Volume 28, number 1, juin 2014

L’évaluation de l’efficacité d’une chaufferie vapeur : une étape cruciale pour l’évaluation de mesures d’économie d’énergie rentable

Une grande majorité du gaz naturel distribué au Québec est utilisée pour produire de la vapeur. Il est vrai qu’il s’agit là d’un excellent moyen pour distribuer et déplacer de l’énergie à peu de frais. Malheureusement, les systèmes à la vapeur ont mauvaise presse; on dit souvent qu’ils ne sont pas efficaces. Mais qu’entend-on au juste par efficacité lorsqu’il s’agit de production de vapeur? Comment évaluer cette efficacité et quelles sont les principales mesures qui permettraient de l’améliorer?

Gaz Métro a demandé au Centre des technologies du gaz naturel (CTGN) de produire un document présentant les équipements d’une chaufferie vapeur, le calcul de l’efficacité, les différents postes de pertes d’énergie et les mesures d’amélioration.

Le présent article propose un résumé des résultats de l’étude.

L’énergie contenue dans l’eau versus la vapeur

L’énergie thermique fournie par la chaudière à gaz naturel permet de chauffer l’eau jusqu’à son évaporation. Il y a beaucoup plus d’énergie dans de la vapeur saturée que dans de l’eau à la même température. Par exemple, à pression atmosphérique, l’énergie requise pour chauffer l’eau de 0 à 100 ºC ne représente que 20 % de l’énergie requise pour la vaporiser. Il est possible aussi de produire de la vapeur surchauffée, celle-ci atteignant une température plus élevée que celle du changement de phase. Cette vapeur est très utile lorsqu’il faut limiter la condensation par refroidissement dans les conduites et protéger des équipements comme des turbines.

Les composantes d’une chaufferie vapeur

Il existe plusieurs types de chaudière : tubes à fumée, tubes à eau, à serpentins ou verticales sans tube. Le choix du type de chaudière constituant une chaufferie dépend des besoins et aussi des conditions d’opération : l’espace disponible, la pression de vapeur requise, le rythme des changements de charge, le mode de démarrage, etc.

La figure 1 illustre les principaux équipements constituant une chaufferie vapeur : la chaudière vapeur et le brûleur, le désaérateur, l’adoucisseur, et les produits chimiques.

Figure 1 : Les composantes d’une chaufferie vapeur.

Afin de limiter les problèmes d’entartage, de formation de boue ou d’écume et de corrosion à cause de l’oxygène dissous, l’eau qui alimente la chaudière doit être traitée. L’adoucissement consiste en la réduction de la présence de minéraux tels que le calcium ou le magnésium. La précipitation des minéraux avec des composés chimiques, l’utilisation d’échangeurs d’ions ou l’osmose inverse sont quelques méthodes couramment utilisées pour adoucir l’eau. La désaération permet de réduire le taux d’oxygène dissous dans l’eau. Les gaz dissous sont nocifs, car ils peuvent causer de la corrosion au niveau des surfaces internes de la chaudière.

Évaluer l’efficacité d’une chaufferie vapeur

Dans une chaufferie vapeur, des pertes d’énergie surviennent à différents endroits : les produits de combustion, le rayonnement de la surface extérieure de la chaudière, les équipements auxiliaires qui nécessitent de la vapeur, etc. Il existe trois méthodes pour évaluer la performance énergétique d’une chaufferie.

  1. La méthode directe est basée sur les données de production de vapeur et de consommation de combustible.

  2. La méthode indirecte tient compte de la température des fumées et du taux d’oxygène dans les fumées (test de combustion).

  3. La réalisation d’un bilan d’énergie détaillé permet d’identifier les différents postes de pertes d’énergie.

Dans le cadre du projet du Guide de bonnes pratiques – Amélioration de l’efficacité énergétique des chaufferies vapeur réalisé en collaboration avec le CTGN, la dernière méthode a été privilégiée.

Ainsi, pour chaque chaudière d’une chaufferie, les postes énergétiques suivants ont été considérés :

  • La chaudière, incluant le brûleur pour la combustion du gaz naturel.

  • Un dégazeur pour chaque chaudière. Généralement, il n’y a qu’un seul dégazeur pour l’ensemble des chaudières d’un site, mais cette méthode de calcul plus simple n’a que très peu d’impact sur les résultats du bilan énergétique.

  • Les systèmes de traitement et de purge des contaminants.

Les caractéristiques de la chaudière, tant celles spécifiées par le manufacturier que celles des conditions d’opération, sont essentielles au calcul des pertes d’énergie. Le tableau 1 indique les caractéristiques inhérentes à la chaufferie et les postes de pertes énergétiques.

Tableau 1 : Les caractéristiques de la chaufferie et les postes de pertes

Caractéristiques

Postes de pertes énergétiques

Puissance du brûleur et production de vapeur – plaque signalétique

Radiation et convection

Température des produits de combustion, de l’air de combustion et du gaz naturel

Fumées – pertes sèches et humides

Pourcentage d’excès d’air

Fumées – pertes sèches et humides

Pourcentage de purge

Purges

Température de l’eau d’alimentation – avant traitement – mélange du condensat et de l’eau d’appoint

Évent du dégazeur – Calcul du débit d’eau

Qualité et pression de vapeur produite

Évent du dégazeur

Finalement, la composition du gaz naturel ainsi que son pouvoir calorifique représentent des données très importantes dans l’évaluation des pertes au niveau des fumées. Ainsi, dans le cadre du projet, le gaz naturel est constitué de 96 % de méthane, 2 % d’éthane, 1 % de dioxyde de carbone et 1 % d’azote. Le pouvoir calorifique supérieur a ainsi été établi à 37,4 MJ/m³.

À partir de ces données, il est possible de calculer l’efficacité de chauffe, c’est-à-dire la quantité d’énergie utilisable pour produire de la vapeur. Celle-ci se définit comme suit :

% Q chauffe = 100 % – % QS – % QH – % QRadConv où :

  • % QS = Pertes sèches aux fumées, celles-ci proviennent du chauffage de l’air de combustion à la température des fumées.

  • % QH = Pertes humides aux fumées, c’est-à-dire l’énergie contenue dans la vapeur d’eau qui s’échappe dans les fumées.

  • % QRadConv = Pertes par radiation et convection.

De plus, l’efficacité de production de vapeur correspond au rapport entre l’énergie contenue dans la vapeur disponible aux utilisateurs et l’énergie du combustible qui alimente la chaudière. Pour y arriver, la vapeur perdue par l’évent du dégazeur doit aussi être évaluée. Il est beaucoup plus facile d’identifier des mesures d’économie d’énergie lorsque les pertes sont bien calculées. Ainsi, règle générale, les pertes les plus importantes se retrouvent dans les produits de combustion.

Trois mesures d’économie d’énergie qui valent le coût

Plusieurs mesures d’économies d’énergie peuvent être implantées dans une chaufferie vapeur et chacune d’elles pourrait sûrement faire l’objet d’un Informatech! Pour commencer la réflexion, voici trois mesures couramment implantées.

La première mesure est l’installation d’un économiseur qui récupère la chaleur perdue par les produits de combustion pour préchauffer l’eau d’appoint ou d’alimentation de la chaudière. Différents modèles sont disponibles sur le marché selon les besoins et les conditions d’opération de la chaufferie. Le potentiel d’économie d’énergie de cette mesure peut facilement varier de 5 à 13 % de la puissance nominale de la chaudière.

La deuxième mesure est le contrôle des purges afin de réduire les pertes. Plutôt que d’être dirigée au drain, l’eau purgée pourrait être recueillie par un système de récupération d’énergie (échangeur du type tubes et calandre ou à plaques) pour préchauffer l’eau d’appoint de la chaudière. Dépendamment du taux de purge et de la pression de vapeur produite, des économies variant de 0,5 à plus de 6 % par rapport à la quantité d’énergie alimentée à la chaudière peuvent être réalisées.

La troisième mesure et non la moindre est de mieux contrôler l’excès d’air afin d’obtenir une meilleure efficacité de combustion. En fait, plus l’excès d’air est grand, plus le débit de fumées est grand, et plus l’énergie produite par la combustion est diluée. Afin d’améliorer la combustion, il est fortement recommandé d’ajuster l’excès d’air en fonction du régime d’opération de la chaudière. Les économies devraient se situer entre 3 et 5 %.

Conclusion

À la suite de la production du rapport détaillé sur l’évaluation de l’efficacité énergétique d’une chaufferie vapeur, le Centre des technologies du gaz naturel (CTGN) a élaboré un calculateur très simple d’utilisation. Il permet d’obtenir, pour des conditions d’opération données, l’efficacité de chauffe et de production de vapeur d’une chaufferie constituée d’une à quatre chaudières vapeur. À partir des résultats obtenus sur les pertes, il sera aussi possible d’évaluer le potentiel d’économie d’énergie de différentes mesures : économiseur sur les produits de combustion, réduction et récupération de chaleur sur les purges, micromodulation et récupération de chaleur sur l’évent du dégazeur.

Surveillez nos annonces, cet outil sera bientôt disponible sur le site Internet de Gaz Métro.

Marie-Joëlle Lainé, ing.
Groupe DATECH