Cas pratique d’une installation de cogénération...7 SANYDRO Maintenance Cas pratique d'une installation de cogénération 13 Introduction –Récupération thermique sur 3 postes

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SANYDRO Maintenance Cas pratique d'une installation de

cogénération

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Cas pratique d’une installation de cogénération

• Introduction – Rappel principes de base cogénération

• Circuit de valorisation thermique (intégration hydraulique)

– Organes de régulation hydrauliques (dimensionnement, …) et équipements

– Schéma de principe (cas : hôtel, bâtiment mixte bureaux et appartements, chocolaterie)

– Ballon tampon ?

• Intégration électrique (raccordement au réseau électrique)

• Conduit d’évacuation des gaz de combustion et ventilation

• Comptage : chaleur et électricité

• Étude de faisabilité : points d’attention (accessibilité, …)

• Exploitation et maintenance


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Introduction

• La cogénération intègre les composants pour :

– Produire de l’électricité

– Récupérer l’énergie thermique

– Réguler le fonctionnement du groupe

• Rendement global annuel de 85 à 90%

• Courant alternatif BT de 20 kW à 1 MW

• Puissance thermique = 1,2 à 2 fois la puissance électrique

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Introduction

• A partir de quand envisager une étude de pertinence pour la cogénération :

– Quand le rapport entre le coût des consommations électriques et le coût des consommations en combustible > à 2,5


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Introduction - Dimensionnement

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Introduction – Profils type


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Introduction – Valoriser les temps de fonctionnement

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Introduction – Valoriser les temps de fonctionnement


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Introduction – composants de l’installation

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Introduction – composants de l’installation

• Six composants fondamentaux :

– Moteur pour la production mécanique

– Génératrice pour la production électrique

– Système de récupération de chaleur

– Système d’évacuation des gaz de combustion

– Armoire électrique

– Enceinte insonorisée


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Introduction – moteur

• Moteur gaz ou moteur diesel converti au gaz / moteur alimenté en huile de colza

• Vitesse de rotation constante : 1500 tr/min

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Introduction – alternateur

• Alternateur synchrone ou asynchrone

• Production courant alternatif triphasé basse tension

• Le module fournit sa puissance en 1 à 2 minutes entre environ 50 à 100% de la puissance électrique


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Introduction – Récupération thermique sur 3

postes• Circuit de lubrification moteur par échangeur huile - eau

• Circuit de refroidissement moteur par échangeur eau –eau (récupère la majeure partie de la chaleur émise)

• Tubes air – eau qui récupèrent la chaleur des produits de la combustion

• Séparation entre circuit de distribution et circuit récupération bloc moteur (échangeur de chaleur à plaques)

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postes


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Introduction – Récupération thermique sur 3 postes


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Introduction – Armoire de commande

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Introduction – Enceinte insonorisée• Les bruits émis par le moteur en fonctionnement sont de l’ordre de 100 à 110 dB

• Réduction debruit possible au niveau des gaz d’échappement possible par le placement d’un silencieux (réduction à 50 dB)

• Placement de plots anti-vibratoires entre cogénérateur et socle (évite les transmissions de bruit à la structure du bâtiment)


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Introduction – Enceinte insonorisée

Silencieux placé sur cogénérateur

de 207 kW th / 140 kW électriques

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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique

• Énergie thermique valorisée sur un réseau hydraulique :

– Chauffage des bâtiments avec ou sans production d’ECS

– Circuit hydraulique de process (industrie)

• Critères d’intégration d’une cogénération sur installation exisante :

– Pas de perturbation de l’installation existante par augmentation des pertes de charge

– Assurer le débit exigé par le constructeur quels que soient la charge et le fonctionnement du circuit d’utilisation

– Ne pas générer de mélange qui augmenterait ou diminuerait la t° de retour au dessus ou en deçà des valeurs prescrites par le fabricant

– Si besoins thermiques non constants prévoir un ballon de stockage : énergie y est stockée pour être valorisée ultérieurement


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• Privilégier l’indépendance hydraulique du module de cogénération par rapport aux chaudières : ballon tampon ou bouteille de découplage (permet de travailler à débit constant et de maîtriser les t° d’entrée vers la cogénération)


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• Contrôle de la t° de retour avec vanne mélangeuse placée en relèvement de t°(PID géré par l’automate de commande) plutôt que circulateur à débit variable ou circulateur à fonctionnement « séquentiel » - meilleure maîtrise de la t° de retour, pas de trains de chaleur et débit constant dans l’unité de cogénération = même principe que celui appliqué aux chaudières gaz ou mazout qui nécessitent des t° supérieures au point de rosée

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• Contrôle de la t° de retour avec vanne mélangeuse placée en relèvement de t°


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• Placement de vannes de réglage pour contrôler les débits et assurer la compatibilité des débits :

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• Soin particulier à apporter au dimensionnement et à la sélection de la vanne 3 voies et des pompes:

– Calcul de l’autorité des vannes 3 voies (33 à 50%)

– Sélection des pompes sur base des débits et HMT (voir caractéristiques cogénération)


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• Soin particulier à apporter au dimensionnement des pompes: point de fonctionnement 8,9 m³/h et HMT 5,96 m

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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique : cas d’un hôtel bruxellois


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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique :

cas d’un hôtel bruxellois

• Envisager l’intégration de l’ensemble cogénération - ballon tampon comme une « seule » chaudière et les placer en tête de cascade

• Veiller à ce que le cogénérateur mais aussi toutes les chaudières de la cascade puissent être isolés de la cascade par l’installation de vannes d’isolement motorisées (limite les pertes à l’arrêt et évite d’avoir un « radiateur » de plusieurs centaines de kW en chaufferie)

• Si absence de ballon de stockage :

– risque de surchauffe momentanée au moment de la mise en route d’une des chaudières avec arrêt pour cause de t° de retour trop élevée

– L’eau chaude issue de la cogénération circule dans la chaudière (quand chaudières et cogénération fonctionnent en parallèle) avec pour effet une augmentation des pertes à l’arrêt et une incompatibilité avec les chaudières basse t° et à condensation…

– Puissance chaudière permet d’apporter un appoint thermique et doit permettre une grande plage de modulation pour couvrir de manière optimale les besoins (si chaudière trop puissante = risque surchauffe et donc fonctionnement « stop and go » de la cogénération

DONC

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Circuit de valorisation thermique – intégration hydraulique :

cas d’un hôtel bruxellois

• Intégration d’un ballon tampon car plus de flexibilité: s’il y a des

besoins électriques sans demande de chaleur l’excédent peut être

stocké…

– Si stockage chargé : priorité à la cuve tampon lors de la demande de

chaleur; ensuite appoint généré par la cogénération; et enfin si demande

chaleur se poursuit on engage la 1re chaudière en modulation de base,

puis la 2e chaudière en modulation de bas,… PRIORITÉ AU

COGÉNÉRATEUR , PUIS FAIRE TRAVAILLER les chaudières en

parallèle à la plus petite charge possible (pic de rendement pour les

chaudières à condensation vers 15 à 20% de charge)

• Adéquation entre cogénération et capacité de stockage : calcul de la

cuve tampon sur base de la courbe des besoins thermiques

journaliers (ex hôtel : 6 m³ pour 207 kW th / bâtiment mixte : 3 m³

pour 63 kW th)


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Circuit de valorisation thermique (ex: application industrielle

et logements)

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Intégration électrique

L’armoire électrique comprend :

-Le circuit de puissance sur lequel se

raccorde le câble de puissance

-Le système de couplage

-Principe de base: autoconsommer

et éviter de revendre au réseau pour

valoriser l’électricité produite au

meilleur tarif


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Intégration électrique – protection de

découplageProtection du réseau de

distribution par placement d’un

relais de découplage : déconnecte

le module du réseau en cas

d’anomalie (absence de tension,

valeurs de tensions anormales,

…):

- Découplage de l’alternateur du

réseau lors d’un incident sur le

réseau de distribution

- maintenir la qualité du réseau

- assurer la sécurité des

personnes travaillant sur la ligne

amont

MAIS ENCORE

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Intégration électrique – protection de

découplage- Protection de la cogénération car évite son couplage au réseau quand il se

« remet en place » (le choc pourrait détruire l’alternateur

- Différents types de relais de découplage en fonction du nombre de paramètres

surveillés – La protection à installer dépend :

- De la puissance électrique fournie par le module

- Du mode de fonctionnement (fonctionnement comme générateur de

secours ou non)

- Du raccordement sur le circuit HT ou BT

- Approbation du module par SIBELGA


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Conduit d’évacuation des gaz brûlés et

ventilation- Les gaz de combustion sont en pression dans le conduit:

- le module doit disposer de son propre conduit

- le conduit doit être étanche

- les méthodes usuelles de calcul des cheminées ne sont pas d’application

- la sélection du conduit se fait en fonction de la vitesse d’écoulement des

fumées, de leur débit (donnée constructeur) et de leur t° en sortie du

récupérateur (130 – 140°C)

- Exemple : module de 36 kW thermiques – diam. 150 et hauteur 35 mct

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Conduit d’évacuation des gaz brûlés et

ventilation- La ventilation doit :

- assurer la ventilation en air comburant de la cogénération et des chaudières

- évacuation chaleur + air vicié

- Débit d’air comburant : 2,18 m³/h / kW P utile

- si les pertes par ventilation et par rayonnement = 10% de la puissance utile

du module, le débit ventilation nécessaire au refroidissement du local :

-0,1 * Pu / Cp * r * Dt d’où 20 * Pu

-Exemple : pour 200 kW – 35 dm² (basse) et 31 dm² (haute)


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Comptage

- Ne pas oublier de comptabiliser :

- la quantité de chaleur produite par le cogénérateur

- la consommation en combustible

- la quantité d’électricité produite

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Réalisation

- Attention particulière à :

- la possibilité de rentrer facilement le cogénérateur et le ballon de stockage

(coûts de manutention trop élevés risquent d’augmenter les temps de

retour…)

- la taille du compteur de gaz (débit chaudières + cogénération) et la perte de

charge dans la conduite calculée selon NBN 51-003 (pression gaz à l’entrée

du bloc de minimum 20 mbar autrement risque de mise en sécurité au

démarrage + mauvaise autorité clapet gaz)

- prévoir siphon pour l’évacuation des condensats

- prévoir des pièges à boues sur circuit hydraulique

- prévoir des compensateurs sur les raccordements hydrauliques


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Exploitation et maintenance

- Souscrire impérativement à un contrat de maintenance:

- coût varie entre 2 € et 2,70 € /h de fonctionnement suivant formule retenue

- pour la cogénération, les raccordements hydrauliques, alimentation gaz et

cheminée et raccordements électriques

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- Enjeux de la maintenance:

- minimiser les risques encourus (viser à atteindre les objectifs énergétiques

et de rentabilité enisagés à la conception)

- pertes d’exploitation (perte de puissance électrique, perte de puissance

thermique ou surconsommation liée à un mauvais réglage)

- Usure prématurée du matériel (coûts + indisponibilité de la

cogénération) : respecter les critères de temps de fonctionnement (min

120 minutes / démarrage) et limiter le nbre de démarrages

- mise à l’arrêt de la cogénération la plus courte possible

- télésurveillance (relevé et archivage des paramètres, déclenchement

alarme à distance et reset à distance)


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