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Jan 04, 2024

Utilisation de débitmètres pour améliorer l'efficacité de la chaudière

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Dans de nombreuses usines chimiques, l'électricité utilisée par l'usine provient d'une centrale électrique au gaz naturel ou d'une centrale de cogénération brûlant des flux de gaz résiduaires. Dans les grandes chaudières (figure 1), les centrales électriques rassemblent de l'air et du combustible (gaz naturel, gaz résiduaires, pétrole ou charbon) pour la combustion, ce qui crée de la chaleur. La chaleur fait bouillir l'eau, créant de la vapeur. La vapeur traverse une turbine, qui fait tourner la turbine, générant ainsi de l'électricité.

La mesure de l'énergie de flux (flux de combustible qui coûte de l'argent) dans ces applications de chaudière est essentielle pour améliorer l'efficacité énergétique, identifier les déchets et minimiser les gaz à effet de serre (GES) rejetés dans l'atmosphère. Seule une mesure précise du débit permet aux utilisateurs de prendre des décisions éclairées pour améliorer l'efficacité énergétique.

Comment les utilisateurs décident-ils quelle technologie de débitmètre est la meilleure pour mesurer le gaz, l'eau et la vapeur pour les applications de chaudière ? Le choix des bons débitmètres dépend du fluide mesuré. Lors de l'examen des améliorations de l'efficacité des chaudières, trois applications principales sont impliquées :

La production d'électricité nécessite de l'air d'admission et du carburant pour la combustion. Les ingénieurs doivent mesurer avec précision le rapport air/gaz pour une combustion efficace dans les chaudières. Trop de gaz est un gaspillage, dangereux et coûteux ; trop peu crée une flamme insuffisante pour faire bouillir l'eau efficacement.

Compteurs à orifice et à turbine. Traditionnellement, la surveillance du gaz combustible vers les chaudières s'effectue à l'aide d'un débitmètre à orifice ou à turbine. Cependant, ce ne sont pas les meilleurs appareils de mesure pour cette application car ils sont sujets à des pannes et nécessitent un entretien qualifié fréquent pour fournir une mesure précise et fiable. Les conditions de tuyauterie restreintes peuvent également donner des maux de tête aux ingénieurs. Par exemple, un débitmètre à orifice nécessite 10 à 50 diamètres de tuyauterie en amont pour éliminer l'effet des perturbations d'écoulement. Étant donné qu'il est difficile de trouver de longues conduites droites, la plupart des systèmes de mesure de débit sont affectés par des profils d'écoulement variables dans la conduite.

La principale source de préoccupation est que les débitmètres à orifice et à turbine mesurent le débit volumétrique. Des capteurs de pression, de température et de pression différentielle supplémentaires, ainsi qu'un calculateur de débit, sont nécessaires pour calculer ou déduire le débit massique (figure 2). Cela dégrade non seulement la précision de la mesure du débit, mais les coûts d'installation et de maintenance avec ce type de mesure compensée augmentent le coût de possession.

Débitmètres massiques thermiques. En revanche, les débitmètres massiques thermiques conviennent à la mesure directe du débit massique des gaz, et non au débit volumétrique. Étant donné que les débitmètres massiques thermiques comptent les molécules de gaz, ils sont insensibles aux changements de température et de pression d'entrée et mesurent le débit massique directement sans compensation. Dans les applications de chaudières à débit d'air et de gaz d'admission, les débitmètres thermiques fonctionnent bien car le rapport combustible-air optimal pour une combustion efficace dans les chaudières est calculé sur une base massique et non volumétrique (figure 3).

Dans la configuration de fonctionnement la plus simple d'un débitmètre thermique, le fluide passe devant un capteur thermique chauffé et un capteur de température. Au fur et à mesure que les molécules du fluide passent devant le capteur thermique chauffé, la chaleur est perdue dans le fluide en circulation. Le capteur thermique refroidit, tandis que le capteur de température continue à mesurer la température relativement constante du fluide en circulation. La quantité de chaleur perdue dépend des propriétés thermiques du fluide et de son débit. En mesurant la différence de température entre les capteurs thermiques et de température, le débit peut être déterminé.

De nouveaux développements dans la technologie thermique à quatre capteurs, associés à une technologie de capteur « dry sense » stable ainsi qu'à des algorithmes de modélisation thermodynamique avancés, permettent à certains débitmètres thermiques d'atteindre une précision de lecture de ±0,5 %, rivalisant avec la précision du débitmètre Coriolis à moindre coût. Les applications logicielles embarquées permettent également la capacité de mélange de gaz, la validation in situ et le dial-a-pipe.

L'eau est également une énergie d'écoulement coûteuse et une ressource limitée. Dans les applications de chaudière, il est important de mesurer avec précision le débit d'eau d'alimentation entrant dans la chaudière, car les utilisateurs doivent mesurer l'efficacité avec laquelle la chaudière transforme cette eau d'alimentation en vapeur (figure 1).

Débitmètres à ultrasons clamp-on. Bien que les utilisateurs puissent mesurer l'eau d'entrée avec un débitmètre vortex volumétrique, les débitmètres à ultrasons à pince sont idéaux pour les applications de débit d'eau en raison de leur facilité d'utilisation et de leur flexibilité d'application. Ils atteignent une grande précision à des débits faibles et élevés, permettent de gagner du temps sans couper de tuyau ni arrêter le processus, et ne sont pas affectés par le bruit externe. Les progrès de la technologie ultrasonique ont maintenant des logiciels et des applications intégrés qui facilitent l'installation du compteur, fournissant un signal visuel indiquant que cela a été fait correctement.

La vapeur de la chaudière doit être mesurée avec précision pour déterminer si la chaudière produit la quantité de vapeur attendue ou doit être réglée pour une efficacité accrue (figure 1). Traditionnellement, le débit de vapeur a été mesuré avec un dispositif à pression différentielle, généralement une plaque à orifice.

Cependant, de tels dispositifs sont par nature des mesures de débit volumétrique. Les changements de pression et de température modifient le débit massique de la vapeur. Même un "petit" changement de 10 % de la pression de vapeur entraînera une erreur de 10 % dans le débit massique non compensé. Cela signifie que, dans une installation typique de mesure de pression différentielle, le débit volumétrique doit être compensé en mesurant la température et la pression. Ces trois mesures (ΔP, T et P) sont intégrées à un calculateur de débit pour calculer le débit massique.

Débitmètres vortex multivariables à insertion. Les débitmètres vortex multivariables à insertion mesurent plus précisément la production de vapeur des chaudières. Un débitmètre vortex à insertion avec un raccord process mesure simultanément le débit massique, la température, la pression, le débit volumétrique et la densité du fluide. La densité de la vapeur saturée varie avec la température ou la pression, tandis que la vapeur surchauffée varie avec la température et la pression, de sorte que les débitmètres vortex multivariables garantissent que les calculs de densité du débitmètre sont corrects et, par conséquent, que les mesures du débit massique de vapeur sont correctes.

L'acide téréphtalique purifié (PTA) est le précurseur du polyéthylène téréphtalate (PET), le matériau omniprésent utilisé dans le monde entier dans les bouteilles en plastique, les textiles et ailleurs. Une usine chimique de PTA en Chine produit de la vapeur et de l'électricité à partir de sa centrale électrique sur place en utilisant du charbon comme combustible. Elle dispose également d'une station d'épuration qui produit du méthane qui a été brûlé à la torche. Les deux procédés sont d'importants émetteurs de GES.

De nouvelles réglementations gouvernementales obligent l'entreprise à réduire ses émissions de CO2. L'usine a décidé de modifier ses quatre chaudières pour brûler à la fois du charbon et les gaz résiduaires précédemment brûlés (méthane), pour une économie d'environ 0,5 million de dollars en charbon chaque année. En collaboration avec un fournisseur unique, les ingénieurs ont retravaillé les conceptions des chaudières et installé des débitmètres thermiques industriels à insertion pour mesurer son air de combustion et ses gaz résiduaires.

Un débitmètre thermique mesure le débit de gaz résiduaires, tandis que les quatre autres débitmètres thermiques assurent le sous-comptage de ce flux gazeux vers chaque chaudière. Quatre autres mètres mesurent l'air de combustion préchauffé (200 °C, 392 °F) vers chaque chaudière, permettant au système de contrôle de la chaudière d'optimiser le rapport combustible-air. Les débitmètres ont fourni à la fois des données de débit de précision pour se conformer aux réglementations gouvernementales et ont aidé l'entreprise à réduire les déchets tout en augmentant l'efficacité.

D'autres applications de comptage potentielles sont à l'étude, notamment :

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Scott A. Rouse est vice-président de la gestion des produits chez Sierra Instruments.