Largement utilisée comme source d'énergie dans le secteur industriel, l'air comprimé représente entre 10 % et 35 % de la consommation énergétique totale de la production industrielle. 96 % de la consommation énergétique des systèmes d'air comprimé est imputable aux compresseurs industriels, dont la consommation annuelle représente plus de 6 % de la consommation électrique nationale en Chine. L'analyse du cycle de vie complet révèle que les coûts d'exploitation des compresseurs d'air, qui comprennent les coûts d'acquisition, de maintenance et d'énergie, ne représentent qu'environ 10 % du coût total, tandis que les coûts énergétiques atteignent 77 %. Ceci démontre la nécessité pour la Chine d'améliorer significativement l'efficacité énergétique de ses systèmes d'air comprimé, parallèlement à sa restructuration industrielle et économique.
Face à la prise de conscience croissante des besoins des entreprises en matière d'air comprimé, d'économies d'énergie et de réduction des émissions, il est urgent de choisir la technologie appropriée pour la transformation énergétique des systèmes existants afin d'obtenir les meilleurs résultats possibles. Ces deux dernières années, une étude menée auprès d'entreprises industrielles chinoises a montré que la demande de rénovation énergétique s'articule principalement autour des trois axes suivants :
La consommation énergétique des compresseurs d'air représentait une part trop importante de la consommation électrique de l'entreprise. L'instabilité de l'alimentation en air comprimé, les fluctuations de pression et d'autres problèmes affectaient le fonctionnement normal des équipements. Face à l'augmentation de sa production, l'entreprise a dû optimiser son système d'air comprimé initial afin de répondre à la demande croissante. Compte tenu des spécificités de chaque système et des technologies d'économie d'énergie applicables, une transformation énergétique ne peut être mise en œuvre de manière aveugle pour garantir le succès de la conversion. Il est essentiel de sélectionner les mesures d'économie d'énergie appropriées après une analyse, des essais et une évaluation complets du système. Les auteurs ont analysé et exploré les caractéristiques et le champ d'application de certaines technologies d'économie d'énergie existantes et émergentes en étudiant l'utilisation de l'air comprimé dans un grand nombre d'entreprises industrielles.
Stratégie d'économie d'énergie du système
En se basant sur la théorie de l'évaluation de la consommation d'énergie des systèmes pneumatiques et sur l'analyse des pertes d'énergie, et en partant des différents aspects de la composition du système, les mesures globales d'économie d'énergie sont les suivantes :
Production d'air comprimé. Configuration et maintenance appropriées des différents types de compresseurs, optimisation du mode de fonctionnement, gestion quotidienne des équipements de purification d'air. Transport d'air comprimé. Optimisation du réseau de canalisations, séparation des conduites d'alimentation haute et basse pression ; supervision en temps réel de la consommation d'air, inspection quotidienne et réduction des fuites, amélioration de l'étanchéité aux joints. Utilisation de l'air comprimé. Amélioration du circuit d'entraînement des vérins, utilisation de produits économes en énergie développés pour ce secteur, tels que des vannes d'économie d'air spécifiques pour les vérins de débourbage dans l'industrie de l'aluminium électrolytique, ainsi que des pistolets et buses à air comprimé à faible consommation. Récupération de la chaleur résiduelle des compresseurs. La chaleur générée lors de la compression de l'air est récupérée par échangeur thermique, etc., et utilisée pour le chauffage auxiliaire et le chauffage de process, etc.
Génération d'air comprimé
1 compresseur d'air unique à économie d'énergie
Actuellement, les compresseurs d'air les plus utilisés dans l'industrie se répartissent principalement en trois catégories : à piston, centrifuges et à vis. Les compresseurs à piston restent largement utilisés dans certaines entreprises anciennes ; les compresseurs centrifuges, quant à eux, sont très répandus dans l'industrie textile grâce à leur fonctionnement stable et leur rendement élevé, mais ils sont sujets aux à-coups en cas de variation brutale de la pression du système. Les principales mesures d'économie d'énergie mises en œuvre consistent à : garantir la propreté de l'air insufflé, notamment en effectuant une filtration grossière efficace dans les entreprises textiles afin d'éliminer les fibres courtes présentes dans l'air ; réduire la température d'entrée d'air du compresseur pour améliorer son rendement ; veiller à ce que la pression de l'huile de lubrification ait un impact important sur les vibrations du rotor de la centrifugeuse, en choisissant une huile contenant des agents antimousse et des stabilisateurs d'oxydation ; contrôler la qualité de l'eau de refroidissement, en optimisant son évacuation et en planifiant son appoint ; et enfin, purger régulièrement les condensats provenant du compresseur, du sécheur, du réservoir de stockage et du réseau de canalisations. Afin de prévenir les sifflements dus à des variations rapides de la demande en air, etc., veillez à régler la bande proportionnelle et le temps d'intégration définis par l'appareil et évitez toute réduction brutale de la consommation d'air. Privilégiez les centrifugeuses à trois étages à haut rendement énergétique et utilisez de préférence des moteurs haute pression pour limiter les pertes de charge et maintenir une faible élévation de température dans la station de pression d'air.
Le compresseur d'air à vis est largement utilisé. L'analyse des différents modes de contrôle des compresseurs d'air à vis révèle les problèmes actuels de charge/décharge et de régulation de pression constante. Il en ressort que le contrôle mécanique de l'admission d'air ne permet pas un ajustement rapide et continu du débit. Lorsque la quantité de gaz varie constamment, la pression d'alimentation fluctue inévitablement de manière importante. Le contrôle par fréquence, qui consiste à ajouter un variateur de fréquence pour ajuster le débit du compresseur, permet de compenser les variations de consommation d'air en usine. Cependant, ce système est adapté aux situations où les variations de consommation d'air sont faibles (de l'ordre de 40 % à 70 % du volume de production d'une seule machine, pour lesquelles les économies d'énergie sont optimales).
Système de contrôle expert du groupe de compresseurs d'air à 2 éléments
Le système de contrôle expert des groupes de compresseurs d'air représente une technologie de pointe pour la gestion et l'économie d'énergie de ces groupes. Ce système contrôle en fonction des variations de la demande de pression, gérant le démarrage, l'arrêt, le chargement et le déchargement des différents compresseurs, afin de maintenir en permanence le nombre et la capacité optimaux de compresseurs en fonctionnement.
Le système de contrôle domestique utilise un convertisseur de fréquence pour moduler la vitesse d'un compresseur d'air au sein du système d'alimentation en gaz basse pression de l'usine. Ce système contrôle la durée de production de gaz de chaque compresseur, s'adaptant ainsi aux faibles variations de débit du système d'alimentation. Le choix du convertisseur de fréquence adapté au compresseur d'air nécessite généralement l'intervention d'un spécialiste, qui effectuera des tests et des calculs complets. L'analyse comparative précédente révèle que l'efficacité énergétique de nombreux systèmes d'air comprimé présente un potentiel d'amélioration important. Le convertisseur de fréquence ne permet de réaliser des économies d'énergie que s'il est intégré au système d'air comprimé existant de l'entreprise et doit donc être testé et évalué par des professionnels avant toute utilisation. Le système de contrôle expert pour groupes de compresseurs d'air est particulièrement adapté au fonctionnement simultané de plusieurs compresseurs. Sa configuration par paliers répond parfaitement aux besoins des entreprises.
3. Amélioration du processus de séchage à l'air comprimé
À l'heure actuelle, les équipements de séchage et de traitement de l'air comprimé les plus couramment utilisés par les entreprises sont de type réfrigéré, sans régénération de chaleur et de type composite à micro-régénération de chaleur ; la principale comparaison des performances est présentée dans le tableau ci-dessous.
La modernisation de la ligne de défense pour économiser l'énergie doit suivre les principes suivants : si le système de traitement d'air d'origine exige un niveau de pureté trop élevé, il convient de le remplacer par un système moins exigeant. Il faut également améliorer le processus de séchage, réduire les pertes de charge au niveau de l'étape de séchage (jusqu'à 0,05 à 0,1 MPa pour certains systèmes) et ainsi diminuer la consommation d'énergie.
Transport d'air comprimé
1. Le système de tuyauterie de Yajiang ne doit pas dépasser 1,5 % de la pression de service. Actuellement, de nombreuses stations de pression d'air ne disposent pas de canalisations primaires et secondaires, présentent trop de coudes et de courbes inutiles, de fréquentes pulsations de pression et d'importantes pertes de pression. Certaines canalisations pneumatiques sont enterrées dans des tranchées et ne peuvent être surveillées pour détecter les fuites. Afin de garantir la pression requise du système en toutes circonstances, le personnel d'exploitation augmente la pression de service de l'ensemble du système de 0,1 à 0,2 MPa, introduisant ainsi des pertes de pression artificielles. Pour chaque augmentation de 0,1 MPa de la pression d'échappement du compresseur d'air, la consommation d'énergie de ce dernier augmente de 7 à 10 %. Parallèlement, l'augmentation de la pression du système accroît les fuites d'air. Mesures de rénovation pour économiser l'énergie : remplacer la disposition en branches par une disposition en boucle, séparer l'alimentation en air haute et basse pression et installer des unités de décharge de précision haute et basse pression. Lors de travaux de rénovation visant à économiser l'énergie, il convient de remplacer les canalisations présentant une forte résistance locale, de réduire cette résistance et de purifier la paroi intérieure des tuyaux par lavage à l'acide, élimination de la rouille, etc., afin de garantir une paroi lisse.
2. Fuites, détection des fuites et colmatage
La plupart des fuites en usine sont importantes, atteignant 20 à 35 % du taux total. Elles se produisent principalement au niveau des vannes, des raccords, des triples, des électrovannes, des connexions filetées et du couvercle avant des bouteilles de gaz. Certains équipements fonctionnent sous surpression, se déchargent automatiquement et rejettent fréquemment du gaz. Les dégâts causés par ces fuites sont souvent inimaginables. Par exemple, dans une station de soudage par points automobile, la présence de scories de soudage dans une conduite de gaz, due à un minuscule trou de 1 mm de diamètre, entraîne une perte annuelle d'électricité de 355 kWh, soit l'équivalent de la consommation électrique annuelle d'un foyer de deux ou trois personnes. Mesures d'économie d'énergie : installer un système de gestion du débit sur la conduite d'alimentation en gaz de l'atelier de production principal afin de déterminer les limites de consommation. Ajuster la consommation de gaz de procédé, minimiser le nombre de vannes et de raccords et réduire les points de fuite. Renforcer la gestion et utiliser des outils professionnels pour des inspections régulières. En résumé, les entreprises peuvent utiliser des équipements de test professionnels tels que des détecteurs de fuites de gaz intelligents à accès parallèle, des pistolets de détection de fuites, etc., pour prendre des mesures afin d'empêcher le fonctionnement, les risques, les fuites et les écoulements du système d'air comprimé, et effectuer en conséquence les travaux de maintenance et de remplacement des composants.
Utilisation d'air comprimé
Les pistolets à air comprimé sont largement utilisés dans les procédés de finition, d'usinage et autres processus de fabrication. Leur consommation d'air peut atteindre 50 % de l'approvisionnement total en air comprimé dans certaines zones industrielles. Lors de leur utilisation, on observe des problèmes tels que des conduites d'alimentation en air trop longues, une pression d'alimentation excessive, l'utilisation de tubes en cuivre droits comme buses et une augmentation non autorisée de la pression de service par les opérateurs, ce qui entraîne un gaspillage important d'air.
L'utilisation inappropriée de gaz dans les équipements pneumatiques est un phénomène de plus en plus fréquent, notamment pour déterminer si une pièce est bloquée lors de la détection de la contre-pression du gaz, ou encore pour l'alimentation en gaz des générateurs de vide. On observe également une alimentation en gaz continue, même lorsque la pièce n'est pas en fonctionnement. Ces problèmes sont particulièrement courants dans les cuves de produits chimiques et autres installations de mélange de gaz, ainsi que dans la fabrication de pneumatiques, notamment en cas de gonflage irrégulier. Pour réduire la consommation d'énergie, il est recommandé d'utiliser des buses pneumatiques à économie d'énergie et des pistolets à air comprimé à impulsions. Dans certains secteurs, l'utilisation d'équipements pneumatiques spécialisés est également préconisée, par exemple dans l'industrie de l'aluminium, avec l'adoption de vannes d'économie d'air spécifiques pour les cylindres de moulage.
récupération de la chaleur résiduelle du compresseur d'air
D'après l'analyse du cycle de vie complet, 80 à 90 % de l'énergie électrique consommée par les compresseurs d'air est convertie en chaleur et dissipée. La répartition de cette chaleur est illustrée dans la figure ci-dessous. En excluant la chaleur rayonnée vers l'environnement et celle stockée dans l'air comprimé, les 94 % d'énergie restants peuvent être valorisés par récupération de chaleur résiduelle.
La récupération de chaleur résiduelle s'effectue par le biais d'échangeurs de chaleur et d'autres moyens appropriés. La chaleur du processus de compression d'air est utilisée pour chauffer l'air ou l'eau, notamment pour le chauffage d'appoint, le chauffage industriel et le préchauffage de l'eau d'appoint des chaudières. Avec des améliorations judicieuses, il est possible de récupérer et d'utiliser de 50 % à 90 % de l'énergie thermique. L'installation de dispositifs de récupération de chaleur permet de contrôler efficacement la température de fonctionnement du compresseur d'air à une température optimale, ce qui améliore la lubrification et augmente le volume des gaz d'échappement de 2 % à 6 %. Pour un compresseur d'air refroidi par air, il est possible d'arrêter le ventilateur de refroidissement et d'utiliser la pompe de circulation d'eau pour récupérer la chaleur. Un compresseur d'air refroidi par eau peut être utilisé pour chauffer de l'eau froide ou des locaux, avec un taux de récupération de 50 % à 60 %. La récupération de chaleur résiduelle présente une consommation d'énergie quasi nulle par rapport aux équipements de chauffage électrique et aucune émission par rapport aux équipements à gaz combustible ; c'est une solution propre et écologique pour économiser l'énergie. S’appuyant sur l’analyse des pertes énergétiques des systèmes d’air comprimé, cette étude analyse et synthétise les pratiques de consommation de gaz non optimales et les mesures d’économie d’énergie mises en œuvre par l’entreprise. Dans le cadre de sa transformation énergétique, l’entreprise procède d’abord à des tests et à une évaluation approfondis des différents systèmes. Sur cette base, des mesures d’optimisation appropriées sont appliquées afin d’atteindre les objectifs d’économie d’énergie et d’améliorer l’efficacité opérationnelle de l’ensemble du système d’air comprimé.
Date de publication : 2 mars 2024