Solutions d'alimentation de chaudière directe

Analyse technique

Les ingénieurs Grundfos ont développé un système d'alimentation de chaudière unique qui ne requiert aucune vanne d'alimentation, ce qui se traduit par des économies substantielles pour les clients sur l'installation et pendant le fonctionnement.

Avantages et inconvénients des systèmes commandés par vanne d'alimentation
Dans les systèmes d'alimentation de chaudière par vanne d'alimentation (voir Figure 1), le niveau d'eau est contrôlé par la vanne qui est elle-même commandée par un capteur de niveau positionné sur la chaudière. La vanne d'alimentation commande la prise d'eau, qui est réglée en fonction de la consommation de vapeur. Ceci nécessite toutefois que la pompe d'alimentation soit réglée sur "fonctionnement continu."

FIGURE 1: Alimentation de chaudière par vanne d'alimentation

"Il est incontestable que ce système fonctionne parfaitement et présente l'avantage d'être utilisable avec des chaudières à vapeur de toutes tailles, déclare Søren Mortensen, responsable d'application pour Grundfos Industrial Solutions. La quantité d'eau qui s'écoule dans la chaudière étant proportionnelle à la consommation de vapeur, le risque de surébullition est minime, et la qualité de la vapeur demeure élevée grâce à un niveau constant dans la chaudière. Un système d'alimentation de chaudière par vanne d'alimentation avec pompes à vitesse variable offre les mêmes avantages, et permet des économies énergétiques sur le fonctionnement des pompes."


Nous avons d'abord réfléchi au système et à la manière d'éliminer les vannes d'alimentation en utilisant des capteurs au sein de ce système pour contrôler les pompes ».

Søren Mortensen, responsable d'application, Grundfos

Cependant, Søren Mortensen identifie trois inconvénients majeurs de ces systèmes d'alimentation de chaudière commandés par vanne :

• La vanne d'alimentation est coûteuse à l'achat et à l'entretien.
• La perte de pression dans la vanne d'alimentation signifie qu'une plus importante pompe d'alimentation est requise qu'avec une méthode plus efficace.
• L'intégration du by-pass nécessaire est synonyme de débit excessif et de frais plus importants pour pomper cette eau supplémentaire.

"Dans des installations plus avancées et coûteuses, on ajoute une vanne sur le by-pass afin de pouvoir le fermer lorsqu'il n'est pas nécessaire, ajoute Søren Mortensen. Ceci représente un surcoût."

FIGURE 2 : alimentation de chaudière avec pompes à vitesse variable sans vanne d'alimentation

L'approche directe
Pour résoudre ces problèmes, Grundfos a adopté une approche intelligente orientée système dans le cadre de son programme iSOLUTIONS.

"Nous avons élaboré le concept d'alimentation directe en considérant la chaudière uniquement comme un réservoir ouvert avec une énorme pression que nous devions maintenir à un certain niveau, explique Søren Mortensen. Nous avons d'abord réfléchi au système et à la manière dont éliminer les vannes d'alimentation en utilisant des capteurs au sein de ce système pour contrôler les pompes."

Cette réflexion a donné naissance à un système simplifié (voir Figure 2) dans lequel le niveau d'eau de la chaudière est directement contrôlé par une pompe à vitesse variable, sans recours à une vanne d'alimentation. Un capteur de niveau positionné sur la chaudière est utilisé pour commander la prise d'eau en fonction de la consommation de vapeur ; un niveau d'eau constant est ainsi maintenu.

"Comme avec les systèmes d'alimentation commandés par vanne, la configuration sans vanne fonctionne efficacement avec tous les types et tailles de chaudière afin de réduire le risque de surébullition, indique Søren Mortensen. Cependant, bien que les systèmes commandés par vanne subissent des pertes de pression dans la vanne d'alimentation, ce problème est résolu par l'approche directe."

Des économies réalisées grâce à l'absence de vanne
Le plus important pour les clients est l'ampleur des gains de performance énergétique et des économies liés à la solution sans vanne, comme illustré par les données d'essai ci-dessous (voir Figure 3) :

"Comme nous pouvons le voir, déclare Søren Mortensen, la perte de pression dans le robinet d'alimentation signifie qu'une alimentation de chaudière avec ce composant nécessite bien plus d'électricité pour être au même niveau, ici 59 450 kWh contre 32 095 kWh, soit 85 % supplémentaires."

Source : Grundfos

FIGURE 3 : les dépenses énergétiques annuelles du système d'alimentation de chaudière directe Grundfos sont considérablement inférieures à celles des systèmes d'alimentation de chaudière avec vanne de régulation. Le principe de base est l'alimentation d'une chaudière à vapeur à une pression de 10 bar et à 12 tonnes/heure. Dans les deux cas, l'électricité est consommée par une pompe CR Grundfos : modèle CRE15-8 pour l'alimentation de chaudière directe et modèle CR15-14 avec vanne de régulation.

Par conséquent, les dépenses énergétiques annuelles avec l'alimentation de chaudière directe Grundfos sont inférieures de 46 % à celles d'un système commandé par vanne. Les coûts de maintenance des vannes font augmenter le coût d'une alimentation de chaudière avec vanne de 1 000 €, ce qui porte les dépenses annuelles totales à 3 927,50 €, soit plus du double des coûts opérationnels annuels de l'alimentation de chaudière directe.

En effet, les économies réalisées en une année seulement avec l'alimentation de chaudière directe Grundfos couvrent le coût d'achat onéreux de la vanne d'alimentation (de 1 500 à 2000 €) avec actionneur électrique dans le cas de la chaudière commandée par vanne utilisée dans cet exemple, comme le souligne Søren Mortensen.


La dimension d'une pompe dépend de la pression, du débit et des facteurs de sécurité obligatoires, mais avec l'alimentation directe, la pompe sera toujours plus petite que pour une alimentation de chaudière avec vanne d'alimentation.

Søren Mortensen, responsable d'application, Grundfos

Des coûts d'installation réduits
Un système d'alimentation de chaudière sans vanne d'alimentation ni by-pass est synonyme de coûts d'installation réduits.

"Avec une alimentation directe, la pompe est également plus petite qu'avec une vanne d'alimentation car il n'y a aucune perte de pression par la vanne, ajoute Søren Mortensen. La dimension d'une pompe dépend de la pression, du débit et des facteurs de sécurité obligatoires, mais celle-ci sera toujours plus petite avec l'alimentation directe et donc moins onéreuse."

"Les coûts d'installation varient selon les pays, mais plus la pression est élevée, plus la vanne d'alimentation requise est onéreuse. Ainsi, lorsqu'une pression plus élevée est requise, les économies réalisées sont encore plus importantes avec l'alimentation directe."

PHOTO : pour les chaudières sans vanne ni by-pass, un système simplifié réduit les coûts d'installation et de maintenance, d'après Søren Mortensen, responsable d'application Grundfos.

Cependant, l'alimentation directe n'est pas applicable lorsque plusieurs chaudières partagent une même conduite d'alimentation.

"La pompe peut uniquement réagir à un seul signal de capteur, explique Søren Mortensen. Cette situation tend à se produire dans les usines anciennes, par exemple les brasseries, les abattoirs, les laiteries, etc. qui produisaient une petite quantité de vapeur lors de leur création, mais qui ont ajouté une chaudière, puis une autre, connectées à une même conduite d'alimentation à mesure qu'elles se développaient. Dans ce cas, nous pouvons fournir une solution avec vanne d'alimentation. Toutefois, nous proposons, dans la mesure du possible, le système d'alimentation directe qui est beaucoup plus performant et dont l'exploitation est moins coûteuse."

Résumé
Pour les chaudières qui disposent de leurs propres conduites d'alimentation, les avantages de l'alimentation de chaudière directe Grundfos sont considérables. Sans vanne ni by-pass, un système simplifié réduit les coûts d'installation et de maintenance.

En éliminant le problème de perte de pression par la vanne d'alimentation, il est possible d'utiliser des pompes plus petites et moins onéreuses, ce qui réduit de près de moitié la quantité d'énergie requise pour alimenter les pompes. Ces gains de performance énergétique entraînent une baisse considérable des coûts opérationnels annuels.

À propos de Grundfos iSOLUTIONS
Grundfos iSOLUTIONS constitue une approche systémique. Grundfos iSOLUTIONS combine l'ensemble des offres Grundfos, notamment les pompes intégrées et standard avec des commandes, des capteurs et des entraînements à fréquence variable, pour créer la solution intelligente répondant aux exigences de votre système. Cela permet de réduire le coût total de propriété de votre système de pompage, tout en plaçant la barre plus haut en matière de rendement énergétique.
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