causé par la cristallisation des sels et les encrassements à l’intérieur des tubes d’eau, on propose alors : De profiter des arrêts de la chaudière pour inspecter les tubes d’eau et vérifier leur bon état
de fonctionnement afin de maximiser le transfert thermique. De nettoyer les tubes en cas d’encrassements
117
II.
Améliorations dans la turbine
D’après notre étude sur la turbine, on a trouvé qu’elle est à moitié de ses performances ( Rismoy = 50,86%). Son rendement doit absolument être augmenté. On propose alors : D’installer un débimètre permettant de calculer le débit des fuites
de vapeur par les jeux de
la turbine pour pouvoir en calculer le rendement global.
De faire fonctionner la turbine autour de son point économique qu’on a trouvé égal à 1895kW, avec une consommation spécifique de 11,06 kg de vapeur/kWh produit.
De faire entrer une vapeur d’eau ayant une température proche de celle donnée par le constructeur qui est de 420 °C, afin de diminuer la consommation spécifique de vapeur et augmenter le rendement de la turbine.
De suivre et contrôler les paramètres suivants afin de diminuer les pertes thermiques dans les aubages :
Au niveau de la vapeur d’eau:
La qualité chimique de la vapeur
Les températures, pressions et débits de la vapeur
Au niveau de la turbine : Les caractéristiques de l’huile
de graissage de la turbine
Les organes de régulation et de sécurité
L’équilibrage de l’arbre et vibration
Les appareils de mesure (débitmètres, thermocouples, manomètres...)
III. Améliorations dans le circuit de distribution
La chaleur totale dissipée à travers les conduites de vapeur a été trouvée de :
Qt = Qd(ch-t) + Qdt = 632,82 + 1153,6
118
Qt = 1786,42 kWh = 1536044,71 kcal/h
La chaleur totale dissipée qui aurait été perdue s’il y avait un bon calorifugeage est : Qdcr =Qdcr1+ Qdcr2= 172,658 + 2,305
Qdcr = 174,96 kWh = 150438,52 kcal/h
Si on applique un bon calorifugeage aux conduites avec de la laine de roche, le gain en méthane serait :
G=
− ()
G = 172,25 m3de GN/h
Et sachant que le prix unitaire du GN est de 1,53 MAD/ m3 alors le bénéfice est:
B = 6325 MAD/ jour
Ce bénéfice justifie largement le bon calorifugeage de toutes les conduites de vapeur.
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Conclusion générale et recommendations
L’objectif de ce travail est l’optimisation du coût de la consommation d’énergie de vapeur dans l’usine de la CMCP. Pour atteindre cet objectif, nous avons procédé par la méthode du suivi instantané de la vapeur depuis la source (chaudière N°4) jusqu’à sa consommation (Sécheurs de
papier). Le calcul du rendement énergétique, par application de bilans de matière et de chaleur, des différentes installations de vapeur (chaudière, turbine, réseau de distribution, sécheurs) a permis de détecter et de cerner les pertes massiques et thermiques de la vapeur. La récupération d’une grande partie de ces pertes peut être obtenue grâce à des actions de contrôle que nous avons bien explicitées. Cependant, la récupération des pertes par purge et des pertes par chaleur sensible de fumées nécessite l’installation de récupérateurs qu’on a aussi conçus durant notre étude. Notre diagnostic a montré qu’il existe aussi des pertes de chaleur au niveau des sécheurs consommateurs de vapeur, on recommande alors d’envisager des études futures et complémentaires
plus approfondies sur cette unité.
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