La mise à niveau du brûleur à l'usine de Simplot améliore les performances et l'énergie

Pour réduire la consommation d'énergie et les coûts, la société J.R. Simplot a réalisé il y a plusieurs années un projet qui a augmenté l'efficacité du système de vapeur de son usine de transformation de pommes de terre à Caldwell, Idaho. Le projet était basé sur une évaluation, réalisée à l'aide du Steam System Assessment Tool (SSAT), par Bill Moir, un spécialiste qualifié de Steam Engineering Inc. Le SSAT a été développé pour les meilleures pratiques du programme de technologies industrielles du département américain de l'Énergie (DOE). Les améliorations de l'usine de Caldwell permettent d'économiser 52 000 MMBtu et 526 000 kilowattheures par an. Les économies d'énergie et d'entretien s'élèvent à 329 000 $ par année. Étant donné que les coûts totaux du projet s'élevaient à 373 000 $, le retour sur investissement simple est inférieur à 14 mois. Des mesures d'efficacité similaires ont été reproduites dans d'autres installations de Simplot, à la suite d'analyses menées à l'aide du SSAT. Ces améliorations de l'efficacité énergétique génèrent des économies de gaz naturel de 176 000 MMBtu par an.

Historique de l'entreprise/de l'usine
The J.R. Simplot Company est une importante société agroalimentaire basée à Boise, Idaho, avec un chiffre d'affaires annuel d'environ 3 milliards de dollars. L'entreprise compte plus de 12 000 employés aux États-Unis, au Canada, en Chine, au Mexique et en Australie. L'activité commerciale de Simplot comprend la production d'aliments, d'engrais, de gazon et de produits horticoles ; alimentation du bétail; et d'autres entreprises agro-industrielles. L'entreprise a un programme continu d'efficacité énergétique qui met l'accent sur la formation des employés. David Hawk, directeur de l'énergie et des ressources naturelles, et Alan Christie, directeur de l'ingénierie du groupe alimentaire chez Simplot, ont travaillé en étroite collaboration avec le DOE, le Washington State University Energy Program et la division de l'énergie du département des ressources en eau de l'Idaho pour sensibiliser à la productivité et les avantages financiers d'une efficacité énergétique accrue dans les systèmes industriels.

L'installation de Caldwell est l'une des plus grandes de l'entreprise; elle produit environ 270 millions de livres de frites surgelées par an. Le site est équipé de trois chaudières à tubes d'eau alimentées au gaz naturel. Deux sont évalués à 70 000 livres par heure (lb/h), et le troisième est évalué à 60 000. La vapeur est générée à 275 livres par pouce carré (psig) saturée. La vapeur est importante pour les processus de production de l'usine car elle soutient directement les tâches d'épluchage, de blanchiment et de friture des pommes de terre.

Présentation du projet
En 2000, Simplot a mandaté Steam Engineering Inc. pour analyser les systèmes à vapeur de ses installations de production dans le cadre de son programme d'efficacité énergétique d'entreprise. Lors de l'évaluation initiale sur le site de Caldwell, les analystes ont constaté que la charge de vapeur moyenne de l'usine était de 90 000 lb/h et que les niveaux d'air de combustion excédentaires étaient en moyenne de 50 %. De plus, la teneur en oxygène des gaz de combustion atteignait 7,5 pour cent. Les trois chaudières fonctionnaient à charge partielle pour satisfaire la demande de vapeur de pointe de l'usine de 140 000 lb/h. Les niveaux de demande de pointe et moyenne fluctuaient constamment parce que le récipient pour éplucher les pommes de terre devait être rempli rapidement pour évaporer l'humidité dans les pommes de terre. La réutilisation des condensats était minime ; seuls les condensats haute pression des échangeurs de chaleur à huile chaude étaient renvoyés vers les chaudières.

La conclusion initiale était que l'efficacité du système à vapeur pouvait être considérablement améliorée en installant de nouveaux brûleurs équipés de commandes de positionnement parallèles et en ajoutant un système de compensation d'oxygène des gaz de combustion pour réduire la quantité d'air en excès nécessaire pour une combustion de qualité.

En 2002, lorsque le logiciel SSAT a été lancé, Moir l'a utilisé pour évaluer le système de vapeur de l'usine de Caldwell. Le modèle SSAT a indiqué des économies potentielles de gaz naturel de plus de 25 000 MMBtu par an si les chaudières de l'installation de Caldwell pouvaient fonctionner de manière cohérente à un niveau d'oxygène des gaz de combustion de 3 %. Cela pourrait être accompli en améliorant les brûleurs et les commandes vieillissants et en installant des systèmes de compensation d'oxygène des gaz de combustion sur les chaudières, comme indiqué dans l'analyse précédente. En outre, le modèle SSAT a montré que les améliorations apportées au système de condensat permettraient de récupérer davantage de condensat, que les chaudières pourraient fonctionner à des niveaux d'air de combustion excédentaires de 10 % et que seules deux chaudières pourraient répondre à la charge de vapeur de l'usine.

Mise en œuvre du projet
La direction de Simplot a décidé de mettre en œuvre d'abord les recommandations de Steam Engineering, basées sur l'analyse SSAT, sur l'installation de Caldwell. Si le projet Caldwell réussissait, des mesures similaires seraient prises sur d'autres sites de Simplot à la suite d'évaluations basées sur le SSAT.

Pour minimiser les temps d'arrêt de la production, les nouveaux brûleurs et commandes ont été installés sur deux chaudières lors des arrêts programmés de l'usine. Une fois les brûleurs existants retirés, de nouvelles plaques avant ont été montées sur chaque façade de chaudière avant que les nouveaux brûleurs puissent être installés. Ensuite, de nouveaux ventilateurs d'air de combustion, des conduits de recirculation des fumées, des analyseurs d'oxygène des fumées et des systèmes de contrôle de chaudière avec des systèmes de compensation d'oxygène ont été installés sur chaque chaudière. Une fois toutes les améliorations terminées, le personnel de l'usine a pu répondre à la charge de vapeur de l'usine en utilisant moins de vapeur et de gaz naturel sans diminuer la production.

Résultats du projet
Le projet d'usine de Caldwell a considérablement augmenté l'efficacité du système de vapeur de l'usine. Étant donné que les nouveaux brûleurs sont plus efficaces et recirculent mieux les gaz de combustion, les chaudières fonctionnent désormais à un niveau moyen d'oxygène des gaz de combustion de 3 % ou moins. La charge de vapeur maximale de l'usine est maintenant de 110 000 lb/h, et deux chaudières sont capables de répondre à cette charge, à des niveaux d'air de combustion excédentaires de seulement 10 %. Le projet a simplifié le processus de retour du condensat en amenant le condensat directement vers le dégazeur et en permettant à la pression du dégazeur de flotter. Cela a permis à l'usine d'atteindre un taux de récupération des condensats de 50 % et de mettre les cinq pompes à condensats de l'usine hors ligne.

Le projet de centrale de Caldwell a réduit la consommation annuelle de gaz naturel de 52 000 MMBtu (7,5 % de la consommation annuelle précédente), pour une économie de 279 000 $ par an. Les économies d'électricité annuelles s'élèvent à 526 000 kWh, ce qui représente une économie supplémentaire de 20 000 $ par an, car les pompes à condensats et le ventilateur de tirage de la troisième chaudière sont hors ligne. Ces changements permettent également d'économiser 30 000 $ en coûts de maintenance annuels. Les économies annuelles totales du projet sont de 329 000 $. Étant donné que les coûts totaux du projet étaient de 373 000 $, le simple retour sur investissement est inférieur à 14 mois. De plus, la production est désormais plus fiable; aucune panne de chaudière n'a été signalée depuis la fin du projet.

Depuis l'achèvement du projet, la direction de Simplot a mandaté l'utilisation du SSAT pour évaluer les systèmes de vapeur dans toutes ses installations de production. À ce jour, les mesures d'efficacité basées sur la modélisation SSAT ont été reproduites dans huit autres installations de Simplot, entraînant des économies annuelles de gaz naturel de 176 000 MMBtu. De plus, la participation de Simplot à la Western US Food Processing Efficiency Initiative (qui fait partie de la State Technologies Advancement Collaborative) a permis à l'expertise développée dans ces efforts d'être mise à profit avec d'autres efforts d'efficacité énergétique réussis au profit d'autres entreprises de transformation alimentaire dans l'ouest États-Unis.

Figure 1. Ensemble d'admission d'air

Leçons apprises
L'utilisation d'une méthodologie et d'un outil uniformes pour évaluer et optimiser les systèmes de vapeur industriels peut générer des stratégies précieuses pour améliorer les performances de ces systèmes et économiser l'énergie. À l'usine J.R. Simplot de Caldwell, une analyse basée sur le SSAT a validé les économies d'énergie potentielles résultant d'une stratégie conventionnelle d'optimisation de l'efficacité du système à vapeur. L'analyse SSAT a également identifié des avantages supplémentaires de cette stratégie.

À la suite du succès du projet, Simplot a vu le SSAT comme un outil efficace de type «dénominateur commun» pour évaluer les opportunités d'amélioration de tous les systèmes de vapeur de l'entreprise. La direction a donc établi une politique d'entreprise pour institutionnaliser l'utilisation du SSAT dans toutes les installations de Simplot utilisant de la vapeur. À ce jour, le SSAT a été utilisé dans huit autres installations de Simplot, et les analyses qui en résultent sont mises à jour annuellement. Des outils et des méthodologies uniformes comme celui-ci peuvent facilement être adoptés dans toute installation industrielle utilisant de la vapeur.

Figure 2. Brûleur et boîtier du brûleur

Définition de l'efficacité de la combustion
L'efficacité de la combustion est une mesure de l'efficacité avec laquelle la teneur en chaleur d'un combustible est transférée en chaleur utilisable. La température de la cheminée et les niveaux d'oxygène des gaz de combustion sont les principaux indicateurs de l'efficacité de la combustion. Le fonctionnement d'une chaudière avec une quantité optimale d'excès d'air minimise les pertes de chaleur dans la cheminée et améliore l'efficacité de la combustion. En pratique, les conditions de combustion sont rarement idéales; de l'air supplémentaire ou « en excès » doit être fourni pour brûler complètement le carburant.

La quantité correcte d'excès d'air est déterminée en analysant les niveaux d'oxygène des gaz de combustion. Un excès d'air inadéquat entraîne un carburant non brûlé, tandis qu'un excès d'air trop important entraîne une perte de chaleur, ce qui indique une efficacité inférieure du carburant à la vapeur de la chaudière. Les chaudières au gaz naturel qui fonctionnent efficacement devraient avoir un niveau d'air en excès de 10 pour cent. Lorsque la composition du carburant ou les débits de vapeur sont très variables, un système de compensation d'oxygène en ligne doit être envisagé. Un système de compensation d'oxygène fournit une rétroaction aux commandes du brûleur pour minimiser automatiquement l'excès de combustion

Outil d'évaluation du système Steam DOE ITP BestPractices
BestPractices dispose d'une suite d'outils pour évaluer et identifier les opportunités d'économies d'énergie dans les systèmes à vapeur. Le principal outil lié à la vapeur est le Steam System Assessment Tool (SSAT). Le SSAT est un progiciel qui permet aux utilisateurs de modéliser divers scénarios d'amélioration et d'estimer avec précision les économies potentielles d'énergie et de coûts grâce aux améliorations individualisées du système de vapeur. Ceci et d'autres outils logiciels liés à Steam peuvent être obtenus via le site Web EERE (www.oit.doe.gov/bestpractices/software_tools.shtml), ou ils peuvent être commandés auprès du centre d'information EERE en appelant le 877-337-3463.

Pour plus d'informations sur le programme de technologies industrielles du département américain de l'Énergie, visitez http://www1.eere.energy.gov.