Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2Résumé L’air comprimé, un important média énergétique dans l’industrie et l’artisanat, est à l’heure actuelle utilisé dans presque toutes les applications. La raison est évidente, comparé à l’énergie électrique, l’air comprimé se laisse engager d’une manière plus flexible et plus facile. Mais, très peu d'utilisateurs d'air comprimé savent que jusqu'à 87 % des frais d'exploitation d'une installation d'air comprimé sont dues à des pertes inhérentes à son fonctionnement. Il est cependant possible d'y remédier. C’est ici que s’inscrit le contexte de notre projet de fin d’étude : l’amélioration du fonctionnement de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG2. La réalisation de ses économies ne passe que par la détection des vulnérabilités de l’installation. Pour ce faire, on a basé notre étude, sur l’installation d’air comprimé de la centrale TAG2, sur une mesure énergétique vraisemblable du compresseur faite au biais d’un analyseur de réseau. Outre la mesure de la consommation énergétique, un diagnostic physique semble être nécessaire afin de chercher les points névralgiques de l’installation. Cela nous a permis de voir de plus près l’installation et, ainsi, de relever les utilisations inappropriées de l’air comprimé dans la centrale. Ensuite, un mesurage du taux de fuite nous révèle un pourcentage non négligeable de la consommation totale d’air comprimé. De plus, une analyse des modes de défaillance, de leurs effets et de leurs criticités sur les équipements de l’installation nous a conduit à générer un plan de maintenance préventive permettant de réduire le temps d’indisponibilité de l’installation et augmentant ainsi sa durée de vie. Projet de fin d’étude Page i Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Abstract The compressed air, a high energy media industry and craft, is now used in almost all applications. The reason is obvious, compared to the electric energy, compressed air is allowed to initiate a more flexible and easy manner. But very little compressed air users know that up to 87% of the costs of operating a compressed air system are due to losses inherent in its operation. It is possible to fix it. It is here that fits the context of our final project study: improving the operation of the compressed air TAG2 central facility. Achieving its savings only passes by the detection of the installation's vulnerabilities. To do this, we based our study on the installation of compressed air TAG2 plant, on a probable energy measurement made at the compressor through a network analyser. In addition to measuring energy consumption, physical diagnosis seems to be necessary to look for installation's hotspots. This has allowed us to look more closely at the facility and meet the inappropriate uses of compressed air in the plant. Then, a leak rate measurement reveals a significant percentage of the total consumption of compressed air. In addition, an analysis of failure modes, their effects and criticality of the installation's equipment has led us to generate a preventive maintenance plan to reduce the downtime of the installation and increasing its life. Projet de fin d’étude Page ii Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Liste des figures Figure 1:organigramme des différentes directions de l’ONEE .............................................................. 3 Figure 2:la répartition de la production par source d’énergie en 2012 ................................................. 4 Figure 3:turbine à gaz............................................................................................................................. 7 Figure 4: les points d'utilisation d'air comprimé .................................................................................... 9 Figure 5:composantes d’un système d’air comprimé............................................................................ 12 Figure 6:Schéma fonctionnel du mode marche/arrêt ............................................................................ 16 Figure 7:Schéma fonctionnel du mode marche/ à vide ........................................................................ 17 Figure 8:les différents types de compresseurs ...................................................................................... 19 Figure 9:les rotors d’un compresseur à lobes ...................................................................................... 19 Figure 10: le régulateur Elektronikon .................................................................................................. 24 Figure 11 : sécheur par adsorption....................................................................................................... 27 Figure 12:système de filtration ............................................................................................................. 28 Figure 13:purge de condensats ............................................................................................................. 29 Figure 14:variation de pression avec la restriction des sections .......................................................... 30 Figure 15:illustration d’une installation d’air comprimé ..................................................................... 30 Figure 16:les fuites d’une installation d’air comprimé......................................................................... 41 Figure 17:Mesure de la diminution de pression dans le système coupé en fonction du temps ............. 42 Figure 18:la méthode de durée de fonctionnement du compresseur..................................................... 43 Figure 19: appareil à ultrasons ............................................................................................................ 45 Figure 20:la consommation d'énergie électrique à vitesse fixe ............................................................ 50 Figure 21:variation de la puissance en fonction du débit ..................................................................... 51 Figure 22:consommation avec variation de vitesse .............................................................................. 51 Figure 23:comparaison des deux moyennes glissantes ......................................................................... 52 Figure 24:structure générale d’un variateur électronique de vitesse ................................................... 52 Figure 25:schéma de principe d’un convertisseur de fréquence .......................................................... 53 Figure 26:déroulement de l’étude ......................................................................................................... 58 Figure 27:décomposition fonctionnelle du système .............................................................................. 60 Figure 28:décomposition du compresseur ............................................................................................ 60 Figure 29:décomposition du circuit de lubrification ............................................................................ 61 Figure 30:décomposition du moteur d'entrainement ............................................................................ 61 Projet de fin d’étude Page iii Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Liste des tableaux Tableau 1:caractéristiques des compresseurs....................................................................................... 25 Tableau 2:état actuel des compresseurs................................................................................................ 26 Tableau 3:caractéristiques des filtres ................................................................................................... 28 Tableau 4:conséquence d’une fuite en fonction du diamètre du trou ................................................... 31 Tableau 5:consommation d'air comprimé sec dans la centrale ............................................................ 37 Tableau 6:consommation d'air humide dans la centrale ...................................................................... 36 Tableau 7:mesure du temps de charge et de décharge du compresseur ............................................... 44 Tableau 8:Influence de la vitesse de rotation sur la puissance consommée ......................................... 49 Tableau 9:caratéristique du variateur de vitesse .................................................................................. 54 Tableau 10:grille de cotation de la fréquence d’apparition d’une défaillance..................................... 58 Tableau 11:grille de cotation de la gravité d’une défaillance .............................................................. 59 Tableau 12:grille de cotation de la non-détectabilité d’une défaillance .............................................. 59 Tableau 13:grille de cotation de l’indice de criticité ............................................................................ 59 Tableau 14:AMDEC sur le moteur........................................................................................................ 62 Tableau 15:AMDEC sur le compresseur .............................................................................................. 63 Tableau 16:AMDEC sur la pompe de lubrification .............................................................................. 64 Tableau 17:actions de maintenance ...................................................................................................... 65 Tableau 18:plan de maintenance .......................................................................................................... 66 Projet de fin d’étude Page iv Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Nomenclature ONEE : Office National de l’Electricité et d’Eau TAG2 : turbine à gaz Mohammedia 2 AMDEC : analyse des modes de défaillance, leurs effets et leurs criticités HFO : fuel lourd Pmin : pression minimale Pmax : pression maximale SCFM : standard cubic feet per minute Q : débit V : volume t : temps tv : élément temporel s : seconde min : minute h : heure l : litre Nm3 : normal mètre cube kW : kilo-Watt μm : micromètre mm : millimètre dh : dirham K : kelvin VF: vitesse fixe VV: vitesse variable ppm : partie par million HP : horse power Projet de fin d’étude Page v Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Table des matières Résumé ..................................................................................................................................................... i Abstract ................................................................................................................................................... ii Liste des figures...................................................................................................................................... iii Liste des tableaux ................................................................................................................................... iv Nomenclature .......................................................................................................................................... v Introduction générale............................................................................................................................... 1 Chapitre I : Présentation de l’organisme d’accueil.................................................................................. 2 I. Organisme de l’ONEE-Branche Electricité ......................................................................................... 3 1. La production .............................................................................................................................. 3 2. Le transport.................................................................................................................................. 4 3. La distribution ............................................................................................................................. 4 II. Description générale de la centrale turbine à gaz Mohammedia 2 ..................................................... 5 1. La turbine à gaz ........................................................................................................................... 5 a. Fonctionnement ....................................................................................................................... 5 b. Les caractéristiques et les auxiliaires de la turbine.................................................................. 7 2. Poste de traitement fuel ............................................................................................................... 7 3. La station de traitement des eaux ................................................................................................ 8 4. Les chaudières ............................................................................................................................. 8 5. L’installation d’air comprimé ...................................................................................................... 9 Chapitre II : Généralités sur l’air comprimé .......................................................................................... 10 I. Généralités sur l’installation d’air comprimé ..................................................................................... 11 1. Compression .............................................................................................................................. 12 2. Filtration .................................................................................................................................... 12 3. Séchage...................................................................................................................................... 13 4. Refroidissement des compresseurs ............................................................................................ 14 5. Réservoirs et stockage de l’air comprimé.................................................................................. 14 6. Séparateurs et purgeurs.............................................................................................................. 14 7. Tuyauteries ................................................................................................................................ 15 8. Accessoires de raccordement .................................................................................................... 15 9. Régulation ................................................................................................................................. 15 a. Mode marche /arrêt ............................................................................................................... 15 b. Marche /à vide ....................................................................................................................... 16 c. Mode intermittent retardé ...................................................................................................... 17 d. Charge partielle ..................................................................................................................... 18 II. Les compresseurs .............................................................................................................................. 18 Projet de fin d’étude Page vi Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 1. Les compresseurs à lobes .......................................................................................................... 19 2. Sélection des compresseurs ....................................................................................................... 20 a. Critères de sélection .............................................................................................................. 20 b. Critères généraux ....................................................................................................................... 21 III. Conclusion ....................................................................................................................................... 22 Chapitre III : Diagnostic physique de l’installation d’air comprimé TAG2 .......................................... 23 I. Production d’air comprimé ................................................................................................................ 24 1. Compresseurs ............................................................................................................................ 24 a. Système de régulation électronique (Elektronikon) .............................................................. 24 b. Régulation du compresseur ................................................................................................... 24 c. Caractéristiques et état actuel des compresseurs ................................................................... 25 II. Traitement d’air comprimé ............................................................................................................... 26 1. Sécheurs..................................................................................................................................... 26 2. Filtres ......................................................................................................................................... 27 III. Distribution d’air comprimé ............................................................................................................ 28 1. La ligne principale ..................................................................................................................... 28 2. Le piquage ................................................................................................................................. 29 IV. Points d’utilisation d’air comprimé ................................................................................................. 31 V. Conclusion ........................................................................................................................................ 32 Chapitre IV : Dimensionnement ............................................................................................................ 33 I. Introduction ........................................................................................................................................ 34 II. Généralités ........................................................................................................................................ 34 1. La pression requise .................................................................................................................... 34 2. Le débit d’air ............................................................................................................................. 35 3. Le réseau d’air comprimé .......................................................................................................... 35 a. Les conduites ......................................................................................................................... 35 b. Le réservoir............................................................................................................................ 36 III. Dimensionnement ............................................................................................................................ 36 1. La demande de la centrale en air et pression ............................................................................. 36 a. Air de service......................................................................................................................... 36 b. Air d’instrumentation ............................................................................................................ 37 2. Sélection du compresseur ......................................................................................................... 37 3. Dimensionnement du réservoir.................................................................................................. 38 4. Evaluation des pertes de charge linéaire dans le réseau ............................................................ 39 IV. Conclusion....................................................................................................................................... 39 Chapitre V : les fuites d’air comprimé .................................................................................................. 40 Projet de fin d’étude Page vii Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 I. Introduction ........................................................................................................................................ 41 II. Les fuites........................................................................................................................................... 41 1. Méthode de mesure du débit de fuites ....................................................................................... 41 a. Méthode de la vidange des réservoirs ................................................................................... 41 b. Méthode de la durée de fonctionnement du compresseur ..................................................... 42 c. Estimation des fuites à partir de données géométrique ......................................................... 43 2. Evaluation du pourcentage des fuites ........................................................................................ 44 3. Détection des fuites d’air comprimé .......................................................................................... 44 a. Méthode de détection par l'ouïe............................................................................................. 44 b. Méthode de détection par ultrason ........................................................................................ 45 4. Colmatage et réparation des fuites ............................................................................................ 45 5. Evaluation économique ............................................................................................................. 47 III. Conclusion ....................................................................................................................................... 47 Chapitre VI: variation de vitesse ........................................................................................................... 48 I. Introduction ........................................................................................................................................ 49 II. Consommation d’énergie électrique ................................................................................................. 50 1. Consommation actuelle ............................................................................................................. 50 2. Consommation avec variation de vitesse .................................................................................. 51 III. Variation électronique de vitesse..................................................................................................... 52 1. Structure d’un variateur électronique de vitesse........................................................................ 52 2. Fonctionnement ......................................................................................................................... 53 3. Choix d’un variateur de vitesse ................................................................................................. 54 4. Etude économique ..................................................................................................................... 55 IV. Conclusion....................................................................................................................................... 55 Chapitre VII : Analyse AMDEC des équipements de l’installation d’air comprimé de la centrale ...... 56 I. Introduction ........................................................................................................................................ 57 II. Méthodologie .................................................................................................................................... 57 1. Déroulement de la méthode AMDEC ....................................................................................... 57 2. Grille de cotation ....................................................................................................................... 58 a. Fréquence .............................................................................................................................. 58 b. Gravité ................................................................................................................................... 59 c. Non-détection ........................................................................................................................ 59 d. Criticité .................................................................................................................................. 59 III. Application de l’AMDEC ............................................................................................................... 59 1. Décomposition fonctionnelle du système .................................................................................. 59 a. Décomposition du sous-système : compresseur .................................................................... 60 Projet de fin d’étude Page viii Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 b. Décomposition du circuit de lubrification ............................................................................. 61 c. Décomposition du moteur d’entrainement ............................................................................ 61 2. Analyse des modes de défaillances, leurs effets et leurs criticités ............................................ 61 a. Moteur ................................................................................................................................... 62 b. Compresseur .......................................................................................................................... 63 c. Pompe de lubrification .......................................................................................................... 64 IV. Actions de maintenance à engager .................................................................................................. 65 V. Conclusion ........................................................................................................................................ 66 Conclusion générale .............................................................................................................................. 67 Feuille de calcul........................................................................................................................................a Bibliographie ............................................................................................................................................a Annexes ....................................................................................................................................................a Projet de fin d’étude Page ix Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Introduction générale L’air comprimé est de plus en plus utilisé par l’industrie grâce à sa souplesse de mise en œuvre. Les impératifs économiques incitent les utilisateurs à mieux anticiper les coûts de production de cette énergie afin de maîtriser les dépenses en énergie et en maintenance. Les réseaux d’air comprimé servent à alimenter les outils, les systèmes de régulation et tout autre appareil dont le fonctionnement est à commande pneumatique. Cependant, bien souvent, ces réseaux ne sont pas assujettis à un programme de maintenance régulière. C’est pourquoi ces réseaux offrent souvent des possibilités d’économies d’énergie appréciables lorsqu’on les soumet à un exam sérieux. C’est dans ce cadre que s’inscrit notre projet de fin d’étude : l’amélioration du fonctionnement de l’installation d’air comprimé qui alimente la centrale à turbine à gaz Mohammedia 2, afin de réduire sa consommation d’énergie électrique. Pour ce faire, on donnera, dans un premier lieu, un aperçu général sur les composants de l’installation d’air comprimé de la centrale. Ensuite, le chapitre trois fera l’objet d’un diagnostic de l’installation d’air comprimé afin de relever les utilisations nuisibles de l’air et les gisements d’économies. Nous consacrons le 4ème chapitre pour le calcul et le colmatage des fuites ainsi l’évaluation économique de ces pertes qui constituent un point néfaste pour toute installation d’air comprimé. Puis, le 5ème chapitre fera l’objet de la vérification du dimensionnement de l’installation de la centrale TAG2 afin de savoir si elle répond aux besoins de la centrale ainsi que ses extensions futures. Finalement, les deux derniers chapitres mettront l’accent sur les actions à mettre en œuvre pour minimiser le plus possible la consommation d’énergie électrique. Projet de fin d’étude Page 1 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Chapitre I : Présentation de l’organisme d’accueil Afin d’assurer une meilleure distribution d’énergie électrique, le Maroc a créé en 1963 l’office nationale d’électricité qui constitue aujourd’hui l’unique opérateur de la fourniture d’électricité au Maroc. L'ONEE concentre ses activités principalement sur la production, le transport et la distribution constituant ainsi le premier distributeur au Maroc avec une part de marché de 55% et plus de 4 millions de clients. En 2009, l’office national d’électricité a démarré la centrale à turbine à gaz de Mohammedia qui vient de renforcer la production de l’énergie électrique au Maroc avec une capacité de 300 MW. Projet de fin d’étude Page 2 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 I. Organisme de l’ONEE-Branche Electricité L’électricité est l’un des produits les plus complexes et les plus remarquables de ce siècle. Ayant la plus courte vie, on peut la moduler, la transformer, la transporter, mais on n’est pas encore arrivé à la stocker en quantités industrielles importantes. Elle doit donc être consommée au fur et à mesure de sa production pour satisfaire un besoin précis. Pour assurer une meilleure distribution, le Maroc a créé en 1963 l’Office National de l’Electricité, l’opérateur unique de la fourniture d’électricité du pays. L’organigramme ci-après montre les différentes directions de l’ONEE-Branche Electricité : Directeur général Agence contrôle des opérations Directeur audit et organisation Service communication Directeur sécurité, environnement et qualité Pôle développement Pôle finance et commercial Direction centrale transport Pôle ressources Direction centrale distribution Pôle Direction centrale production Pôle industriel Direction exploitation Direction exploitation Mohammedia Kenitra Direction exploitation Direction exploitation Jerada turbines à gaz Direction exploitation renouvelables Figure 1:organigramme des différentes directions de l’ONEE Avec un nombre de 4 millions de clients (statistiques de l’année 2012), l’ONEE-Branche Electricité concentre ses activités principalement sur les métiers de la production, le transport et la distribution de l’énergie électrique. 1. La production Projet de fin d’étude Page 3 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 La puissance totale installée du parc de production de l’office a atteint 6692 MW en 2012. Cette production est issue essentiellement des centrales thermiques à charbon, à fuel et diesel, les centrales à turbine à gaz et à cycle combiné, les centrales hydrauliques, et les centrales éoliennes. La figure suivante montre la répartition de la production par source d’énergie en 2012 : Hydraulique Eolien 6% 2% Fuel+Gasoil Charbon 17% 37% Tiers 0.4% Importation 17.6% Gaz naturel 20% Figure 2:la répartition de la production par source d’énergie en 2012 2. Le transport D'une longueur totale de 21 854 km en 2012, le réseau de transport national est interconnecté aux réseaux électriques espagnol et algérien, dans l'objectif de : Renforcer la fiabilité et la sécurité d'alimentation Bénéficier de l'économie potentielle sur le prix de revient du kWh Intégrer le marché électrique national dans un vaste marché euromaghrébin L’ONE développe et renforce son réseau de transport qui couvre aujourd’hui presque la quasi- totalité du territoire national et est constitué de lignes de 60, 225 et 400 kV. 3. La distribution L’ONEE-Branche Electricité est le premier distributeur d'électricité au Maroc avec une part de marché de 55% et plus de 4 millions de clients dans tout le monde rural et plusieurs unités urbaines. Le reste de la clientèle étant gérée par des Régies de distribution publiques ou des Distributeurs privés qui sont eux-mêmes clients de l'ONE comme c’est le cas des villes de Casablanca, Rabat-Salé, Marrakech, Fès, Meknès, Tanger, Tétouan, Safi, El-Jadida et Larache. Projet de fin d’étude Page 4 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 II. Description générale de la centrale turbine à gaz Mohammedia 2 Au Maroc, les turbines à gaz jouent un rôle très important dans l’alimentation du pays en électricité et surtout pendant les années qui ont été déclarées sèches. Les turbines à gaz pendant ces années constituent le fondement pour répondre aux exigences imposées et surtout à la pointe. La direction d'exploitation des turbines à gaz et diesel, crée en 2006, prend en charge les usines à turbines à gaz de Tit Mellil, Mohammedia, Tetouan, Laâyoune, Tanger et Agadir d'une puissance installée totale de 615 MW et les usines Diesel Laâyoune, Dakhla, Boujdour, Smara et Tarfaya ainsi que des petits usines dans des sites de pêches d'une puissance globale d'environ 50MW et une nouvelle centrale à turbines à gaz de 300 MW à Mohammedia qui a démarré en Avril 2009 et une centrale diesel de 130 MW à Tantan. Le choix du projet au niveau de la centrale de Mohammedia est motivé par l’existence d’un ensemble d’avantages tels que : Existence des postes 60 et 225KV pour l’évacuation de l’énergie produite Proximité de la SAMIR pour l’approvisionnement en combustible Le projet de construction de la centrale à turbine à gaz à Mohammedia a été lancé en 2006 dans le cadre des programmes d’urgence visant à doter le pays de puissance supplémentaire. La centrale se compose de : 3 turbines à gaz TG5-TG6-TG7 de puissance de 100MW chacune Poste de traitement d’eau (PTE) Poste de traitement fuel (PTF) Poste de traitement d’air Chaudières auxiliaires Réservoirs de stockage : fuel- gasoil-eau Poste anti-incendie 1. La turbine à gaz a. Fonctionnement Le groupe thermique tel qu’il est conçu pour la plupart des installations, se compose d’une turbine à gaz à un seul arbre en cycle simple prévu pour un fonctionnement continu et destiné à entraîner un alternateur. La combustion d’un mélange air-combustible sert à produire la puissance nécessaire à entraîner l’arbre du compresseur, certains auxiliaires et principalement l’alternateur. Projet de fin d’étude Page 5 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Le compartiment turbine se compose d’un dispositif de démarrage, des auxiliaires, d’un compresseur axial, d’un système de combustion, et d’une turbine à trois étages. Le compresseur et la turbine sont reliés par un arbre unique, supporté par trois paliers. Au démarrage, le moteur de lancement transmet son couple à la ligne d’arbre de la turbine à travers un convertisseur de couple et le réducteur des auxiliaires qui, comme son nom l’indique, entraîne un certain nombre d’auxiliaires (pompes par exemple). L’air ambiant est aspiré, filtré puis compressé dans les 17 étages du compresseur axial. L’air comprimé en provenance du compresseur pénètre dans l’espace annulaire à la périphérie des 14 chambres de combustion, d’où il s’introduit entre les enveloppes intermédiaires et les tubes de flamme. Les injecteurs introduisent le combustible dans chacune des 14 chambres de combustion où il se mélange à l’air. L’allumage s’effectue grâce à deux bougies. Au moment où il se produit au niveau d’une des deux bougies équipant ces chambres, la combustion se propage dans les autres chambres à travers des tubes d’interconnexion qui relient entre elles au niveau de la zone de combustion. A peu près à 50 % de la vitesse nominale de la turbine, la pression régnant à l’intérieur des chambres de combustion est suffisante pour provoquer le retrait des électrodes des bougies afin de les protéger du rayonnement des flammes. Les gaz chauds issus des chambres de combustion se propagent à travers les pièces de transition emboîtées à l’extrémité arrière de chaque tube de flamme pour traverser ensuite les trois étages de la turbine où ils se détendent. Chaque étage se compose d’un ensemble d’aubes fixes suivies d’une rangée d’aubes mobiles. Dans chaque rangée d’aubes fixes, l’énergie cinétique du jet de gaz augmente, en même temps que la pression chute. Dans la rangée adjacente d’aubes mobiles, une partie de l’énergie cinétique du jet est convertie en travail utile transmis au rotor de la turbine sous la forme d’un couple mécanique. Après leur passage dans les aubes du troisième étage, les gaz d’échappement traversent le diffuseur, qui comporte une série de déflecteurs ou aubes de guidage transformant la direction axiale des gaz en direction radiale et diminuant ainsi les pertes à l’échappement. Puis les gaz sont envoyés dans le cadre d’échappement. La rotation résultante de l’arbre entraîne le rotor de l’alternateur et certains auxiliaires. La figure suivante illustre le fonctionnement d’une turbine à gaz : Projet de fin d’étude Page 6 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Figure 3:turbine à gaz Remarque: Par définition, l’extrémité AVANT est le côté admission de l’air, le côté échappement étant pris comme l’extrémité ARRIERE. b. Les caractéristiques et les auxiliaires de la turbine Les 3 turbines de la centrale présentent les caractéristiques suivantes : Une puissance de 100 MW Une consommation horaire de fuel oïl de 28.5 t/h en pleine charge Un seul arbre d’entraînement Un moteur de lancement 6.6KV de puissance 1MW 14 chambres de combustion Un système d’eau d’injection Un diesel de secours pour le jeu de barre 400V La centrale est composée de 3 turbines. Chaque turbine se compose de quatre parties : Salle de commande Compartiment des auxiliaires Compartiment de la turbine Compartiment alternateur 2. Poste de traitement fuel La centrale électrique Mohammedia est conçue pour fonctionner avec du HFO (Heavy Fuel Oïl). En utilisant du HFO comme combustible, une corrosion à haute température peut se produire dans la turbine à combustion, cela étant dû à la présence de quantités mineures de contaminants dans le combustible, comme le Sodium et le Potassium. Ces contaminants s'agglomèrent sur les surfaces métalliques dans le passage de gaz chaud de la turbine. Projet de fin d’étude Page 7 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 L'accumulation de ces dépôts sur les surfaces d'alliage chaudes aboutit à une corrosion à haute température et en fin de compte à une détérioration des composants. Certains de ces contaminants proviennent du pétrole brut et deviennent plus concentrés pendant le traitement suivant à la raffinerie ; d'autres sont introduits pendant le transport ou le stockage, habituellement par la contamination au contact de l'eau de mer. Les niveaux prévus de contamination du HFO peuvent excéder les limites acceptables stipulées pour la turbine à combustion. Par conséquent, une installation de traitement de combustible est exigée pour réduire le niveau de sels de sodium et de potassium dans le combustible à des limites acceptables. 3. La station de traitement des eaux Le but c’est de produire de l’eau déminéralisée à partir d’eau brute. Pour ce faire, l’eau brute passe tout d’abord par un système de filtration. Après, elle passe à la phase de déminéralisation afin d’éliminer les sels minéraux (les cations et les anions) par échange d’ions (injection de produits chimiques). La station comprend la fourniture des équipements principaux suivants : Un système de prétraitement de l’eau brute, formé de trois filtres multimédia (sable /anthracite) à pression Un système de traitement de l’eau par osmose inverse, formé de deux lignes identiques à double passage Un système de déminéralisation par lits mixtes à échange ionique comportant deux lignes identiques avec une capacité nette unitaire de 90 m3/h Un système de traitement des effluents de la station formé par un système d’homogénéisation des écoulements et contrôle de pH L’eau déminéralisée est utilisée dans : Le lavage de la turbine Circuit de refroidissement de la turbine Les chaudières Et en grande partie, le lavage du fuel 4. Les chaudières Le rôle d’une chaudière est essentiellement de transmettre de l’énergie apparaissant sous forme de chaleur (avec ou sans combustion) à l’eau sous pression pour obtenir soit de l’eau surchauffée sous pression, soit de la vapeur ou un fluide à l’état supercritique devenant de la vapeur par détente. Projet de fin d’étude Page 8 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 De plus les chaudières à vapeur de grande puissance sont en général associées à une turbine à vapeur pour produire de l’énergie électrique. Dans la centrale à turbine à gaz, elle a aussi le rôle suivant : chauffer les bacs de fuel (traité, brut, certifié) : en effet le fuel doit être à une température élevée 50 à 60°C pour rester liquide, le fuel est chauffé par un serpentin qui traverse les bacs. La température de l’eau déminéralisée venant de la chaudière est 150 à160 °C. Le fuel doit avoir les propriétés suivantes : température entre 124 et 125°C et une pression de 4,7 bars. Il est chauffé par un serpentin d’eau chaude. 5. L’installation d’air comprimé C’est l’installation qui approvisionne la centrale de l’air comprimé. Elle contient deux compresseurs qui permettent de répondre aux besoins de la centrale en air humide ainsi qu’en air sec. Le but de notre projet est d’améliorer le rendement de cette installation. La figure ci- dessous montre les points qui consomment l’air comprimé. Réservoir air humide Les pompes pneumatiques + Compresseurs nettoyage + boulonneuses + meuleuses Réchauffeur fuel Plate-forme filtrage fuel Sécheur Plate-forme alimentation fuel Plate-forme filtrage gasoil Station traitement combustible Réservoir air sec Station traitement d’eau Les 3 turbines Chaudières Figure 4: les points d'utilisation d'air comprimé Projet de fin d’étude Page 9 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Chapitre II : Généralités sur l’air comprimé Ce chapitre est destiné à décrire, dans un premier lieu, les différents composants d’une installation d’air comprimé et montrer leur importance. La deuxième partie de ce chapitre est consacrée à l’étude des compresseurs ainsi que la régulation. Projet de fin d’étude Page 10 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 I. Généralités sur l’installation d’air comprimé L’air comprimé est une forme d’énergie emmagasinée qui sert à faire fonctionner des machines, des équipements ou des procédés industriels. L’air comprimé est utilisé dans la plupart des industries de fabrication et dans certaines industries de services, notamment dans les cas où l’utilisation directe de l’électricité pour alimenter des outils ou des appareils se révèle peu pratique, voire dangereuse. Les systèmes d’air comprimé se composent de plusieurs sous-systèmes et composants principaux. Les systèmes d’air comprimé peuvent également être subdivisés en deux parties : le côté production et le côté consommation. Le côté production comprend les compresseurs, le traitement de l’air et les installations de stockage primaire. Un système bien géré va produire de l’air propre, sec et stable, délivré à la pression voulue de façon fiable et économique. Les principaux sous-systèmes de production d’air comprimé incluent normalement la prise d’air, le compresseur d’air (à vitesse fixe et/ou à vitesse variable), le refroidisseur de sortie, le moteur, les dispositifs de régulation, les équipements de traitement de l’air et les accessoires. Les dispositifs de régulation servent à régler la quantité d’air comprimé à produire pour maintenir une pression constante dans le système et gérer les interactions entre les divers composants du système. Les filtres à air et les sécheurs d’air éliminent l’humidité, l’huile et les impuretés de l’air comprimé. Le stockage de l’air comprimé (réservoirs humides et réservoirs secs) sert également à améliorer le rendement et la stabilité du système. L’eau accumulée est évacuée par des purgeurs de type manuel ou automatique. Les régulateurs de pression permettent de maintenir une pression constante dans un dispositif final d’utilisation. Le côté consommation inclut les tuyauteries de distribution, les stockages secondaires et les appareils d’utilisation. Un système de consommation bien géré minimise les différences de pression, diminue les pertes d’air dues aux fuites et aux dispositifs de purge, et procure l’air comprimé aux appareils et applications appropriés. Les tuyauteries de distribution acheminent l’air comprimé, du compresseur aux points d’utilisation finale. On utilise également des réservoirs d’air comprimé côté consommation afin d’améliorer la stabilité de la pression du système. La figure ci-dessous décrit les principaux composants d’une installation d’air comprimé : Projet de fin d’étude Page 11 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Entrée d’air Entrée d’air Compresseur Compresseur n°1 n°2 Refroidisseur de Refroidisseur de Purgeur sorite sorite Réservoir d’air Purgeur humide Sécheur Purgeur Filtre Point d’utilisation Point d’utilisation Refroidisseur de finale finale sorite Tuyauterie de distribution Figure 5:composantes d’un système d’air comprimé 1. Compression Le compresseur est le cœur d'une installation d’air comprimé. Les compresseurs sont utilisés pour augmenter la pression de l'air à partir des premières conditions (prise d'air) à des conditions de décharge (de décharge d'air). Le choix d’un type de compresseur est fonction de divers facteurs comme le débit requis par le circuit d’air, les dimensions du réseau d’air comprimé, la pression demandée et la perte de charge admissible dans le réseau. 2. Filtration L'utilisation de filtres à air comprimé efficaces équipés de purges de condensats permet de soustraire l'huile, l'eau et les particules du circuit d'air comprimé. Le filtre d’admission d’air protège le compresseur contre les particules, insectes et matériaux végétaux qui se trouvent en suspension dans l’air. On doit généralement installer des filtres à air comprimé en aval du compresseur d’air pour éliminer les impuretés telles que particules, condensats et huile. De Projet de fin d’étude Page 12 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 nombreux choix de méthodes de filtration existent qui dépendent de la propreté exigée pour l’air. 3. Séchage Les systèmes et processus de production d'aujourd'hui nécessitent une qualité d'air élevée, c’est pourquoi l’emploi de sécheur d’air est rendu nécessaire. Il existe plusieurs méthodes de séchage, pour lesquels le critère de sélection s’effectuera essentiellement en fonction de la classe d’air, du débit et de la pression à desservir. Les sécheurs d’air s’inscrivent dans trois grandes catégories : à réfrigération, à adsorption et à membrane. Le séchage par réfrigération s’effectue généralement en deux étapes : L’air entrant est refroidi une première fois par l’intermédiaire d’un échangeur air-air avec l’air sortant, où 70% de la vapeur d’eau se transforme en condensat. L’air passe alors dans l’évaporateur d’un groupe de froid où il est refroidit à une température proche du point de congélation (bien en-deçà du point de rosée). Le condensat est alors évacué avant de repasser dans l’échangeur précité. Le refroidissement par l’intermédiaire d’un volume tampon de fluide froid est également possible, dans ce cas, on parle également de séchage par réfrigération cyclique. Le séchage à membrane utilise une membrane semi-perméable pour séparer la vapeur d’eau du flux d’air. Ils ne comportent aucune pièce mobile. Pour le balayage de la membrane, ces sécheurs consomment près de 20 % de leur puissance nominale. L’air de balayage constitue une perte pour le système d’air comprimé. Le séchage par adsorption permet d’atteindre des points de rosée plus bas pour garantir un air très sec (point de rosée de - 20° C à - 70°C sous pression). Le séchage d'air par adsorption est basé sur l’attraction moléculaire des particules d’eau contenues dans l’air comprimé, lors du passage au voisinage d’un matériau adsorbant ou dessiccant. Constitué de tamis moléculaire, il s'agit d'un matériau très poreux qui peut adsorber des quantités importantes de vapeur d’eau. Le sécheur est constitué de 2 colonnes remplies de dessiccant. Le cycle de fonctionnement des sécheurs d'air est répétitif et commandé par une minuterie préréglée en usine. L’air comprimé humide passe dans une colonne pour y être séché. En sortie de colonne, une partie de l’air sec est prélevée afin de sécher, par balayage d’air sec la deuxième colonne. Cet air de régénération chargé de vapeur d’eau est ensuite évacué à l’air libre via une électrovanne et un silencieux. Après un temps fixé par la minuterie, le passage de l’air s’inverse. La colonne régénérée passe en séchage et vice versa. Projet de fin d’étude Page 13 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 L’installation d’air comprimé de la centrale à turbine à gaz Mohammedia 2 est équipée d’un sécheur par adsorption. 4. Refroidissement des compresseurs Les compresseurs qui fonctionnent en permanence engendrent d’importantes quantités de chaleur attribuable au processus de compression. Cette chaleur doit être extraite à la fois du refroidisseur d’air de sortie et du refroidisseur d’huile. Les compresseurs sont normalement refroidis par air ou par eau. De nombreux compresseurs à plusieurs étages sont équipés de refroidisseurs intermédiaires qui sont chargés d’éliminer, entre chaque étage, la chaleur de compression. Les refroidisseurs de sortie extraient la chaleur du lubrifiant et de l’air de refoulement du compresseur. Le refroidisseur d’air, installé en aval du dernier étage de compression, est refroidi par air ou par eau. Il est essentiel de veiller à son bon fonctionnement car la teneur en humidité de l’air dépend directement de la température de refoulement. Ces refroidisseurs d’air doivent être nettoyés régulièrement pour assurer une capacité optimale de transfert de chaleur aux fins d’une meilleure efficacité énergétique. Des températures supérieures à 38 °C provoquent généralement une surcharge des sécheurs d’air et entraînent des problèmes d’humidité. Les refroidisseurs réduisent la température de l’air de refoulement saturé et condensent la vapeur d’eau qui doit alors être séparée et vidangée du système. 5. Réservoirs et stockage de l’air comprimé Un réservoir d’air sert de stockage général pour le système et on l’installe habituellement à proximité des compresseurs d’air principaux. L’existence de réservoirs de stockage d’une capacité adéquate permet de préserver la qualité de l’air, la stabilité du système d’air comprimé, ainsi que son efficacité. Un stockage d’air approprié est extrêmement important dans un système dont il ralentit les variations de pression du système pour permettre une meilleure régulation des compresseurs et pour assurer des pressions plus stables dans le système d’air comprimé. 6. Séparateurs et purgeurs Les séparateurs d’eau sont des appareils qui éliminent les liquides entraînés par l’air. On les installe en aval des refroidisseurs de sortie pour extraire l’humidité condensée. Les séparateurs d’eau ne doivent pas être confondus avec les séparateurs d’huile que l’on emploie dans les compresseurs rotatifs à vis lubrifiés pour récupérer le lubrifiant dans l’air comprimé de refoulement. Tous les séparateurs, filtres, sécheurs et réservoirs doivent être équipés de dispositifs de purge destinés à évacuer les condensats liquides du système d’air comprimé. Des dispositifs de purge défectueux peuvent laisser s’écouler vers l’aval des bouchons Projet de fin d’étude Page 14 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 d’humidité risquant de surcharger le sécheur d’air et d’obstruer les équipements finals. Des dispositifs de purge mal conçus ou médiocrement entretenus peuvent entraîner des pertes importantes d’air comprimé. 7. Tuyauteries Les tuyauteries acheminent l’air comprimé depuis la salle des compresseurs jusqu’aux appareils et procédés d’utilisation finale. C’est pourquoi nombre de systèmes d’air comprimé doivent être équipés d’un sécheur d’air permettant de maitriser le niveau d’humidité de l’air. Un système de tuyauteries sous-dimensionnées dans la salle des compresseurs ou dans le réseau de distribution va provoquer une perte de pression notable entre le système de production d’air comprimé et les utilisations finales. Si l’on veut maintenir en aval une pression constante donnée, cette différence de pression va nécessiter une élévation de la pression de refoulement des compresseurs et, ce qui provoque un accroissement de leur consommation d’énergie. 8. Accessoires de raccordement Les raccords et coupleurs pour tuyaux d’air flexible doivent être durables et étanches. Souvent, les colliers de serrage employés sur les tuyaux d’air sont achetés à bas prix et leur rendement se détériore après une certaine période de temps. 9. Régulation La régulation d’un compresseur poursuit trois objectifs : économiser l’énergie, limiter l’usure et augmenter la disponibilité. Pour atteindre ces objectifs, les 4 modes de fonctionnement des compresseurs sont combinés dans différents types de régulation. Le type de régulation retenu dépend des conditions marginales. a. Mode marche /arrêt Dans ce mode, un interrupteur manométrique ou un manomètre de contact déclenchent le compresseur en fonction de la pression qui règne dans le réseau. Le compresseur possède deux modes de fonctionnement : pleine charge et arrêt. Parmi tous les types de régulation, cette conception est conseillée lorsqu’un réservoir d’air comprimé volumineux équipe le compresseur. La pression réseau monte jusqu’à la pression d’arrêt Pmax. Le compresseur passe en mode arrêt. La pression réseau chute jusqu’à la pression de déclenchement Pmin. Le compresseur passe en mode pleine charge. Projet de fin d’étude Page 15 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Pression Pmax temps pmin KW % 100 0 temps Figure 6:Schéma fonctionnel du mode marche/arrêt La puissance consommée pendant la charge du compresseur n’est pas parfaitement constante. L’objectif de cette figure est d’illustrée juste le mode de régulation marche/arrêt. b. Marche /à vide En mode marche/ à vide, le moteur continue de tourner, mais le compresseur ne fournit pas d’air comprimé. Le compresseur consomme plus que 30% environ de l’énergie nécessaire lorsqu’il fonctionne en pleine charge. Le fonctionnement continu du moteur minimise les démarrages du moteur qui, particulièrement sur les gros moteurs, provoquent une usure plus élevée. Le mode Marche/ à vide est utilisé dans les réseaux d’air comprimé disposant d’un volume de stockage relativement faible, afin de ne pas dépasser le nombre de déclenchements autorisés du moteur d’entraînement. La pression du réseau monte jusqu’à la pression d’arrêt Pmax. Le compresseur passe en mode marche à vide. La pression du réseau chute jusqu’à la pression de déclenchement Pmin. Le compresseur passe en mode pleine charge. Projet de fin d’étude Page 16 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Pression Pmax pmin temps KW % 100 0 temps Figure 7:Schéma fonctionnel du mode marche/ à vide c. Mode intermittent retardé Un pressostat, ou un manomètre de contact, est utilisé en association avec un élément temporel pour commander le compresseur en fonction de la pression du réseau. Le compresseur exécute les modes de fonctionnement pleine charge, marche à vide et arrêt. Les modes de fonctionnement sont reliés entre eux via un élément temporel tv. Le mode intermittent retardé conjugue les avantages du mode marche/arrêt et ceux de la marche à vide. Il représente un juste milieu, avec une consommation d’énergie moindre qu’en marche à vide. Deux variantes de commutation sont utilisées pour le mode intermittent retardé : 1ère variante : La pression réseau augmente jusqu’à la pression d’arrêt Pmax. Le compresseur passe en mode marche à vide. La pression réseau n’a pas atteint la pression de déclenchement Pmin à l’issue de la période tv. Le compresseur passe en mode arrêt. La pression réseau descend sous la pression de déclenchement Pmin. Le compresseur passe en mode Pleine charge. 2ème variante : La pression réseau augmente jusqu’à la pression d’arrêt Pmax. Le compresseur passe en mode Marche à vide. Projet de fin d’étude Page 17 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 La pression réseau atteint la pression de déclenchement Pmin avant l’issue de la période tv. Le compresseur passe en mode Pleine charge. Il existe deux possibilités pour activer l’élément temporel tv : L’élément temporel tv est démarré lorsque le compresseur est mis en route (Pmin). Il en résulte des périodes de marche à vide plus réduites et donc de plus faibles coûts en énergie. L’élément temporel tv est démarré lorsque la pression d’arrêt (Pmax) est atteinte. d. Charge partielle Le débit du compresseur est adapté aux différents besoins en air comprimé. La consommation d’énergie baisse lorsque le débit diminue. La pression du réseau est constante. Plusieurs méthodes permettent de faire varier le débit. Dans certains cas, il est possible de les combiner entre elles. Les méthodes les plus utilisés: Réglage de la vitesse de rotation Le débit du compresseur est modifié en variant la vitesse de rotation du moteur. Sur les compresseurs à moteur électrique, la vitesse de rotation est généralement réglée au moyen d’un variateur de fréquence. Le débit est réglé en continu de 40 à 100%. Réglage de l’étranglement d’aspiration Une soupape d’étranglement réglable est montée sur la conduite d’aspiration pour réduire le volume d’aspiration. Le réglage automatique est assuré par une soupape de pression asservie sur laquelle on applique la pression réseau. Si la pression réseau baisse, la soupape d’étranglement s’ouvre, le compresseur aspire davantage d’air et le débit augmente. Dès que la pression réseau s’est stabilisée, la soupape d’étranglement se referme et le compresseur fonctionne au ralenti le débit varie en continu de 0 à 100%. II. Les compresseurs Il existe deux grandes familles de compresseurs d'air : Les compresseurs volumétriques: Dans le type volumétrique, une quantité donnée d’air est aspirée dans une chambre de compression puis le volume que l’air occupe est diminué, ce qui entraîne une augmentation correspondante de sa pression avant qu’il soit refoulé. Les compresseurs dynamiques : Les compresseurs d’air dynamiques, qui comprennent des machines centrifuges et des machines axiales, sont courants dans les très grosses installations de fabrication. Projet de fin d’étude Page 18 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 La figure suivante présente sous une forme arborescente les différentes technologies des compresseurs d’air. Compresseurs Dynamiques Volumétriques Ejecteur Axial Radial Rotatif Alternatif Anneau Lobes Palettes Vis Spirales Membrane Piston liquide Figure 8:les différents types de compresseurs Les compresseurs qui alimente la centrale à turbine à gaz Mohammedia 2, sont des compresseurs volumétriques à lobes bi-étagé. 1. Les compresseurs à lobes Fonctionnement et technologie Dans un même stator se trouvent deux rotors non lubrifiés. Ces deux rotors, synchronisés en rotation, tournent en sens inverse et comportent chacun une ou deux dents qui vont permettre en un tour d’effectuer un ou deux cycles : aspiration, compression puis refoulement, et cela en masquant ou dégageant des orifices d’aspiration et de refoulement pratiqués sur les côtés du carter. La compression est mono ou bi étagée. Figure 9:les rotors d’un compresseur à lobes Projet de fin d’étude Page 19 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Les rotors sont entraînés et synchronisés par un engrenage. Un des deux rotors est entraîné par un moteur électrique muni d’un multiplicateur à engrenages permettant d’atteindre la vitesse requise. La lubrification des roulements et des engrenages est assurée par une pompe. Dans le cas des compresseurs bi-étagés, les chambres de compression sont entourées d’une double paroi où circule, au milieu, un liquide de refroidissement qui absorbe la chaleur due à la compression. Ce refroidissement assure une stabilité thermique, même dans des conditions de démarrage à froid et quelle que soit la demande en air comprimé. Cette stabilité thermique permet également de maintenir les jeux à une faible valeur afin d’optimiser le rendement global tout au long du cycle de travail. 2. Sélection des compresseurs Lors de la sélection d'un compresseur, il faut tenir compte de la quantité d'air comprimé requise et de la pression nécessaire pour alimenter les différents équipements pneumatiques. Il faut également considérer plusieurs autres critères de sélection. De plus, il importe de savoir utiliser les manuels du fabricant afin de déterminer les caractéristiques de fonctionnement des compresseurs et ainsi pouvoir les comparer entre eux. a. Critères de sélection Un système d'air comprimé peut être très simple ou, à l'opposé, très compliqué au regard de la quantité et de la variété des composants utilisés. Cependant, quel que soit le niveau de complexité d'un système, plusieurs facteurs sont à prendre en considération lorsque vient le moment de sélectionner un compresseur. Ces critères sont les suivants : Débit Le choix d'un compresseur dépend directement de la quantité d'air requise pour alimenter l’outillage et la machinerie pneumatiques. La quantité d'air requise est déterminée par la consommation instantanée et certains facteurs d'utilisation. Une fois cette quantité d'air établie, on l'utilise pour déterminer le débit d'air que doit fournir le compresseur. Le choix du compresseur doit donc être fait en s'assurant que ce dernier pourra répondre à la demande en air comprimé. On doit porter une attention particulière au débit annoncé par le fabricant puisque, dans certains cas, c'est le débit théorique du compresseur qui est annoncé. On doit également tenir compte de l'agrandissement futur du réseau d'air comprimé ou de l'achat éventuel de nouveaux équipements, puisque ces deux situations auront nécessairement un impact direct sur la demande en air comprimé. Il est donc préférable d'opter pour un compresseur pouvant fournir un débit supérieur à la demande actuelle en prévision d'une demande accrue à court terme. Projet de fin d’étude Page 20 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Pression L'air comprimé contient de l'énergie sous forme potentielle. Cette énergie se manifeste sous forme de travail mécanique lorsqu'on permet à l'air comprimé de se détendre, c'est-à-dire de passer d'un niveau de pression à un autre de valeur moindre. La détente s'effectue dans l'outillage et la machinerie pneumatique qui transforme cette énergie potentielle en travail mécanique. Le niveau de pression auquel le compresseur doit amener l'air comprimé dépend donc de la pression requise pour actionner l'outillage et la machinerie pneumatique. La pression au refoulement d'un compresseur dépend du type de construction de ce dernier. Peu importe le niveau de pression requis, la pression doit demeurer constante à l'intérieur du circuit d'alimentation afin d'assurer la fiabilité et la précision du fonctionnement des composants pneumatiques. Pour cette raison, on utilise des régulateurs de pression et un réservoir afin d'amortir les variations de pression qui surviennent à l'intérieur du circuit. De plus, le réservoir permet le refroidissement de l'air comprimé et sert d'apport lorsque la consommation est élevée. Puissance Le débit et la pression fournis par un compresseur déterminent directement la puissance de la source motrice. Plus la puissance est élevée, plus les valeurs du débit ou de la pression seront élevées. Il faut se rappeler que plus la capacité d'un compresseur est élevée, plus sa consommation d'énergie, ses dimensions physiques et sa masse seront élevées. Dans le cas des compresseurs de grande puissance, on doit donc prévoir un environnement adéquat tant au niveau de l'espace qu'à celui de l'aménagement physique et électrique. Régulation Le mode de régulation du débit d'un compresseur peut avoir une certaine influence sur le choix définitif d'un compresseur. Les fabricants offrent de plus en plus des compresseurs dont le fonctionnement est régi par automate. L'utilisation de l'électronique permet au compresseur de «réagir» et de «s'ajuster» automatiquement en fonction de la demande en air comprimé, et ce, en tenant compte de la consommation énergétique optimale et de l'usure mécanique minimale du compresseur. Dans le cas de compresseurs de ce type, l'investissement initial est certes plus élevé. Toutefois, il peut rapidement être amorti puisque la pratique démontre qu'environ 80 % des frais de production d'air comprimé sont absorbés par la consommation d'énergie de la source motrice. Un mode de régulation qui tient compte de la consommation d'énergie peut donc être très avantageux dans plusieurs cas. b. Critères généraux Avant d'effectuer le choix définitif d'un compresseur, on doit prendre en considération certains autres critères tels que : Projet de fin d’étude Page 21 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 - le prix d'achat. - l'encombrement - la qualité (propreté) désirée de l'air comprimé - le niveau sonore (bruit) - la fiabilité - la disponibilité des pièces de rechange Ces critères peuvent avoir une importance plus ou moins élevée en fonction de l'application. Par exemple, le critère de la qualité (propreté) de l'air comprimé fourni par le compresseur n'aura pas la même importance si l'air comprimé sert à alimenter de l'outillage pneumatique ou s'il est plutôt utilisé pour remplir des bonbonnes de plongée sous-marine. On doit donc porter une attention particulière aux exigences requises avant de porter un choix définitif. III. Conclusion Après avoir décrit le fonctionnement et l’importance des différents composants d’une installation d’air comprimé, le diagnostic de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG2 fera l’objet du chapitre suivant. Projet de fin d’étude Page 22 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Chapitre III : Diagnostic physique de l’installation d’air comprimé TAG2 Le diagnostic d’une installation consiste à trouver les points névralgiques où on peut réaliser des économies d’énergie. Ce chapitre consiste à chercher ses points ainsi que les utilisations inappropriées de l’air comprimé dans la centrale TAG2. Projet de fin d’étude Page 23 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 I. Production d’air comprimé La demande de l’air comprimé dans la centrale exige deux types d’air comprimé : l’air humide ou l’air de service, sert à nettoyer les locaux de la centrale, l’alimentation des pompes pneumatiques et d’autres nombreuses utilisations. L’air sec ou l’air d’instrumentation destiné à commander les différentes électrovannes de la centrale. Cet air (humide et sec) vient de deux compresseurs : un compresseur principal et un autre pour le standby. 1. Compresseurs Les compresseurs alimentant la centrale turbine à gaz de Mohammedia sont des compresseurs volumétriques à lobes bi-étagé. Ces compresseurs refoulent dans deux réservoirs d’une capacité de 3000 l chacun. L’air de service est refoulé directement dans le réservoir d’air humide, tandis que l’air d’instrumentation est stocké dans l’autre réservoir après le séchage afin d’éviter la détérioration des équipements de régulation. a. Système de régulation électronique (Elektronikon) Figure 10: le régulateur Elektronikon Le régulateur Elektronikon assure les fonctions suivantes : • Contrôle du compresseur • Protection du compresseur • Surveillance des composants sujets à un entretien • Redémarrage automatique après coupure de courant b. Régulation du compresseur La régulation utilisée pour contrôler les compresseurs de la centrale TAG2 de Mohammedia est une régulation qui se fait en trois étapes « pleine charge- arrêt- à vide » : Marche en charge (produit 100% de son débit et consomme 100% de sa puissance) jusqu’à atteindre sa pression haute. Projet de fin d’étude Page 24 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Marche à vide programmé (produit 0% de son débit et consomme en moyenne 30% de sa puissance). Arrêt (produit 0% de son débit et consomme 0 % de sa puissance). C’est la régulation la plus communément rencontrée pour les systèmes dépourvus de régulation de vitesse. Si la pression de service atteint la valeur de pression limite minimale pmin, alors le compresseur est mis en route et débite de l’air comprimé. En atteignant la valeur maximale de la pression pmax le compresseur s’arrête, après une durée de fonctionnement à vide programmée. Si, pendant le fonctionnement à vide, pmin est atteinte, le compresseur se remet alors en route à pleine charge. Pour une grande consommation d’air, le compresseur ne s’arrête pas, mais continue à fonctionner tantôt en pleine charge tantôt à vide. c. Caractéristiques et état actuel des compresseurs Caractéristiques des compresseurs ZT30 Tableau 1:caractéristiques des compresseurs Performances Caractéristiques Pression maximale (bar) 8.6 Débit (l/s) 73.9 Puissance du moteur (kW) 30 Vitesse de rotation du moteur (tr/min) 2960 Masse du compresseur (kg) 1171 Fabricant Atlas Copco Année de fabrication 2008 Capacité du réservoir (l) 3000 Pression admissible maximale dans le réservoir (bar) 11 Pression admissible minimale dans le réservoir (bar) 0 Température admissible maximale dans le réservoir (°c) 50 Température admissible minimale dans le réservoir (°c) -10 NB : ZT veut dire, le compresseur est refroidi par air Etat actuel des compresseurs Projet de fin d’étude Page 25 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Tableau 2:état actuel des compresseurs Caractéristiques Compresseur n°1 Compresseur n°2 heures totales 8166 10936 Heures de charge 3886 4323 Nombre de démarrage du moteur 135465 156834 Nombre de mise en charge 93680 44310 Pression d’huile (bar) 2.5 2.5 Température de sortie (°c) 24 22 Température d’injection d’huile (°c) 30 41 II. Traitement d’air comprimé Le traitement d’air comprimé consiste à diminuer les pollueurs qui se trouvent en suspension dans l’air qui peuvent nuire au bon fonctionnement des équipements pneumatiques, ces pollueurs sont essentiellement : les particules solides (poussière, suie, produits d’abrasion et de corrosion, …) que l’on peut classifier en fonction de leur taille (grosses > 10 μm, petites de 1 à 10 μm et très fines <1μm) ; l’eau : lors du refroidissement de l’air comprimé, il se forme une quantité importante de condensation. Si l’air n’est pas asséché, la corrosion s’installe et endommage les composants ; l’huile : une concentration d’huile peut boucher les parties pneumatiques sensibles et emporter ou endommager les couches grasses de protection. La demande d’une bonne qualité d’air comprimé pour la commande des différents équipements pneumatiques exige aussi un traitement d’air de haute qualité afin d’assurer une meilleure protection des équipements commandés par cet air ainsi une durée de vie de fonctionnement raisonnable. L’utilisation des sécheurs, filtres, séparateurs et purgeurs s’avère très importante pour éviter le maximum les effets des contaminants qui existent dans l’air ambiant. 1. Sécheurs L’air comprimé quittant le refroidisseur de sortie et le séparateur d’humidité du compresseur est en principe plus chaud que l’air ambiant et complètement saturé d’humidité. À mesure que l’air se refroidit, la vapeur se condense dans les canalisations d’air comprimé. Le sécheur consiste à éliminer cette humidité afin de diminuer les risques qui peuvent aboutir à des effets Projet de fin d’étude Page 26 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 indésirables comme la corrosion des tuyauteries et la contamination aux points d’utilisation. Le sécheur utilisé pour cette fin dans la centrale TAG2 est un sécheur par adsorption avec régénération à ventilateur permettant d’éliminer la vapeur d’eau ainsi que la poussière contenue dans l’air. Figure 11 : sécheur par adsorption 2. Filtres Filtre d’admission d’air du compresseur Un filtre d’admission d’air protège le compresseur contre les particules, insectes et matériaux végétaux qui se trouvent en suspension dans l’air. Filtres à air comprimé Il assure l’élimination de : • L'huile néfaste au dessiccant car elle réduit son pouvoir d’adsorption. Elle doit être traitée avant le passage de l'air comprimé dans le sécheur. • La poussière produite par le dessiccant lors du fonctionnement du sécheur. Elle doit être traitée en sortie du sécheur. Le système de filtration se compose : • En amont : Deux filtres permettent une filtration très poussée pour protéger le dessiccant. • En aval : Deux filtres éliminent les poussières issues du dessiccant ainsi que celles contenues dans l'air comprimé. Projet de fin d’étude Page 27 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Figure 12:système de filtration Caractéristiques des filtres utilisés : Tableau 3:caractéristiques des filtres Type Principe/utilisation Rétention Rétention de d’huile particules DD Filtre basique par coalescence, contre huile et 0,1 ppm 1μm particules DDp Filtre basique à particule, pour air comprimé - 1μm déshydraté PD Filtre haute efficacité par coalescence, contre huile et 0,01 ppm 0,01μm particules PDp Filtre haute efficacité à particules, pour air comprimé - 0,01μm déshydraté L'air comprimé produit par les deux compresseurs doit être amené à pied d'œuvre au moyen d'un réseau de distribution judicieusement établi. III. Distribution d’air comprimé Le réseau de distribution d’air comprimé entre le compresseur et le point d’utilisation est un élément très important d’une installation d’air comprimé. Les conduites se divisent en deux lignes : une ligne principale et une ligne secondaire ou les piquages. 1. La ligne principale Achemine l’air produit par le compresseur et les divers équipements vers le circuit principal de distribution d’air, c’est à dire l’endroit où l’air sera utilisé. Pour les systèmes importants de production d’air comprimé qui desservent plusieurs sites de travail ou plusieurs secteurs, la Projet de fin d’étude Page 28 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 ligne principale doit être conçue pour que chaque unité puisse être mise hors service sans perturber le reste du système. Des purges placées dans le système permettent d’éliminer l’eau présente dans l’air comprimé. Les conduites sont installées en pente et un récipient, équipé d’un système de purges, est placé au point le plus bas. Figure 13:purge de condensats 2. Le piquage La dérivation, ou piquage, se situe en bout de chaîne de l’installation permanente et doit être tirée aussi près que possible du lieu de travail pour éviter la perte de charge excessive occasionnée par l’utilisation d’un flexible trop long jusqu’à l’outil. Alors qu’à la centrale de Mohammedia, ils utilisent des flexibles de longueur dépassant les vingtaines de mètres. Le mauvais dimensionnement ou la mauvaise maintenance de ces conduites peut augmenter le coût de production du mètre cube de l’air comprimé. Ce coût est lié directement aux deux types essentiels de pertes qui peuvent nuire à l’utilisation d’air comprimé : Les pertes de charge La pression efficace, mesurée en bar, est générée dans le compresseur et transmise par un système de tuyauterie et de flexibles jusqu’à son utilisateur, l’outil. Lorsque l’on achemine de l’air sous pression, celle-ci diminue en présence d’obstacles comme les restrictions, les coudes, les passages étroits, etc. Cette réduction de pression est appelée perte de charge. La production d’air comprimé s’accompagne toujours d’une perte de charge, et les pertes augmentent avec la longueur et l’étroitesse du circuit d’alimentation. La figure ci-dessous illustre la chute qui accompagne les restrictions des conduites. Projet de fin d’étude Page 29 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Figure 14:variation de pression avec la restriction des sections La longueur des conduites du circuit principale qui approvisionnent la centrale de l’air comprimé est à peu près de 680 mètres. La figure ci-dessous montre une installation adéquate d’un réseau de distribution d’air comprimé. Figure 15:illustration d’une installation d’air comprimé La distribution de l’air comprimé à l’application, comme on a mentionné précédemment, se fait grâce à un réseau de tubes. Tout type d’obstruction, de diminution de section, de rugosité des parois dans le réseau de tubes engendrera une résistance au flux d’air et génèrera une baisse de pression, résultant en des pertes d’énergie. On observe que les pertes dans un réseau fermé sont moins importantes que dans un réseau en antenne comme le cas du réseau de la centrale TAG2. Les fuites Les fuites ne peuvent pas être complètement supprimées dans un réseau industriel d’air comprimé et représentent souvent une part non négligeable du surplus de consommation énergétique. Une installation non correctement maintenue, comme celle de notre cas, aura très Projet de fin d’étude Page 30 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 probablement un taux de fuites proche de 20% à une installation équivalente bien entretenue. Une détection et une réparation appropriées permettent de réduire les pertes à moins de 10% de la sortie du compresseur. Le réseau de distribution peut être configuré de différentes façons, mais, en général, la tuyauterie est reliée au moyen de raccords filetés ou soudés. Les raccords filetés donnent lieu à des fuites au cours des ans, en raison d'une perte graduelle d'étanchéité. Ces fuites sont habituellement moins importantes que celles qui se produisent aux raccords finals. La corrosion peut également causer des fuites ; les tuyaux corrodés doivent être remplacés pour des raisons de sécurité et d'efficacité énergétique. La majorité des fuites surviennent aux raccords d'un équipement relié à un réseau principal de tuyauterie. Tous les accessoires comportent des joints d'étanchéité qui s'usent et laissent échapper de l'air. Les boyaux peuvent perforer ou se fendiller. Les ensembles filtre-régulateur et lubrificateur sont susceptibles de fuir à plusieurs endroits, soit aux raccords filetés d'entrée- sortie ou de manomètre, au bol (qui peut se fissurer) et au drain (qui peut être usé). Quant aux raccords rapides, autant la partie mâle que la partie femelle, peuvent entraîner des fuites. Les joints d'étanchéité et les raccords de cylindres pneumatiques sont susceptibles de fuir. Le risque de fuites sera d'autant plus élevé que la fréquence de fonctionnement du cylindre sera grande. Le tableau suivant montre les pertes engendrées par des fuites de différents diamètres. Tableau 4:conséquence d’une fuite en fonction du diamètre du trou Diamètre du trou (mm) 1 2 4 6 8 10 Fuites (l/min) 50.5 205 815 1830 3255 5085 Pertes de puissances (kW) 0.3 1.1 4.5 10.1 17.9 28 Après un diagnostic rapide de l’installation, on a constaté qu’il y a beaucoup de changements de section injustifiés dans la ligne principale ce qui peut augmenter les chutes de pression dans la conduite principale. En outre, il existe des fuites qui sont détectables par l’ouïe au niveau des raccords des sécheurs, cela nous renseigne sur l’existence d’autres fuites qui peuvent être plus importantes dans les autres raccords qui nécessitent un détecteur ultrasonique. IV. Points d’utilisation d’air comprimé L'utilisation de l'air procure de nombreux avantages. Ainsi, en industrie, l'air comprimé permet de gagner du temps et de réduire le prix de revient ainsi que l'effort physique. Dans certains cas, l'emploi de l'air comprimé provient du fait qu'on le considère comme étant le moyen le plus efficace et le plus économique d'obtenir un résultat à la suite d'un travail donné. Projet de fin d’étude Page 31 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 L'air peut enfin être utilisé comme source d'énergie dans des circuits de commande complexes ou comme source d'énergie de puissance pour actionner des vérins ou des moteurs. Considérer l’air comprimé comme étant l’énergie la plus économique, suite à sa simplicité d’utilisation, est l’idée régnante chez la plupart du personnel industriel. Comme mentionné précédemment, l’utilisation de l’air comprimé dans la centrale a pour deux objectifs : la commande des équipements pneumatiques par un air séché, et l’utilisation de l’air humide est restituée pour d’autres applications telles que le soufflage, le nettoyage, les boulonneuses, les meuleuses, l’alimentation des pompes pneumatiques etc. V. Conclusion Le diagnostic de l’installation d’air comprimé nous a permis de découvrir les différents points faibles du circuit d’air comprimé. Parmi les différents problèmes rencontrés lors de ce diagnostic, c’est la mauvaise utilisation de l’air comprimé suite à une absence totale de la sensibilisation sur l’importance de cette énergie qui coûte chère comme on a déjà mentionné. En outre, l’absence d’un plan de maintenance et un suivi de la consommation énergétique de l’installation nous renseigne sur les pertes éventuelles qui peuvent ajouter des surplus non négligeables dans la facture électrique. Le calcul de ces pertes fera l’objet du chapitre fuites d’air comprimé. Ajoutant aux problèmes précédemment mentionnés, l’absence des appareils de mesure de pression et de débit. Cela rend difficile le suivi de la consommation d’air comprimé dans la centrale. Projet de fin d’étude Page 32 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Chapitre IV : Dimensionnement Nous allons vérifier, dans le présent chapitre, le dimensionnement du compresseur en fonction du besoin de la centrale ainsi que la taille du réservoir vu le rôle important qu’il joue à l’équilibrage du réseau. Pour ensuite vérifier l’extensibilité du réseau d’air comprimé. Projet de fin d’étude Page 33 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 I. Introduction L’objectif du présent chapitre est de remettre en question le dimensionnement de l’installation d’air comprimé de la centrale et voir s’il répond aux besoins de la centrale et ces futures extensions. II. Généralités Un certain nombre de décisions doivent être prises lors du dimensionnement d'une installation d'air comprimé pour l’adapter aux besoins de l'utilisateur, donner la meilleure économie d'exploitation et être prêt pour une extension future. Les bases sont des applications ou des processus qui vont utiliser l'air comprimé. Par conséquent, vous devez commencer par une cartographie pour un dimensionnement continu. Il est important d'analyser plusieurs types de problèmes en ce qui concerne les besoins en cours ainsi que les besoins futurs. Il sera donc possible de concevoir une installation offrant suffisamment de flexibilité. Parmi les points qu’il faut tenir en compte, il y a : La pression qui est un facteur critique, car cela affecte de manière significative la consommation d'énergie. Parfois, il peut être économique d'utiliser différents compresseurs pour différentes gammes de pression. La qualité de l'air comprimé n'est pas seulement une question de la teneur en eau, mais a également de plus en plus un effet sur l’environnement. La question de savoir si l'installation du compresseur doit être centralisée ou décentralisée affecte l'encombrement et les plans des futures extensions. De point de vue économique et environnemental, il est de plus en plus important d'étudier les possibilités de récupération d'énergie à un stade précoce, ce qui donne souvent le retour très rapide sur l'investissement. 1. La pression requise Les équipements d'air comprimé dans une installation déterminent la pression requise. Cette pression ne dépend pas seulement du compresseur, mais aussi de la conception du système d'air comprimé avec tuyauteries, vannes, sécheurs d'air comprimé, filtres, etc. Différents types d'équipements peuvent exiger une pression différente dans le même système. Normalement, la pression la plus élevée détermine la pression requise de l'installation et d'autres équipements sont équipés de valves de réduction au point de consommation. Dans les cas les plus extrêmes la méthode ne peut pas être rentable et un compresseur séparé pour les besoins spéciaux peut être une solution adéquate. Projet de fin d’étude Page 34 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Aussi garder à l'esprit que la chute de pression augmente rapidement avec un flux croissant. Si un changement dans la consommation peut être prévu, il est logique d’adapter l'installation à ces conditions. Les filtres et les filtres à poussières spéciaux, ont une faible perte de charge initiale, mais avec le temps seront bloquées et devront être remplacés au-delà d’un seuil critique de baisse de pression. 2. Le débit d’air La demande d’air comprimé est déterminée par les différents récepteurs. Elle est calculée comme la somme de la consommation d'air pour tous les outils, machines et procédés qui seront connectés, en gardant à l'esprit le facteur d'utilisation que l'expérience nous dit sera pertinent. L’ajout des fuites, de l'usure et des changements futurs de la demande doivent aussi être considérés. La capacité du compresseur est déterminée essentiellement par l'exigence totale nominale de l'air comprimé. Le débit de sortie libre du compresseur doit couvrir ce taux de consommation d'air. Cependant, Le nombre de compresseurs et la taille sont déterminés principalement par le degré de flexibilité, le système de contrôle et d'efficacité énergétique requis. 3. Le réseau d’air comprimé Trois recommandations doivent être prises en considération lors d’un dimensionnement d’un système de distribution pour fournir un fonctionnement fiable et une bonne économie: Une faible chute de pression entre le compresseur et le point de consommation, un minimum de fuite, et une meilleure séparation de condensat si un sécheur à air comprimé n'est pas installé. a. Les conduites La conception et le dimensionnement du réseau de conduite d'air sont importants pour l'efficacité de l'installation, la fiabilité et le coût. Parfois, une forte chute de pression dans le pipeline est compensée par l'augmentation de la pression de fonctionnement du compresseur. Lorsque la consommation d'air comprimé diminue, la chute de pression diminue également et la pression au point de consommation s'élève au-dessus du niveau autorisé. L’installation d'air comprimé doit être dimensionnée de telle sorte que la chute de pression dans les tuyaux ne dépasse pas 0,15 bar entre le compresseur et le point le plus éloigné de la consommation. A cela s'ajoute la chute de pression dans les coudes, raccords de tuyaux et autres accessoires. La longueur maximale de tuyaux autorisée dans le réseau pour une chute de pression spécifique peut être calculée à partir de la relation empirique suivante: (1) L : la longueur totale de conduite (m) Projet de fin d’étude Page 35 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 : la plus grande chute de pression autorisée dans le réseau (bar) d : diamètre intérieur de la conduite (mm) P : pression d'entrée absolue (bar) Qc : débit d’air libre (l/s) b. Le réservoir Un ou plusieurs réservoirs d'air sont inclus dans chaque installation de compresseur. La taille est adaptée selon la capacité du compresseur, le système de régulation et l'exigence de la consommation. Le réservoir d'air forme une zone de stockage pour l'air comprimé, équilibre la pulsation du compresseur, refroidit l'air et recueille la condensation. En conséquence, le réservoir doit être muni d'un dispositif de drainage. La relation ci-après permet de calculer la volume du réservoir en utilisant la capacité du compresseur. (Bibliographie 2) ( ) V : le volume du réservoir (l) f max : la fréquence maximale, pour les compresseurs d’Atlas Copco f max= 1 cycle/30 secondes (s-1) P1 : pression d'entrée du compresseur (bar) Qc : débit d’air libre du compresseur (l/s) T1 : la température d’entrée maximale du compresseur (K) T0 : la température de l’air comprimé dans le réservoir (K) (Pd-Pc) : la différence entre la pression de décharge et la pression de charge. III. Dimensionnement 1. La demande de la centrale en air et pression La demande d’air comprimé dans la centrale TAG2 se divise en deux catégories : a. Air de service Tableau 5:consommation d'air humide dans la centrale Consommateurs Débit (Nl/min) Pression (bar) Poste traitement fuel 2*1041 7 Atelier 1041 7 Turbines 3*200 7 Poste traitement eau 1041 7 Totale 4764 Projet de fin d’étude Page 36 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 b. Air d’instrumentation Tableau 6:consommation d'air comprimé sec dans la centrale Consommateurs Débit (Nm3/h) Pression (bar) Réchauffeur fuel 3 7 Plate-forme filtrage fuel 3 7 Plate-forme alimentation fuel 3 7 Plate-forme filtrage gasoil 1 7 Station traitement combustible 7 7 Station traitement d’eau 3 7 Chaudières 28 7 3 turbines 3*28 7 Totale 132 Le dimensionnement de l’installation d’air comprimé sera effectué sous les conditions ambiantes suivantes : Température ambiante : 20°c Température ambiante maximale : 30°c Pression atmosphérique : 1bar L’unité internationale du débit est le mètre cube par seconde (m3/s). Cependant l’unité litre par seconde (l/s) est fréquemment utilisée quand on parle du débit, par exemple, du débit volumique d’un compresseur. On parle aussi du normal litre par seconde (Nl/s) pour désigner la capacité d’un compresseur. Avec l’unité (Nl/s) le débit d’air est calculé dans les conditions normales (i.e. 1.013 bar et 0°c). La relation entre les deux débits est : ( ) (Bibliographie 2) Avec: Qi = débit d’air en (l/s) Qn= débit d’air en normal litres / second (Nl/s) Ti = temperature d’entrée (°C) pi = pression d’entrée (bar) 2. Sélection du compresseur La consommation totale est la somme de tous les consommateurs 130,5 l/s. Une sécurité marginale approximative de 10 à 20% doit être ajoutée à la présente en cas d’un élargissement Projet de fin d’étude Page 37 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 de l’installation, ce qui donne un débit de 130,5*1.1=143,55 l/s (avec sécurité de 10% marginale). La pression maximale requise pour les consommateurs est de 7 bars. Le compresseur sera dimensionné pour répondre au consommateur, y compris la perte de charge, qui exige la plus haute pression. Un détendeur doit être monté sur le consommateur qui exige moins de 7 bars. Supposons que la chute de pression dans le sécheur, le filtre et le réseau de distribution ne dépasse pas 1,5 bar. Par conséquent, un compresseur avec une pression de travail maximale de 8,5 bars est approprié. Pour le calcul de la puissance nécessaire à la compression, nous utilisons la relation suivante : ̇ [( ) ] (Bibliographie 12) 1000 Avec : P : la puissance nécessaire à la compression (KW). N : nombre des étages de la compression : la capacité de chaleur (égale 1.4 pour l’air) : la constante des gaz (8.314 J/mol.K) T1 : la température à l’entrée du compresseur (K) M : la masse moléculaire de l’air (0.029 Kg/mol) ̇ : le débit massique (Kg/s) le rendement de la compression (0.8) P1 : la pression à l’entrée du compresseur P2 : la pression à la sortie du compresseur Donc la puissance nécessaire à la compression est de 24 KW (application directe de la relation). On divise cette puissance par 0.8 pour obtenir la puissance du moteur 30 KW. 3. Dimensionnement du réservoir La formule pour calculer le volume du réservoir pour un compresseur ayant une régulation charge décharge est donnée comme suit: ( ) Dans notre cas on a : Projet de fin d’étude Page 38 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Qc = capacité du compresseur (l/s) = 145 l/s P1 = pression d’entrée (bar)= 1 bar T1 = temperature d’entrée maximale (K) = 273 + 30 = 303 K fmax = cycle de fréquence maximum = 1 cycle/30 seconds (s-1) (pU - pL) = différence de pression entre la charge et la décharge (bar) = 0.5 bar. T0 = temperature de sortie du compresseur plus grande que la température ambiante de 10°c. Alors : 2246 .78 l Cette valeur indique le volume minimal recommandé, la valeur convenable est la valeur standard la plus proche. Dans la centrale TAG2, le volume du réservoir utilisé est de 3000 l. 4. Evaluation des pertes de charge linéaire dans le réseau Pour évaluer ces pertes nous utilisons la relation (1). La longueur des conduites est estimée à 680 m. La section moyenne est estimée à 77,92 mm. La pression maximale à l’entrée du réseau est 8,5 bars. Le débit du compresseur est 148 l/s. P=0,12 bars IV. Conclusion Dans ce chapitre nous avons calculé, en fonction des besoins de l’installation, la puissance du compresseur ainsi que la pression et son débit d’air libre. La détermination du volume du réservoir fait partie du dimensionnement effectué. Ce calcul nous a permis de valider le choix des équipements de l’installation ainsi que son extensibilité future. Le traitement du problème des fuites fera l’objectif du prochain chapitre. Projet de fin d’étude Page 39 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Chapitre V : les fuites d’air comprimé Un bon réseau de distribution d’air comprimé doit avoir un volume de fuite tolérable. Le présent chapitre évalue le taux de fuite dans l’installation, les méthodes de détection ainsi que le colmatage de ces pertes. Projet de fin d’étude Page 40 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 I. Introduction Améliorer et maintenir les systèmes à air comprimé à des niveaux de performances élevés demande non seulement de s’intéresser aux composants individuels, mais aussi d’analyser l’approvisionnement et la demande du système et toutes leurs interactions. Dans ce chapitre on s’intéresse aux pertes produites par les fuites, leur colmatage et l’évaluation économique de ce colmatage ainsi que le gain financière engendré par la limitation des fuites à un niveau très bas. II. Les fuites Les fuites dans le système sont la principale source de pertes pour une large part des installations. Des études montrent que 25 à 60% de l'air comprimé produit sont perdus en raison de fuites. Même les installations soigneusement entretenues ont régulièrement des fuites. Il est toujours profitable d'accorder une attention toute particulière à ce que le système soit exempt de fuites. Si l'installation présente une perte d'air comprimé de 10% ou plus, il est urgent de prendre des mesures. Dans le cas d'installations comportant un vaste système de conduites complexe et largement ramifié, il est particulièrement recommandé d'établir la proportion de fuites, avant de repérer l'endroit précis de celles-ci. Figure 16:les fuites d’une installation d’air comprimé 1. Méthode de mesure du débit de fuites a. Méthode de la vidange des réservoirs Une façon simplifiée de déterminer les fuites consiste à mesurer le temps de vidange des réservoirs d’air comprimé. Pour réaliser cette mesure, vous n’avez besoin que d’une montre et Projet de fin d’étude Page 41 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 d’un manomètre. Il vous faut également connaître le volume du réservoir et la pression du réseau. La mesure est réalisée de la façon suivante : régler la pression du réseau et du réservoir à la pression maximum admissible en veillant à ce que tous les récepteurs soient hors service puis mettre le compresseur hors service de façon à ce que le réseau ne soit plus alimenté. Mesurer ensuite le temps nécessaire pour que la pression diminue de 1 à 2 bars en raison des fuites. La figure 17 montre un profil de pression typique pour cette mesure. pression Pd Pf T temps Figure 17:Mesure de la diminution de pression dans le système coupé en fonction du temps Vous pouvez choisir librement les deux pressions entre lesquelles vous effectuez la mesure. Avec les données de pression maximale et minimale, le temps nécessaire à cette diminution de pression et le volume du réservoir, la quantité d’air perdue à cause des fuites peut être calculée : ( ) Qf : Débit des fuites. Vr : Volume du réservoir. Pd : Pression dans le réservoir au début de la mesure. Pf : Pression dans le réservoir à la fin de la mesure. T : Temps de mesure. b. Méthode de la durée de fonctionnement du compresseur Une autre méthode pour déterminer les fuites consiste à mesurer la durée de fonctionnement du compresseur lorsque celui-ci ne fait que compenser les fuites. L’avantage de cette méthode est qu’il n’est pas nécessaire de connaître le volume des réservoirs et du réseau mais la quantité d’air délivré par le compresseur. La mesure est réalisée de la façon suivante: après avoir mis tous les récepteurs et les compresseurs, exception faite de celui nécessaire à la mesure, hors service, relevez l’évolution de la pression dans le système au cours du temps. La Projet de fin d’étude Page 42 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 figure 18 montre une courbe caractéristique de cette mesure. Pendant les temps ti, le compresseur fonctionne en charge et alimente le système ce qui fait augmenter la pression du système. Une fois la pression maximale du système atteinte, le compresseur s’arrête et la pression se met à baisser en raison des fuites jusqu’à ce que la pression minimale soit éteinte et que le compresseur se remette en charge. pression P2 P1 t1 t2 t3 T temps Figure 18:la méthode de durée de fonctionnement du compresseur Pour déterminer les fuites avec précision, il est nécessaire de mesurer plusieurs cycles de fonctionnement du compresseur. Additionnez les temps de fonctionnement en charge du compresseur ti. Les fuites se laissent alors calculer à l’aide de la formule suivante : Qf : Débit de fuite, Qc : Débit du compresseur, t= ∑ =Temps de fonctionnement du compresseur en charge, T : Durée totale de la mesure, c. Estimation des fuites à partir de données géométrique Dans la mesure où aucune mesure ne peut ou ne doit être menée, les fuites se laissent aussi estimer à partir du nombre et de la taille de celles-ci. L’écoulement d’air au niveau d’une fuite peut être décrit à l’aide de la mécanique des fluides. Etant donné que la géométrie de la fuite n’est pas exactement connue, il est fait l’hypothèse que celle-ci est circulaire, ce qui permet d’avoir une estimation du débit de fuite supérieure à ce qu’il n’est vraiment. La vitesse Projet de fin d’étude Page 43 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 d’écoulement au niveau de la fuite correspond typiquement à la vitesse du son. Seulement en cas de faible différence de pression, cette vitesse n’est pas atteinte. 2. Evaluation du pourcentage des fuites Vu l’imprécision de la dernière méthode et la complexité de la 1ere méthode, qui demande l’arrêt des récepteurs et du compresseur ce qui est impossible de réaliser dans notre installation. Alors pour calculer le taux de fuites on a utilisé la 2ème méthode qui consiste à arrêter la consommation pendant le temps de mesure. Le temps totale de mesure est estimé à 1589 secondes, le débit d’air du compresseur est Qc=73.9 L/s. La démarche à suivre: Le compresseur fonctionne en charge jusqu’à ce qu’il s’arrête On inscrit le temps écoulé avant sa remise en marche On inscrit l’heure à laquelle le compresseur s’est arrêté de nouveau Répéter 3 fois Tableau 7:mesure du temps de charge et de décharge du compresseur Cycle Temps départ/arrêt (secondes) : ti Temps arrêt/départ (secondes) 1 92 435 2 94 439 3 93 436 Le temps total de mesure: T = 1589s. Le temps de fonctionnement du compresseur en charge est : t = ∑ = 279s. Ce qui donne un débit des fuites égal à : Qf =12.97 L/s, qui représente un pourcentage de 17.55% de la demande maximale du système. 3. Détection des fuites d’air comprimé a. Méthode de détection par l'ouïe La méthode de détection par l'ouïe est simple. En général, une fuite audible est suffisamment importante pour nécessiter un colmatage. Normalement, plus le sifflement produit par la fuite est élevé, plus le débit est important, bien qu'il n'y ait pas de relation proportionnelle entre le bruit et le débit. Cette méthode est d'autant plus efficace que le bruit de fond de l'usine est considérablement réduit au moment de la détection. Il suffit alors de se déplacer d'un équipement à l'autre tout en étant attentif aux sifflements. Dès qu'une fuite est détectée par l'ouïe, il faut la localiser afin d'en déterminer la nature et de décider de la mesure à prendre. Bien souvent, certaines fuites peuvent être réparées sur le champ en resserrant, par exemple, le collier de serrage. Projet de fin d’étude Page 44 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 b. Méthode de détection par ultrason Cette méthode de détection est plus coûteuse à cause du prix d'achat ou des frais de location d'un détecteur à ultrasons, mais elle est cependant nettement plus précise que la méthode par l'ouïe. Elle permet de détecter les fuites (malgré un bruit de fond élevé) et d'examiner la tuyauterie ou les équipements éloignés pour lesquels une détection par l'ouïe est impossible. La méthode par ultrasons permet de détecter pratiquement toutes les fuites d'un système, même celles que l'on n'entend pas pendant un arrêt de production. Cette méthode permet cependant de simplifier la tâche et d'effectuer une détection plus poussée qu'avec la méthode de détection par l'ouïe. Figure 19: appareil à ultrasons Pour repérer les fuites, procédez comme suit: recherchez systématiquement, à l'aide de l'appareil de mesure à ultrasons, les points d'inétanchéité sur le réseau d'air comprimé, le compresseur, le sécheur, le réservoir, les purgeurs de condensat et les filtres; prêtez une attention spéciale aux éléments de raccord, aux couplages et aux embranchements du réseau d'air comprimé; n'oubliez pas les raccordements des machines et des appareils; marquez les endroits de fuite repérés de manière bien visible, par exemple au moyen d'étiquettes adhésives fluorescentes (vous garantissez ainsi qu'aucune fuite ne sera oubliée lors de l'opération d'élimination des fuites qui suivra). 4. Colmatage et réparation des fuites Il est évidemment impossible d'éliminer complètement les fuites dans un réseau d'air comprimé. Il faut donc, avant d'entreprendre le colmatage, bien distinguer la distribution des fuites dans un réseau et être en mesure de déterminer celles qui doivent être colmatées. Projet de fin d’étude Page 45 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Tout d'abord, il faut tenir compte du fait que la personne responsable de la détection des fuites n'effectuera pas un calcul de rentabilité pour chaque fuite avant de déterminer si elle doit en recommander la réparation. Il faut donc établir une ligne directrice facile à suivre afin d'éviter la confusion et de simplifier l'entretien. On peut diviser les fuites courantes en quatre catégories en se basant sur le débit de fuite. Les micro-fuites : Ces fuites sont généralement inaudibles, mais elles peuvent être détectées par ultrasons. Le débit d'air comprimé se situe sous 0,5 SCFM (0.0142 m3/min). Les fuites mineures : Ces fuites se situent à la limite de la détection auditive et présentent un débit de plus de 0,5 SCFM, sans toutefois dépasser 4 SCFM (0.1133 m3/min) (par exemple, un orifice d'environ 1/16 de pouce de diamètre). Les fuites moyennes : Ces fuites produisent un sifflement important pouvant s'entendre à plusieurs dizaines de pieds. Le débit peut atteindre environ 15 SCFM (0.4248 m3/min) (par exemple, un orifice d'environ 1/8 de pouce de diamètre). Les fuites importantes : Ces fuites produisent un bruit considérable et peuvent se détecter très facilement. Le débit d'air fuyant dépasse les 15 SCFM. En général, le réseau d'une usine présente surtout des micro-fuites soit, de 50 à 70 % du nombre total des fuites détectables. La majorité de ces fuites n'ont pas besoin d'être colmatées et ne justifient pas le remplacement d'un équipement. On doit suivre l'évolution de ces fuites et intervenir lorsqu'elles atteignent environ 0,5 SCFM. Il ne faut cependant pas négliger les fuites qu'on peut éliminer seulement en resserrant un collier de serrage au moment de la détection. Les fuites mineures comptent pour 30 à 40 % environ des fuites détectables. Normalement, de 30 à 50 % de ces fuites présentent un débit suffisant pour justifier une réparation, sauf s'il faut modifier considérablement la tuyauterie ou remplacer des équipements coûteux qui demandent un arrêt de production prolongé. Il faut se concentrer sur les boyaux perforés, les raccords rapides, les régulateurs défectueux, etc. Les fuites moyennes représentent moins de 10 % du total des fuites détectables d'un réseau et doivent être colmatées. Quant aux fuites importantes, on peut en retrouver une ou deux par usine. Elles doivent être colmatées en priorité. Ces indications sont sujettes à interprétation, car il est normalement impossible de mesurer le débit propre à chaque fuite. Pour pallier cette lacune, il est conseillé de toujours faire appel à Projet de fin d’étude Page 46 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 la même équipe de détection et de colmatage, car le personnel est plus à même d'assurer un suivi et de décider des fuites à colmater. 5. Evaluation économique Afin d'évaluer les pertes d'énergie et financières entraînées par les fuites d'air comprimé, il faut établir les points suivants : La consommation d'électricité des compresseurs avant les réparations et le colmatage des fuites La consommation d'électricité prévue après que l'objectif de réduction est atteint Le coût de l'électricité. La puissance moyenne consommée = 19004 W. Le prix du KWh = 1,26 Dhs. (Voir feuille de calcul) Le pourcentage des fuites = 17.55% de la consommation. Ce qui génère une perte d’énergie estimée à 29216 kWh/an, donc 36813 Dhs/an. L’objectif du colmatage est de réduire les pertes dues aux fuites à moins de 7%. Ce qui rend les pertes moins de 11653kWh/an. Donc un gain annuel de 22130 Dhs/an. L’opération du colmatage des fuites est estimée à 15000 Dhs. Le retour sur investissement= 8 mois Pour le calcul de la puissance moyenne consommée voir feuille de calcul. III. Conclusion L’évaluation du taux de fuites effectuée sur l’installation d’air comprimé de la centrale TAG2 a montré un taux non négligeable malgré que le réseau de la centrale est nouveau et n’est pas assez grand. La chasse à ces fuites ainsi leur colmatage, pour les réduire à un taux de 7%, ont engendré un gain important. Projet de fin d’étude Page 47 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Chapitre VI: variation de vitesse Le présent chapitre est destiné à étudier les avantages ainsi les gains engendrés par la variation de vitesse des compresseurs. Projet de fin d’étude Page 48 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 I. Introduction Comme nous l’avons indiqué précédemment, la consommation d’énergie électrique est le point néfaste d’une installation d’air comprimé surtout pour celle possédant un compresseur qui marche à une vitesse fixe comme celui de la centrale TAG Mohammedia 2. La raison pour laquelle notre objectif, à travers ce chapitre, est de réduire cette consommation en étudiant la possibilité de varier la vitesse du compresseur qui semble présentant plus d’avantages en termes d’économie d’énergie et protection du compresseur. La variation de vitesse des compresseurs est aussi celle du moteur électrique, ce qui implique l’introduction d’un composant supplémentaire, le variateur de fréquence. En principe, ce système de variation apparaît comme le plus adéquat puisqu’il y a un rapport proportionnel entre la vitesse de rotation et le débit. Les lois de la similitude ci-après montrent qu’une réduction de 20% de la vitesse implique une réduction de 49% de la puissance consommée. ; ( ) ; ( ) . Avec Qi, Hi, Pi sont respectivement le débit, la hauteur manométrique et la puissance consommée pour une vitesse Ni. Le tableau suivant illustre l’influence de la vitesse de rotation sur la puissance consommée : Tableau 8:Influence de la vitesse de rotation sur la puissance consommée Vitesse et débit (%) Pression (%) Puissance (%) 100 100 100 90 81 73 80 64 51 70 49 34 60 36 22 50 25 12 Il existe plusieurs technologies de variation de vitesse, mécaniques ou électroniques, dont les plus courantes sont listées ci-dessous : onduleur de fréquence électronique, moteur à induction avec rotor bobiné à résistance variable, couplage par glissement (limiteur de couple par friction), moteurs à courant continu, entraînement par courroie trapézoïdale, Projet de fin d’étude Page 49 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 turbine à vapeur et moteurs alternatifs (les éléments de travail du moteur évoluent alternativement), rotor bobiné à résistance variable ou à variation du nombre de paires de pôles. Parmi toutes ces technologies existantes pour varier la vitesse des moteurs électriques, les variateurs de vitesse électroniques présentent le plus d’avantages. En effet, grâce à ce type de variateur, il est possible de contrôler parfaitement les phases de mise en rotation et d’arrêt de l’application. De plus les variateurs de vitesse électroniques assurent toutes les fonctionnalités de protection du variateur et du moteur. II. Consommation d’énergie électrique Notre étude est basée sur une mesure de la consommation électrique vraisemblable d’un compresseur de même puissance que celui de la centrale. Cette étude est faite sur un intervalle de temps d’une minute et pendant une journée. La figure suivante illustre la consommation énergétique du compresseur pendant la période mentionnée ci-dessus. 1. Consommation actuelle 40000 la puissance (W) 35000 30000 25000 20000 15000 10000 puissance 5000 0 moyenne 06/02/2014;01:09 05/02/2014;17:25 05/02/2014;18:23 05/02/2014;19:21 05/02/2014;20:19 05/02/2014;21:17 05/02/2014;22:15 05/02/2014;23:13 06/02/2014;00:11 06/02/2014;02:07 06/02/2014;03:05 06/02/2014;04:03 06/02/2014;05:01 06/02/2014;05:59 06/02/2014;06:57 06/02/2014;07:55 06/02/2014;08:53 06/02/2014;09:51 06/02/2014;10:49 06/02/2014;11:47 06/02/2014;12:45 06/02/2014;13:43 06/02/2014;14:41 06/02/2014;15:39 06/02/2014;16:37 glissante la date Figure 20:la consommation d'énergie électrique à vitesse fixe La figure ci-dessus montre que le compresseur effectue des cycles de charge-décharge provoquant ainsi un surplus important de la consommation électrique. L’objectif de l’installation d’un variateur de vitesse est d’éliminer ce surplus en ralentissant le moteur pendant la décharge du compresseur évitant ainsi les cycles de charge-décharge pendant la marche à vide du moteur. Pour évaluer ce surplus d’énergie nous allons comparer la consommation des deux modes de fonctionnement : à vitesse fixe et à vitesse variable. L’estimation de l’énergie consommée par la variation de vitesse du compresseur se fait en approchant l’équation reliant la puissance et le débit à celle d’une droite. Projet de fin d’étude Page 50 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Figure 21:variation de la puissance en fonction du débit Pendant la demande maximale le compresseur consomme la même énergie tant avec une vitesse fixe qu’avec une vitesse variable. Tandis que, pendant la phase de décharge, le compresseur ne cesse pas de consommer l’énergie électrique avec la marche à vitesse fixe alors qu’avec la variation de vitesse cette consommation s’annule pendant cette phase. Pour déterminer la consommation d’énergie avec la variation de vitesse du compresseur, on détermine les débits pour chaque puissance consommée à vitesse fixe et on fait l’opération inverse pour déterminer la puissance à vitesse variable. 2. Consommation avec variation de vitesse 40000 la puissance en (W) 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 05/02/2014;2… 06/02/2014;1… 05/02/2014;1… 05/02/2014;1… 05/02/2014;1… 05/02/2014;1… 05/02/2014;2… 05/02/2014;2… 05/02/2014;2… 05/02/2014;2… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;0… 06/02/2014;1… 06/02/2014;1… 06/02/2014;1… 06/02/2014;1… 06/02/2014;1… 06/02/2014;1… 06/02/2014;1… 06/02/2014;1… la date Figure 22:consommation avec variation de vitesse Cette figure illustre ce que nous avons indiqué ci-dessus. La consommation lors de la décharge du compresseur s’approche beaucoup plus du zéro d’où l’utilité de la variation de Projet de fin d’étude Page 51 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 vitesse. La figure suivante montre la différence entre la consommation à vitesse fixe et celle à vitesse variable. La moyenne glissante lors de la marche à vitesse variable est plus faible que celle lors de la marche à vitesse fixe. 40000 35000 puissance (W) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 moyenne glissante VF 0 moyenne glissante VV 06/02/2014;12:37 05/02/2014;17:25 05/02/2014;18:37 05/02/2014;19:49 05/02/2014;21:01 05/02/2014;22:13 05/02/2014;23:25 06/02/2014;00:37 06/02/2014;01:49 06/02/2014;03:01 06/02/2014;04:13 06/02/2014;05:25 06/02/2014;06:37 06/02/2014;07:49 06/02/2014;09:01 06/02/2014;10:13 06/02/2014;11:25 06/02/2014;13:49 06/02/2014;15:01 06/02/2014;16:13 date Figure 23:comparaison des deux moyennes glissantes La puissance consommée en vitesse fixe est 19004 W La puissance consommée à vitesse variable est 13094 W Avec l’installation d’un variateur de vitesse on aura un gain énergétique de 51771,6 kWh/an. III. Variation électronique de vitesse 1. Structure d’un variateur électronique de vitesse Un entraînement à vitesse variable (EVV) est constitué d’une charge, d’un moteur électrique et d’un variateur de vitesse électronique. Un variateur de vitesse est constitué d’un convertisseur statique et de son système de commande et de régulation. Figure 24:structure générale d’un variateur électronique de vitesse Projet de fin d’étude Page 52 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 2. Fonctionnement Le variateur fournit au moteur asynchrone une onde de tension à amplitude et fréquence variables tout en maintenant le rapport tension / fréquence sensiblement constant. En modifiant la fréquence de la tension d'alimentation du moteur, le variateur permet de modifier la vitesse du champ tournant du stator et donc la vitesse de rotation du moteur. La génération de cette onde de tension est réalisée par un dispositif électronique de puissance schématisé à la figure suivante : Figure 25:schéma de principe d’un convertisseur de fréquence Le principe général du variateur de vitesse est de transformer la tension d'alimentation sinusoïdale triphasée du réseau en une tension continue, de façon à générer une nouvelle tension sinusoïdale triphasée de la fréquence désirée. Le schéma de la figure 5.2 présente les quatre grandes parties d’un variateur de vitesse. Un redresseur : la fonction du redresseur est de transformer la tension alternative triphasée du réseau en tension continue. Un circuit intermédiaire : typiquement constitué d’un condensateur, le circuit intermédiaire joue le rôle d’un stock tampon entre la sortie du redresseur et l’entrée de l’onduleur. Sa fonction est essentiellement de lisser les caractéristiques électriques à la sortie du redresseur. Un onduleur : l’onduleur est la dernière partie du variateur de vitesse située avant le moteur. Il fournit des grandeurs électriques variables au moteur. Un circuit de commande : le circuit de commande est la quatrième et dernière partie du variateur de vitesse. Ce circuit intègre quatre fonctions essentielles, commandes des semi-conducteurs du redresseur, du circuit intermédiaire et de l'onduleur. Échange de Projet de fin d’étude Page 53 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 données entre le variateur de vitesse et les périphériques, Protection pour le variateur de vitesse et le moteur et collecte et compte-rendu des messages de défaut. 3. Choix d’un variateur de vitesse Le choix du variateur de vitesse convenable dépend essentiellement de la charge à entrainer ; de sa puissance, sa vitesse et le réseau de branchement. Les spécifications techniques du moteur du compresseur à entrainer sont: Moteur asynchrone à cage. Puissance du moteur 30 KW. Tension du réseau : 400V. Vitesse nominale : 2960 tr/min. Plage de variation de vitesse : de 0 à 100%. Domaine de fonctionnement : 2 quadrants. Fréquence : 50 Hz Marche à couple constant : oui Après avoir déterminé les caractéristiques techniques qu’il faut prendre en considération, nous avons consulté plusieurs documents techniques des différentes sociétés spécialistes dans la fabrication et la commercialisation des variateurs de vitesses (Schneider, ABB, Centrelec, Siemens). Le variateur ATV61HD30N4 de Schneider nous semble répondre à notre besoin. Les caractéristiques de ce variateur sont : Tableau 9:caratéristique du variateur de vitesse Gamme de produits Altivar 61 Nom de composant ATV61 Puissance moteur (kW) 30 Tension d’alimentation (V) 400 Nombre de phase 3 Courant de ligne (A) 56 Courant transitoire maximum 79,2 A pour 60 s triphasé Fréquence de commutation nominale (kHz) 12 Protocole du port communication CANopen Modbus Limites de la tension d’alimentation 323….528 V Limites de fréquence réseau 47,5….63 Hz Projet de fin d’étude Page 54 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Fréquence d’alimentation 50….60 Hz (+/-5%) Précision de vitesse +/-10% du glissement nominal pour 0,2 Tn à Tn variation du couple sans rétroaction rapide Degré de protection IP 54 Température de fonctionnement 50...60 °C avec facteur de correction -10...50 °C sans réduction de courant 4. Etude économique L'étude de faisabilité technico-économique a pour objectif de justifier notre projet sur les plans techniques et économiques, et constitue donc un complément idéal de notre étude de marché. Dans cette étude nous nous sommes basés sur le barème de facturation proposé par l’ONEE- branche électricité, qui contient le taux de facturation de main d’œuvre et le taux d’installation. Alors le coût du variateur de vitesse choisi et son installation est estimé à 70000 Dhs. Le coût du kWh est 1.26 Dhs. Gain annuel = 1.26× (19.004-13.094) ×24×365 = 65233Dhs/an Le retour sur investissement= 13 mois IV. Conclusion L’installation d’un variateur de vitesse sur le compresseur de la centrale TAG Mohammedia 2 semble être une solution bénéfique pour la centrale avec un gain important estimé à 65233 Dhs/an avec seulement 13 mois du retour sur investissement. L’avantage de cette solution ne se limite pas au gain financière mais aussi permet : la réduction de l’énergie électrique consommée la souplesse et précision de fonctionnement (démarrage, arrêt et changement de régime en douceur, précision et stabilité de régulation) la réduction des contraintes mécaniques sur le compresseur la suppression de l’appel de courant au démarrage des moteurs par le variateur qui pilote en douceur les mises sous tension des moteurs la réduction de la consommation d’énergie réactive Projet de fin d’étude Page 55 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Chapitre VII : Analyse AMDEC des équipements de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG2 Ce chapitre est consacré à l’analyse des modes de défaillances des équipements de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG2 afin de définir les actions de maintenance qu’il faut mettre en œuvre dans le but d’augmenter la disponibilité de cette installation. Projet de fin d’étude Page 56 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 I. Introduction L’absence d’un plan de maintenance préventive pour l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2, conduit à la dégradation fonctionnelle des équipements. Par conséquent, une dégradation forcée permanente entraine une augmentation de la vitesse de dégradation et peut engendrer un arrêt de l’installation. Pour réduire cette dégradation ainsi que la probabilité de défaillance, il faut bien établir une politique de maintenance afin d’améliorer la disponibilité de l’installation et réduire les coûts de défaillance. Maintenir un équipement, c’est effectuer des opérations (contrôles, visites, interventions) qui permettent de conserver le potentiel du matériel pour assurer la production avec efficacité et qualité. La mise en œuvre d’une politique de la maintenance préventive nécessite l’application des méthodes d’analyse technique du comportement des équipements. Pour cela, dans notre analyse on appliquera la démarche AMDEC vu sa simplicité. L’AMDEC représente une bonne structuration d’une démarche préventive et une dynamique performante pour des équipes de travail. L’association française de normalisation (AFNOR) définie l’AMDEC comme étant « une méthode qui permet de réaliser une analyse qualitative et quantitative de la fiabilité et la sécurité d’un système». La méthode consiste à examiner méthodiquement les défaillances leurs causes et leurs conséquences sur le fonctionnement de l’ensemble (les effets). C’est une méthode qui se caractérise par les propriétés suivantes : Travail de groupe Outil d’aide à la conception Donne les données d’entrées des plans de surveillance et de réaction Permet de déterminer les points faibles du système et y apporter des remèdes Permet de prendre des décisions d’amélioration II. Méthodologie 1. Déroulement de la méthode AMDEC Avant de commencer l’analyse AMDEC, il faut connaitre les différentes caractéristiques du système à étudier, dans notre cas le système est déjà défini dans le chapitre du diagnostic de l’installation. Il faut également décomposer fonctionnellement le système afin d’évaluer les effets des modes de défaillances de chaque entité. Notre étude sera effectuée en 4 étapes successives comme le montre la figure suivante : Projet de fin d’étude Page 57 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Etape1: initialisation •définition du système à étudier •définition de la phase de fonctionnement •définition des objectifs à atteindre •constitution de groupe de travail •etablissement du planing Etape 2: décompostion fonctionnelle •découpage du système •identification des fonctions des sous-ensembles •identification des fonctions des éléments Etape 3: Analyse AMDEC •identification des modes de défaillance •recherche des causes •recharche des effets •estimation du temps d'intervention •calcul de la criticité •recharche des actions correctives Etape 4: synthése •hérarchisation des défaillances •liste des points critiques •liste de recommendations Figure 26:déroulement de l’étude 2. Grille de cotation Des grilles de cotation sont utilisées pour faire l’évaluation des critères de fréquence (F), gravité (G) et probabilité de non-détection (N). La valeur de la criticité (C) est obtenue par le produit des 3 critères F, N, G. a. Fréquence F est la fréquence (occurrence ou probabilité) d’apparition d’une défaillance due à une cause particulière. Tableau 10:grille de cotation de la fréquence d’apparition d’une défaillance Niveau Valeur Définition Très faible 1 défaillance rare : moins de une défaillance par année Faible 2 défaillance possible : moins de une défaillance par trimestre Moyen 3 défaillance occasionnelle : moins de une défaillance par semaine Elevé 4 défaillance fréquente : plus d’une défaillance par semaine Projet de fin d’étude Page 58 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 b. Gravité G est l'indice de gravité. Il s'évalue à partir des effets par une note estimée de 1 (mineur) à 4 (grave). Suivant les systèmes, la gravité peut s'estimer sur plusieurs critères : sécurité des personnes, des biens, défauts de qualité, perte de disponibilité, pénalisation de la production, etc. Tableau 11:grille de cotation de la gravité d’une défaillance Niveau Valeur Définition Mineure 1 arrêt de production : moins de 15 minutes aucune ou peu pièce de rechange nécessaire Moyenne 2 arrêt de production : de 15 minutes à une heure pièces en stock Majeure 3 arrêt de production : 1 heure à 2 heures pièces en stock ou livraison ultra-rapide Grave 4 arrêt de production : 2 heures et plus long délai de livraison ou back-order c. Non-détection N est l'indice de non-détectabilité. Il s'évalue à partir du mode de défaillance par une note estimée allant de 1 (la dégradation « qui prévient ») à 4 (défaillance soudaine). Tableau 12:grille de cotation de la non-détectabilité d’une défaillance Niveau Valeur Définition Evident 1 détection certaine, sirène, moyens automatiques, signes évidents Possible 2 détectable par l'opérateur, par des routes d'inspections, vibrations Improbable 3 difficilement détectable, moyens complexes (démontages, appareils) Impossible 4 indétectable, aucune signe d. Criticité Chaque mode de défaillance identifié sera caractérisé par son indice de criticité. Cet indice de criticité permet d'établir l'ordre de priorité des actions correctives à entreprendre. Tableau 13:grille de cotation de l’indice de criticité Valeurs Définition 1-10 Négligeable 10-20 Moyenne 20-40 Elevée 40-64 Très grave III. Application de l’AMDEC 1. Décomposition fonctionnelle du système Il s’agit dans cette étape d’identifier clairement les éléments à étudier, en découpant le système en blocs fonctionnelles sous forme arborescente. Il est nécessaire de bien connaitre les fonctions du système pour analyser les risques de dysfonctionnement de chaque élément. Projet de fin d’étude Page 59 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Dans un premier temps nous avons décomposé fonctionnellement le système comme la montre les deux figures ci-dessous. Electricité Air ambiant Aspiration Compression Séparation Refroidissement Air Adaptation de comprimé la pression sec Eau Chaleur Figure 27:décomposition fonctionnelle du système a. Décomposition du sous-système : compresseur Filtre Electrovanne Clapet d’aspiration Compresseur Tuyauterie Réservoirs des condensats Huile Figure 28:décomposition du compresseur Projet de fin d’étude Page 60 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 b. Décomposition du circuit de lubrification Moteur d’entrainement Crépine d’aspiration Circuit de lubrification Pompe Tuyauterie Figure 29:décomposition du circuit de lubrification c. Décomposition du moteur d’entrainement Paliers roulements stator Moteur d’entrainement Rotor Alimentation Figure 30:décomposition du moteur d'entrainement 2. Analyse des modes de défaillances, leurs effets et leurs criticités L’analyse de défaillance du système a pour finalité d’identifier les dysfonctionnements potentiels¸ à mettre en évidence les points critiques et à proposer des actions correctives pour y remédier. Cette doit être menée élément par élément, au niveau de détail choisi. Pour se faire on suit la démarche suivante : Projet de fin d’étude Page 61 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Identifier les modes de l’élément en relation avec les fonctions à assurer, dans la phase de fonctionnement retenue Rechercher les causes possibles de défaillance, pour chaque mode de défaillance identifié Rechercher les effets sur le système et sur l’utilisateur, pour chaque combinaison (cause, effet) de défaillance Evaluer le niveau atteint par les critères de fréquences, de gravité, et probabilité de son détection, pour chaque combinaison (cause, mode, effet). Calculer le niveau de criticité, pour chaque combinaison (cause, mode, effet). Ce niveau est le niveau des niveaux atteints par les critères de cotation indiqués dans l’opération précédente Rechercher des actions correctives, pour chaque combinaison (cause, mode, effet) permettant la diminution de la valeur de la criticité. a. Moteur Tableau 14:AMDEC sur le moteur Analyse des modes de défaillance de leurs effets et de leur criticité Sous-système : moteur Elément Fonction Mode de Cause de Effet de la détection Criticité Action défaillance défaillance défaillance corrective F G N C Paliers Guider et -usure -Fatigue -Echauffement Bruit et 2 3 2 12 Changement roulement supporter -cassure -vibration -Blocage de échauffement des le rotor rotor roulements Roulement très -corrosion de endommagement Bruit et 2 2 3 12 -Nettoyer et bruyant et la cage des roulements, échauffement remplacer la surchauffe -particules blocage du rotor graisse selon importante dans la graisse et arrêt du les -jeu compresseur spécifications. insuffisant Remplacer le roulement. stator Créer un -Grillage -Surcharge arrêt de visuel 1 2 4 8 bobinage de champ d’enroulement -fatigue compresseur l’enroulement tournant -Défaillance de phase -Défaillance d’isolement rotor Assurer le Défaillance de arrêt de Fatigue visuel 1 4 2 8 Changement mouvement la cage compresseur surcharge de la cage de rotation Alimentation Alimenter Courant à vide Le courant -échauffement Visuel 1 4 1 4 Mesurer la le moteur trop élevé d’alimentation -détérioration tension Projet de fin d’étude Page 62 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 en énergie est trop élevé des d’alimentation électrique enroulements et la régler à statoriques la valeur -arrêt du exacte compresseur Déclenchement -Tension Arrêt intempestif Visuel 2 3 1 6 -vérifier la de la protection d'alimentation du moteur tension thermique du insuffisante Arrêt du -vérifier son moteur -surcharge du compresseur branchement électrique moteur et la pression -réglage de la d'air protection -vérifier la thermique plage de réglage -vérifier l'isolement b. Compresseur Tableau 15:AMDEC sur le compresseur Analyse des modes de défaillances, leurs effets et leurs criticités Sous-système : compresseur Elément Fonction Mode de Cause de Effet de détectio Criticité Action défaillance défaillance défaillance n F G N C corrective Filtre Eliminer les Débit d’air trop Filtre à air Débit Visuel 2 4 2 16 Nettoyer le impuretés faible ou nul obstrué insuffisant filtre suspendues dans l’air Electrovanne Régulation de Débit d’air trop L’électrovann Débit 2 3 1 6 Vérifier la débit faible ou nul e ne insuffisant plage de fonctionne réglage pas Tuyauterie Distribution Débit d’air trop Le débit Débit et Visuel 1 3 1 3 Vérifier la de l’air faible ou nul demandé est pression consommatio supérieur à insuffisants n et fuites Pression de celle du éventuelles refoulement compresseur faible Clapet Faire entrer Pression de Clapet Systèmes 2 3 2 12 Vérifier le d’aspiration l’air refoulement d’aspiration pneumatiques clapet et la faible fermé ne fonctionnent plage de pas réglage de l’électrovann e Huile Lubrifier Pression d’huile Niveau Visuel 3 4 2 24 Rétablir le trop basse d’huile trop niveau bas ou d’huile manomètre Lubrification jusqu’au mal réglé non conforme milieu du voyant Filtre d’huile Réglé le colmaté manomètre Remplacer le filtre Projet de fin d’étude Page 63 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Réservoirs des Décharger les Les réservoirs des Colmatage du Mauvaise Visuel 2 3 2 12 Consulter le condensats condensats flexible de qualité de l’air constructeur condensats ne décharge déchargent pas Fonctionneme Nettoyer le nt défectueux capteur les condensats de la purge pendant le électronique des fonctionnement condensats Capteur colmaté c. Pompe de lubrification Tableau 16:AMDEC sur la pompe de lubrification Analyse des modes de défaillances, leurs effets et leurs criticités Sous-système : pompe de lubrification Elément Fonction Mode de Cause de Effet de Détectio Criticité Action défaillance défaillance défaillance n F G N C corrective Filtre Eliminer les Débit d’air trop Filtre à air Débit Visuel 2 3 1 6 Nettoyer le impuretés faible ou nul obstrué insuffisant filtre suspendues dans l’air Electrovanne Régulation Débit d’air trop L’électrovan Débit 2 2 1 4 Vérifier la de débit faible ou nul ne ne insuffisant plage de fonctionne réglage pas Tuyauterie Distribution Débit d’air trop Le débit Débit et Visuel 1 2 1 2 Vérifier la de l’air faible ou nul demandé est pression consommatio supérieur à insuffisants n et fuites Pression de celle du éventuelles refoulement compresseur faible Clapet Faire entrer Pression de Clapet Systèmes Visuel 2 3 1 6 Vérifier le d’aspiration l’air refoulement d’aspiration pneumatiques clapet et la faible fermé ne fonctionnent plage de pas réglage de l’électrovann e Huile Lubrifier Pression d’huile Niveau Visuel 3 3 2 18 Rétablir le trop basse d’huile trop niveau bas ou d’huile manomètre Lubrification jusqu’au mal réglé non conforme milieu du voyant Filtre d’huile Réglé le colmaté manomètre Remplacer le filtre Projet de fin d’étude Page 64 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Réservoirs des Décharger les Les réservoirs Colmatage Mauvaise 2 4 2 16 Consulter le condensats condensats du flexible de qualité de l’air constructeur des condensats décharge ne déchargent Fonctionnem Nettoyer le ent capteur pas les défectueux condensats de la purge électronique pendant le des fonctionnement condensats Capteur colmaté Cet arrêt machine est commandé par le manocontact si la pression dans le circuit primaire est insuffisante à la fin du cycle de graissage. IV. Actions de maintenance à engager L'air comprimé est une des sources d'énergie importantes d'un site industriel. Tout arrêt de la production ou de la distribution d'air comprimé entraîne l'immobilisation de tous les systèmes qui y sont raccordés. La durée de vie des systèmes dépend essentiellement du respect de la qualité de l'air employé. La production et la distribution font l'objet de plans de maintenance fournis par le constructeur ou/et élaborés à partir d'une analyse des modes de défaillance et de leur criticité. Principales actions de maintenance à engager Tableau 17:actions de maintenance systèmes systématique conditionnelle Observations Les Changement: Contrôle : Les analyses vibratoires sont compresseurs utiles suivant le type de de pièces d'usure de la pression motocompresseur. de soupapes de sécurité de la température de la teneur en eau. Les filtres Remplacement en Alarme de Les filtres peuvent être équipés fonction des colmatage en by pass en maintenance conditions conditionnelle d'utilisation. Projet de fin d’étude Page 65 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 La distribution Vidange des purges Contrôle visuel Les purges automatiques sont manuelles des purges des éléments critiques. Contrôle des purges Contrôle de la automatiques teneur en eau Tableau 18:plan de maintenance Plan de maintenance préventive Opération exécutable en fonctionnement Fréquence Opérations J H M T S Purger la cuve du réservoir x Vérifier le niveau d'huile du compresseur x Contrôler la cartouche de filtre d'air x Nettoyer la cartouche de filtre d'air x Remplacer la cartouche de filtre d'air x Changer la cartouche de filtre d'huile x Nettoyer le filtre de retour d'huile x Contrôler l'étanchéité des raccords x Vérifier l'état des canalisations x Contrôler le système de refroidissement x Contrôler la soupape de sécurité x Graisser le palier du moteur x Vérifier le clapet d'aspiration x Vérifier l'état de l'accouplement x Nettoyer le dispositif de commande x Surveiller le bruit compresseur x Vérifier le robinet de vidange x Vérifier l’état de l’accouplement x Vérifier les fuites d'air x Vidanger l'huile x Nettoyer entre les ailettes du radiateur de refroidissement d'huile x Remarque : J : opération à réaliser chaque jour avant le démarrage M : opérations à réaliser chaque mois (la première semaine) T : opérations à réaliser chaque trimestre S : opérations à réaliser chaque semestre H : opérations à réaliser chaque semaine V. Conclusion L’analyse des modes de défaillances des équipements et les documents constructeurs ont conduit à l’élaboration des actions qui semblent pertinentes afin d’assurer un bon fonctionnement de l’installation ainsi que l’augmentation de la durée de vie des composants. Projet de fin d’étude Page 66 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Conclusion générale Les causes du mauvais fonctionnement du réseau d’air comprimé sont de divers ordres. Ainsi l’étude, diagnostic et redimensionnement que nous avons effectué fait ressortir les éléments suivants : Manque d’appareillage de mesure Manque de données historiques Présence des pertes causées par les fuites Des pertes d’énergie causées par le mode de fonctionnement à vitesse fixe Manque d’un suivi préventif de l’installation Nous avons proposé, dans notre étude, plusieurs actions pour améliorer le fonctionnement du réseau d’air comprimé. La première consiste à réduire le pourcentage du taux des fuites à environ 7% réalisant ainsi un gain de 22130 Dhs/an. La deuxième solution permet de réduire la consommation d’énergie électrique, en améliorant le mode de fonctionnement du compresseur par l’installation d’un variateur de vitesse. Le gain de cette solution est estimé à 65233 Dhs/an. Pour fiabiliser le réseau d’air comprimé, nous avons réalisé l’analyse des modes de défaillances de leurs effets et leurs criticités (AMDEC) des équipements les plus critiques de l’installation, dans un premier temps, pour déterminer l’ordre de criticité de ces équipements. Dans un deuxième temps, nous les hiérarchiserons afin de dresser les actions préventives qui s’imposent. Certes, cette étude a prouvé des résultats considérables. Mais, ses résultats n’auront pas de sens que quand ces actions à la fois correctives et préventives seront mises en œuvre et dans le bref délai afin de mesurer l’impact des changements. Projet de fin d’étude Page 67 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 La puissance moyenne = 19004 W La puissance consommée à vitesse variable P vitesse fixe =K1*Q+P décharge P vitesse variable = K2*Q Avec : Q : débit P décharge : la puissance de décharge du compresseur P vitesse fixe : la puissance consommée à vitesse fixe P vitesse variable : la puissance consommée à vitesse variable La moyenne glissante se calcul en prenant à chaque fois la valeur de la dixième case, la moyenne des dix précédentes. Tableau : tarif moyen tension Options Tarifaires Durée d'utilisation annuelle moyenne TLU : Très Longue Utilisation supérieur à 5500 heures MU : Moyenne Utilisation comprise entre 2500 et 5500 heures CU : Courte Utilisation inférieure à 2500 heures Les tarifs sont exprimés en dirhams TVA comprise (TVA est de 14%) Options Prix par kWh tarifaires HP HPL HC TLU 0,7338 0,5499 0,4913 MU 1,2041 0,7053 0,4913 CU 1,6070 0,8289 0,5151 Coefficient de réduction de puissance 1 0.6 0.4 Dans notre cas, la durée moyenne d’utilisation est supérieure à 5500 heures. Donc le prix du kW est calculé comme suit : Prix du kW= 0.7338*1+0.5499*0 .6+0.4913*0 .4 =1.26 Dhs Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Bibliographie 1. ONEE branche électricité, guide de description turbine à gaz, Mohammedia. 2. Atlas Copco, Compressed air manual. 3. Technique de l’ingénieur, les compresseurs volumétriques. 4. Série de la gestion d’énergie, compresseurs et turbines, Canada. 5. Série de la gestion d’énergie, réseaux de distribution d’eau et d’air comprimé. 6. Hydrau-Québec, guide technique de réduction des fuites, Canada. 7. Saad BENNIS, hydraulique et hydrologie, 2ème édition. 8. Atlas Copco, Oil free rotary tooth compressors, manuel d’instructions. 9. Maintenance and operation of air compressor plants. 10. Guide de reference sur l’efficacité énergétique de l’air comprimé. 11. Guide d’optimisation en matière d’air comprimé. 12. Mahesh M.Rathore, Thermal Engineering. 13. Energy Efficient Compressed Air systems. 14. M.El Azehari, « circuits hydrauliques et circuits pneumatiques », ENSMR. 15. M.El Hasnaoui, « variateurs électroniques de vitesse », ENSMR. Webographie 1. www.one.org.ma 2. http://www.atlascopco.com 3. http://www.orizon.com 4. http://www2.ademe.fr 5. pdf.directindustry.fr 6. http://fr.scribd.com 7. http://www.techniques-ingenieur.fr Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Les compresseurs : sont des machines utilisées pour transporter ou comprimer des gaz à une pression quelconque. Il existe en gros deux types fondamentaux de compresseurs : Compresseurs volumétriques. Dans le type volumétrique, une quantité donnée d’air est aspirée dans une chambre de compression puis le volume que l’air occupe est diminué, ce qui entraîne une augmentation correspondante de sa pression avant qu’il soit refoulé. Les compresseurs d’air rotatifs à vis, les compresseurs à palettes et les compresseurs à pistons sont les trois types les plus répandus de compresseurs volumétriques utilisés dans les petites et moyennes industries. Compresseurs dynamiques. Les compresseurs d’air dynamiques, qui comprennent des machines centrifuges et des machines axiales, sont courants dans les très grosses installations de fabrication. Ces compresseurs sortent du cadre du présent document. Dans ce qui suit nous détaillerons les différents types des compresseurs volumétriques. A. Compresseurs rotatifs à vis Depuis les années 1980, les compresseurs rotatifs à vis connaissent une certaine popularité et ont conquis une part intéressante du marché (par rapport aux compresseurs à pistons). Ils sont les plus répandus pour des puissances comprises entre 5 et 900 HP. Le type le plus courant de compresseur rotatif est le compresseur à vis à deux rotors hélicoïdaux. Deux rotors accouplés sont engrainés ensemble, emprisonnant l’air et réduisant son volume le long des rotors. Selon les exigences de pureté de l’air, les compresseurs rotatifs à vis sont du type lubrifié ou sec (sans huile). L’avantage majeur des compresseurs à vis par rapport aux compresseurs à pistons de petite puissance refroidis par air est qu’ils peuvent tourner sans interruption à pleine charge, alors que les compresseurs à piston doivent être employés avec un facteur d’utilisation maximal de 60 %. Les compresseurs rotatifs à vis sont en outre bien plus silencieux et produisent de l’air plus froid qu’il est plus facile de sécher. Sachez toutefois que les compresseurs rotatifs à vis peuvent ne pas être le meilleur choix en matière d’efficacité comparativement aux compresseurs à pistons à régulation tout ou rien. Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Figure : Coupe d’un compresseur à vis B. Compresseurs à pistons Les compresseurs de ce type comportent un piston entraîné par un vilebrequin et un moteur électrique. Les compresseurs à piston à usage général sont disponibles sur le marché dans des puissances comprises entre moins de 1 HP et 30 HP environ. Ils sont souvent employés pour fournir de l’air à des dispositifs de régulation et d’automatisation dans les bâtiments. On trouve encore dans l’industrie des compresseurs à pistons de grande puissance, mais ils ne sont plus commercialisés aujourd’hui sauf pour des procédés spécialisés tels que les applications à haute pression. Figure : Coupe d’un compresseur à pistons C. Compresseurs à palettes Un compresseur rotatif à palettes met en jeu un rotor à rainures excentré, situé dans un cylindre. Les rainures longitudinales du rotor sont équipées chacune d’une palette. Lorsque le Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 rotor tourne, ces palettes sont plaquées vers l’extérieur par la force centrifuge et elles coulissent à l’intérieur des rainures en raison de l’excentricité du rotor par rapport au stator. Les palettes balayent le cylindre, aspirant l’air d’un côté et le rejetant de l’autre. Les compresseurs à palettes servent généralement dans des applications de petite puissance lorsqu’existent des problèmes d’encombrement; ils ne sont toutefois pas aussi efficaces que les compresseurs rotatifs à vis. Figure : Coupe d’un compresseur à palettes D. Compresseur à anneau liquide Le compresseur à anneau liquide entre dans la catégorie des compresseurs volumétriques rotatifs. Les pales radiales fixes de l'arbre monté excentriquement dans le carter soumettent le liquide obstruant à une rotation. Un anneau liquide se forme et isole les chambres situées entre les pales du carter. Le contenu de la chambre se modifie lorsque l'arbre est en rotation, l'air étant ainsi aspiré, comprimé et transporté. Le liquide utilisé est généralement de l'eau. Caractéristiques : air sans huile (grâce au liquide utilisé) peu sensible aux impuretés et aux agressions chimiques un séparateur de liquide est nécessaire, car le liquide auxiliaire est pompé en continu dans la chambre de pression rendement moindre Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Figure : compresseur à anneau liquide E. Compresseur à membranes Ce type de compresseur à membranes métalliques commandé hydrauliquement est constitué principalement par une partie mécanique et une tête de compression. La partie mécanique, dont la pièce principale est un bâti en fonte, renferme un système mécanique classique bielle- manivelle qui transforme le mouvement de rotation de l’organe moteur en un mouvement alternatif du piston de la tête de compression. La lubrification des paliers de même que la compensation des fuites d’huile autour du piston sont assurées par un ensemble de lubrification intégré. Dans l’industrie chimique notamment, les compresseurs à membranes sont employés pour la compression de gaz dangereux, corrosifs ou précieux dont il faut éviter la déperdition. Certaines variantes de construction emploient une transmission hydraulique utilisant de l’eau, au lieu de l’huile, pour la compression de l’oxygène ou du protoxyde d’azote, afin d’éviter un contact accidentel entre le gaz et l’huile dans l’éventualité de la rupture des membranes. Dans Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 le domaine de l’air comprimé, ils trouvent un emploi quand on désire de l’air rigoureusement exempt d’huile sous moyenne et haute pression. F. Compresseur à spirale Compresseur à spirale est un type de compresseur à déplacement rotatif exempt d’huile, c'est à dire qu'elle comprime une quantité spécifique de l'air dans un volume toujours décroissante. L'élément de compression est constitué d'une spirale fixe dans un boîtier et un moteur. Les spirales sont montées à un déphasage de 180 ° pour former des poches d'air avec un volume variable. Cela conduit les éléments à une stabilité radiale. Les fuites sont réduites au minimum lorsque la différence de pression dans les poches d'air est inférieure à la différence de pression entre l'entrée et la sortie. La spirale mobile est entraînée par un vilebrequin à course courte et s'étend de manière excentrique autour du centre de la spirale fixe. La prise se situe dans la partie supérieure du boîtier de l'élément. Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Figure : vue arrière du sécheur Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Figure : vue arrière du sécheur Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Tableau : désignation des composantes du sécheur Référence Désignation 1 Tour d’adsorption A 2 Tour d’adsorption B 3 Vanne d’entrée 4 Vanne de régénération, tour A 5 Vanne de régénération, tour B 6 Vanne de sortie, tour A 7 Vanne de sortie, tour B 8 Clapet anti-retour, air de régénération/refroidissement, tour A 9 Clapet anti-retour, air de régénération/refroidissement, tour B 10 Ventilateur 12 Vanne d’air de refroidissement 14 Clapet anti-retour, ventilateur 15 Silencieux, valve de décompression, tour A DD Filtre d’application générale DDp Filtre anti-poussière E1 Régulateur Elektronikon PD Filtre hautement efficace PDP Capteur de point de rosée R1/R2 Elément du réchauffeur S3 Bouton d’arrêt d’urgence Y1 Electrovalve, tour A Y2 Electrovalve, tour B Y3 Electrovalve, vanne d’échappement A Y4 Electrovalve, vanne d’échappement B Y5 Electrovalve, air de refroidissement Y6 Vanne de sortie, tour A Y7 Vanne de sortie, tour B Description Les sécheurs d'air de la gamme BD prélèvent l'humidité de l'air comprimé par adsorption. Le sécheur d'air possède deux tours de séchage qui contiennent le dessiccant. Pendant que la Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 première tour adsorbe l'humidité, la deuxième tour régénère. Toutes les 4 heures, la fonction des tours est renversée. Lorsqu'un indicateur de point de rosée supplémentaire est installé, le temps de renversement des tours peut être plus long de manière à économiser de l'énergie. Le dessiccant contient des gouttes de gel de silice et/ou un tamis moléculaire selon le point de rosée requis. Elles produisent des points de rosée de -20 ˚C à -70 ˚C. Lorsque le dessiccant est saturé, il peut être régénéré à des températures comprises entre 130 ˚C et 300 ˚C. La forme égale et ronde des gouttes et leur surface vitreuse et brillante assurent un écoulement réparti également, des chutes de pression basses, une friction basse et une émission de poussière basse. Si le sécheur est maintenu correctement et dans les conditions de fonctionnement normales, les gouttes de séchage peuvent adsorber l'humidité et régénérer à maintes reprises pendant 5 années de fonctionnement continu. Un thermostat contrôle la température de régénération. Des fonctions d'alarme sont intégrées pour une haute température de régénération, une basse pression de service, un manque de renversement, etc. Une soupape à minimum de pression est installée en aval du sécheur afin d'éviter des vitesses d'écoulement de l'air élevées. Circuit d'air Schéma d'écoulement Figure : schéma d’écoulement d’air dans le sécheur Description L'air comprimé humide entre dans le système via la vanne d'entrée (3) et est conduit vers le fond d'une des tours (A ou B). Après avoir passé à travers le dessiccant, qui adsorbe l'humidité, l'air comprimé Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 sec quitte le sécheur d'air via la vanne de sortie (6 ou 7). L'humidité dans la tour de séchage est éliminée pendant la régénération. Circuit de régénération Schéma d'écoulement Figure : schéma de régénération Description Les gouttes de dessiccant humides sont séchées pendant la régénération. La tour est décomprimée via la valve de décompression (Y6 ou Y7). Un flux d'air produit par un ventilateur est pulsé vers le bas via le clapet antiretour (8 ou 9) au travers de la couche de dessiccant, après avoir été réchauffé par les réchauffeurs électriques, et fait sortir l'humidité via la vanne de sortie de régénération (4 ou 5). En série, tous les sécheurs de la gamme BD sont équipés d'un détecteur (TT3) qui surveille la température de sortie de régénération. Lorsque cette température atteint la valeur préétablie, cela signifie que la régénération de la cuve est suffisante. Les réchauffeurs sont alors mis hors tension et ce quel que soit le temps de cycle. Lorsque la charge est faible, cette fonction permet une économie d'énergie significative. Refroidissement et égalisation de la pression Schéma d'écoulement Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Figure : schéma d’écoulement Description Après environ 3 heures de régénération, les éléments réchauffeurs sont automatiquement arrêtés. Le flux d'air produit par le ventilateur assure un temps de refroidissement supplémentaire de huit minutes de la tour et des éléments réchauffeurs. La vanne d'air de refroidissement (12) s'ouvre et la tour est refroidie par l'air comprimé sec pendant environ 45 minutes. Une fois la phase de refroidissement terminée, la vanne de régénération (4 ou 5) se ferme et la pression dans les tours s'égalise. La tour est à nouveau prête à adsorber l'humidité. Renversement des tours Description Après l'égalisation de la pression, le sécheur peut renverser les tours sans provoquer une chute de pression dans le réseau d'air. L'air comprimé qui entre dans le système s'écoule vers l'autre tour. Immédiatement après le changement de position de la vanne d'entrée, la valve de décompression (Y6 ou Y7) de la tour à régénérer s'ouvre. Dans un cycle de fonctionnement standard du sécheur, le renversement se produit toutes les 4 heures. Etant donné que le sécheur est pourvu d'un indicateur de point de rosée supplémentaire, l'intervalle de renversement peut être prolongé jusqu'à 24 heures. En fonction des conditions de charge, cette installation permet une économie d'énergie significative. Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 L’entrée de l’air Air chaud non saturé Air refroidi saturé Air chaud saturé Isolation Huile Air comprimé sec Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 Quand un gaz quelconque passe à travers un orifice, il génère un débit turbulent avec des éléments haute fréquence pouvant être détectés. En balayant la zone de test avec un détecteur d’ultrasons, on peut « entendre » des sons tumultueux correspondants à ces éléments (sons associés à un affichage analogique). Plus l’instrument est proche de la fuite, plus fort sera le signal. Dans le cas de présence de bruits ambiants gênants, soit l’on rétrécit le champ de réception par une sonde de focalisation, soit on utilise la modulation de fréquence. 1. Les fuites émettent des ultrasons Il est donc indispensable de comprendre ce que sont les ultrasons et leur rapport avec les fuites pour bien assimiler la méthode de leur détection. Les sons et les ultrasons sont de vibrations mécaniques de la matière. L’ultrason est une vibration de même nature que le son, mais de fréquence supérieure à 20 kHz, inaudible à l’oreille humaine dont la limite d’écoute se situe entre 15 Hz et 20 kHz. Par rapport à l’émission diffuse des sons, les ultrasons se propagent de manière concentrée et dans une même direction. Ils sont comparables à un faisceau lumineux dont l’intensité décroît en fonction de la distance. Les ultrasons sont générés naturellement par des phénomènes de turbulences de fluides à l’origine des problèmes pneumatiques ou hydrauliques (fuites) ou par des phénomènes de frictions à l’origine des problèmes mécaniques. Les problèmes électriques comme les arcs, les effets corona, etc. génèrent également des ultrasons. En cas de fuite sur circuit d’air comprimé, les frottements de l’air qui s’échappe génèrent des ultrasons sur les parois de la perforation. Les ultrasons peuvent aussi être produits artificiellement par l’intermédiaire d’un émetteur, par exemple dans le cadre de tests d’étanchéité. Etude et amélioration de l’installation d’air comprimé de la centrale TAG Mohammedia 2 L’acuité auditive de l’oreille humaine étant limitée, le recours à un instrument de détection est donc indispensable pour l’écoute des ultrasons, pour la détection de leur origine et par conséquence pour la localisation précise de la fuite. 2. Le principe de fonctionnement d’un détecteur d’ultrasons. L’appareil détecte les signaux ultrasonores, les convertis en fréquences audibles et les amplifie. Le but est de transposer le signal reçu, en un signal audible interprétable. Cette solution étend la capacité d’écoute des humains au-dessus de la gamme audible dans la bande ultrasonore. La fonction principale du détecteur est de convertir les signaux haute fréquence en signaux audibles. Il est à noter que la bande de fréquence centrale du détecteur peut être réglée sur une fréquence spécifique entre 15.1 et 190.7 kHz ; la fréquence standard étant de 38.4 kHz.