Volume 22, number 1, mars 2008

Quatre moyens d’optimiser la performance énergétique des chaudières commerciales et industrielles

Le contexte environnemental et économique québécois nous pousse constamment à revoir nos façons de faire afin de rester compétitif face à nos concurrents et à nos valeurs. La réduction des coûts reliés à l’exploitation d’une chaufferie est devenue une bonne façon de réduire les coûts d’opérations d’une entreprise. Voici quatre moyens simples d’y parvenir.

1. Utiliser des brûleurs à hautes performances avec une grande plage de modulation (modulation, mélange air-gaz)

Le brûleur est une composante fondamentale dans l’atteinte d’une bonne efficacité de la chaudière. La plage de modulation ainsi que le ratio requis entre la quantité d’air de combustion et de gaz naturel doivent être analysés lors de la sélection d’un brûleur. Un brûleur de bonne qualité pourra, à l’aide du ventilateur, mélanger l’air de combustion et le gaz naturel de façon à obtenir une combustion complète et propre avec une quantité minimale d’excès d’air (10% à 15%), et ce, tout au long de sa plage de modulation. Certains brûleurs peuvent réduire leur puissance jusqu’à 10% de leur puissance maximale (10:1 de taux de modulation) sans générer de perte due à un pauvre ratio de mélange air-gaz ou à une mauvaise combustion.

La figure suivante montre bien l’impact d’un grand ratio de modulation sur la consommation de gaz naturel.

2. Améliorer l’efficacité de combustion de vos brûleurs (micromodulation, sonde O2, VFD)

Il est possible d’ajouter des systèmes auxiliaires très intéressants sur un brûleur afin de le rendre encore plus performant.

Le remplacement des vieux mécanismes à levier, à bielle et à manivelle, qui sont souvent imprécis et désajustés par des servomoteurs tous indépendants, permet d’optimiser le mélange air-gaz naturel pour plusieurs points de la plage de puissance du brûleur. De cette façon, l’excès d’air est minimisé, répétable et stable à toutes les puissances.

Effet de la variation de la densité de l’air sur l’excès d’air

Température de l’air de combustion (°C) Pourcentage d’excès d’air (%)
4,5 25,5
10 20,2
26,7 15
37,8 9,6
48,9 1,1

Une fois que la micromodulation est installée sur le brûleur, la proportion optimale du mélange est maintenue seulement lorsque la température de la chaufferie est identique à la température qu’il faisait lors de la mise en marche du système de micromodulation. Ceci est dû au fait que le ventilateur d’air de combustion fournit un volume d’air constant. La masse d’air fournie au brûleur varie donc en fonction de la température et de la pression. Le tableau ci-haut montre l’effet de cette variation de densité sur l’excès d’air de combustion.

Pour contrer ceci, il est possible d’installer un système de correction automatique du mélange air-gaz naturel. L’ajout d’une sonde détectant le niveau d’excès d’air dans les produits de combustion permet d’informer le contrôleur de combustion et de varier la position du servomoteur modulant l’air de combustion minimisant l’excès en tout temps. Aucun ajout d’air supplémentaire n’est requis pour couvrir le système contre le manque d’air lorsque l’air de combustion est à très haute température. Afin de générer des économies électriques reliées au ventilateur d’air de combustion, il est possible d’installer un variateur de fréquence qui contrôle la vitesse du moteur du ventilateur, plutôt que d’utiliser un volet de restriction sur l’entrée d’air. Le potentiel d’économie relié à cette mesure est d’environ 2% et peut varier grandement en fonction de la chaudière.

3. Utiliser des économiseurs, lorsque possible (contact direct ou indirect)

Les chaudières à vapeur traditionnelles ne peuvent normalement pas fonctionner à très haute efficacité, car les produits de combustion sortant de la chaudière ne peuvent techniquement pas être plus froids que la température de la vapeur qu’ils produisent. Typiquement, la température des produits de combustion à la sortie de la chaudière est d’environ 55 °C plus chaud que la température de saturation de la vapeur produite. Par contre, l’eau d’alimentation de la chaudière provenant du réservoir de condensat est à environ 82 °C. L’ajout d’un récupérateur de chaleur indirecte, appelé « économiseur », à la sortie de la chaudière permet de transférer une certaine quantité de cette énergie disponible à l’eau d’alimentation et ainsi de réduire la consommation de gaz naturel. Il est aussi possible de récupérer cette énergie résiduelle avec un récupérateur à contact direct et de la transférer à un autre système énergétique qui fonctionne à basse température. Cette application est intéressante, car il devient possible de pousser l’efficacité globale du système à 100 %. Le potentiel d’économie relié à l’utilisation d’un économiseur à contact direct peut atteindre 20 %. L’économie potentielle, qu’un économiseur de type indirect peut atteindre, est de 5 % et peut varier grandement en fonction de la chaudière.

Taux de purge (%) vs l’eau d’approvisionnement Énergie récupérée, millions de Btu/h (MMBtu/h)
Pression d’opération de la chaudière (psig)
50 100 150 250 300
2 0,45 0,5 0,55 0,65 0,65
4 0,9 1 1,1 1,3 1,3
6 1,3 1,5 1,7 1,9 2
8 1,7 2 2,2 2,6 2,7
10 2,2 2,5 2,8 3,2 3,3
20 4,4 5 5,6 6,4 6,6

Source : U.S Department of Energy. Improving steam system performance

4. Récupérer l’énergie contenue dans l’eau de purge de chaudière à vapeur

L’eau de purge, bien qu’elle ait idéalement été minimisée, contient une quantité non négligeable d’énergie récupérable. Le tableau ci-contre présente le potentiel de récupération en fonction de la pression d’opération de la chaudière et du taux de débit de purge pour une chaudière produisant 100000 lb/h de vapeur.

Cette énergie peut être récupérée à l’aide d’un simple échangeur de chaleur pour préchauffer l’eau d’appoint ou avec un réservoir d’évaporation permettant de produire de la vapeur à plus basse pression pouvant servir à alimenter d’autres systèmes du bâtiment, comme le dégazeur ou des serpentins de chauffage à vapeur.

Voilà donc quatre approches simples qui permettent de réduire votre facture énergétique tout en respectant l’environnement.

Martin Blanchet, ing., CEM
Conseiller technique
Groupe DATECH