Ingénierie de conception pour systèmes de production d'énergie efficaces en centrales électriques

Efficacité énergétique dans les centrales : Enjeux et méthodologie

L'efficacité énergétique dans les centrales est vitale pour maintenir un taux de consommation minimal au sein de l'installation. Elle consiste à configurer de manière optimale les systèmes de commande internes pour n'utiliser que l'énergie nécessaire, sans gaspillage. Cet article examine les préoccupations lors du développement d'une installation et explique pourquoi l'efficacité énergétique n'est pas une tâche aisée.

La conception pour l'efficacité énergétique dans les centrales présente de nombreux défis, tant techniques que non techniques. Ceux relevant du génie électrique incluent :

• En conception de centrale, le génie électrique est souvent le dernier département à intervenir, après les systèmes mécaniques et de commande.

Cela laisse peu de marge aux ingénieurs électriciens pour s'engager dans une conception intégrée d'efficacité énergétique, ce qui a souvent un effet néfaste sur l'efficacité globale. L'énergie consommée en interne par le système électrique est alors utilisée de manière inefficace.

• Le système de puissance est le premier élément désigné.

Cela restreint davantage le temps que les ingénieurs électriciens peuvent consacrer aux études conceptuelles importantes pour les opérations internes. Ces études offrent pourtant la meilleure opportunité de comprendre l'impact des changements de conception de base améliorant l'efficacité, développés autour d'améliorations majeures basées sur l'analyse. Les études de qualité d'énergie pour l'efficacité incluent :

• Analyse de charge
• Analyse de flux de puissance et de chute de tension
• Analyse de démarrage moteur
• Analyse de court-circuit

Analyse de charge

L'analyse de charge est l'une des étapes d'ingénierie les plus importantes pour augmenter l'efficacité énergétique. La collecte d'informations et de données sur toutes les charges que le système de puissance rencontrera est la première étape vers la conception. Cela implique de comprendre les charges critiques, les cycles de service, les variations saisonnières et les exigences de démarrage. Ces sources proviennent généralement des équipes de conception mécanique et de commande. En raison de la fragmentation des fournisseurs, compiler une liste de charges détaillée n'est jamais aisé. Pour ceux qui n'ont pas de données réelles sur les conceptions actuelles, consulter des projets passés similaires peut servir de guide.

L'analyse de charge doit commencer par la quantification de la charge maximale de fonctionnement basée sur les charges réelles et les facteurs de charge. Des valeurs gonflées fournies par le fabricant peuvent mener au surdimensionnement de l'alimentation. L'analyse doit aussi tenir compte du nombre de charges sur le système.

Analyse de flux de puissance et de chute de tension

Les tensions du système de la centrale ont un impact définitif sur l'efficacité énergétique. Choisir une tension de barre plus élevée, lorsque possible, réduit les pertes ohmiques grâce à des niveaux de courant plus faibles par rapport aux barres basse tension. Sélectionner des entraînements et moteurs à tension moyenne plutôt que basse tension réduit les pertes ohmiques dans les équipements d'entraînement. Les moteurs et transformateurs nommés à des niveaux de tension plus élevés ont finalement des rendements plus élevés. Ainsi, des tensions de barre plus élevées permettent de spécifier moins de transformateurs, mais de plus grande taille, augmentant l'efficacité énergétique globale du système.

Analyse de démarrage

Les moteurs avec démarreurs progressifs absorbent bien plus que leur courant de charge nominale pendant le démarrage. Les exigences de couple élevé au démarrage augmentent la charge sur le système de puissance, conduisant à des composants surdimensionnés, ce qui entraîne une efficacité de fonctionnement continu plus faible. Comprendre les exigences de démarrage des moteurs aide à concevoir les composants d'interconnexion sans surestimer les paramètres, concevant ainsi pour les conditions de fonctionnement exactes et des composants appropriés.

Analyse de court-circuit

Le but principal de l'analyse de court-circuit est de s'assurer que les disjoncteurs ne seront pas surchargés en conditions de court-circuit. Les disjoncteurs doivent être capables de porter le courant de charge normal et d'interrompre les courants de défaut. S'ils doivent interrompre un courant supérieur à leur pouvoir d'interruption, des conséquences dommageables peuvent s'ensuivre. S'assurer que le courant nominal et le pouvoir d'interruption sont dans des plages raisonnables améliore les chances de prévention des dommages aux composants du système.

Importance du dimensionnement des équipements et de la conception des barres

Équilibrer correctement les charges sur les barres améliore la qualité d'énergie et l'efficacité énergétique. Dans les centrales, il y a plusieurs sources d'énergie et un bon équilibre mène à l'optimisation des tailles des composants du système de puissance et à la réduction des exigences de démarrage pour chaque barre.

Une analyse appropriée fournit les tailles optimales de disjoncteurs et de câbles. Un mauvais dimensionnement peut avoir des conséquences sur l'efficacité énergétique et les fonctions de protection. Comprendre que les câbles sous-dimensionnés ont des pertes plus élevées est important pour la détermination de la taille des câbles.

Quelques directives pour le dimensionnement des barres en cuivre : augmenter la section transversale pour réduire les pertes d'énergie, doubler la section du conducteur pour réduire la résistance de moitié et diviser les pertes essentiellement par deux. Les premiers augmentations de taille au-dessus du minimum admissible font une différence notable dans les pertes, mais le rendement diminue à chaque augmentation incrémentale. La sélection de plusieurs barres pour une seule barre est un autre point que l'ingénieur concepteur doit considérer pour atteindre une perte système plus faible.

Les barres sont des composants d'usine à longue durée de vie, ce qui donne plus de poids à leur coût énergétique de fonctionnement dans le calcul du cycle de vie. Pour sélectionner une barre appropriée, il faut comprendre la chute de tension, le courant de court-circuit et l'effet de peau que le système rencontre en fonctionnement normal.

Conception pour un agencement de câblage système de centrale approprié

L'agencement physique des composants du système de puissance et la longueur et le diamètre des câbles doivent être sélectionnés pour des pertes minimales. La perte de puissance dans les câbles est de l'énergie gaspillée. Les pertes incluent aussi celles des postes de commande et autres dispositifs porteurs de courant comme les commandes et circuits de protection. Les directives de conception pour réduire les pertes incluent :

• Localiser centralement le centre de charge pour transformateurs, postes de commande afin de :
  • Réduire la longueur des parcours de câbles
  • Réduire les pertes et chutes de tension
• Garder les barres et dérivations aussi courtes que possible pour :
  • Réduire la distance entre transformateur auxiliaire et générateur
• Augmenter le diamètre des câbles plus petits d'un ou deux calibres maximum pour gagner :
  • Des pertes ohmiques plus faibles
  • Plus de câble de moins de tailles différentes réduit le gaspillage à l'installation, et obtient de meilleurs termes (quantités minimales de commande)

L'équipement principal est agencé avant que les connexions entre eux ne soient déterminées. Choisir la conception avec les câbles de diamètre minimal admissible pour réduire les coûts initiaux de matériaux, au prix de coûts d'exploitation à vie beaucoup plus élevés.

Détermination de la conception des câbles

La détermination de la section des câbles entre charges interconnectées doit être calculée par rapport aux conditions de fonctionnement et à la longueur du câble. Les facteurs influençant la section incluent :

• Charge admissible en conditions normales, tenant compte de la température ambiante et des méthodes de pose.
• Résistance thermique au court-circuit
• Chute de tension admissible le long du parcours en conditions normales et phase de démarrage.
• Réponse du dispositif de protection en cas de surcharges et plus petit courant de court-circuit possible pour interrompre les tensions dangereuses.

Planification du routage des câbles

Le routage des câbles dans les installations complexes, centrales et postes de commutation nécessite un travail considérable de la part des ingénieurs et planificateurs. Il s'agit d'arranger les câbles pour donner le chemin le plus court entre leur point de départ et leur destination finale, tout en s'assurant que certaines combinaisons n'influencent pas défavorablement l'une l'autre.

La conception assistée par ordinateur (CAO) est largement utilisée pour développer et ingénier la mise en œuvre appropriée des composants et du câblage. Les installations de centrales nécessitent un soin tremendu pour développer un flux pleinement fonctionnel et économe en énergie.

E3.3D Routing Bridge

E3.3D Routing Bridge permet un routage de chemin facile avec intégration complète aux logiciels de CAO mécanique. Déterminer la longueur, le diamètre et les normes pour la sélection de câbles entre composants interconnectés n'a jamais été aussi simple.

Pour viser l'excellence en conception, Zuken a développé des liens entre E3.series et tous les principaux fournisseurs de MCAD (CAO mécanique), permettant la création de modèles de conception entièrement intégrés. En utilisant E3.3D Routing Bridge, les informations schématiques et de connexion d'E3.series peuvent être interfacées avec tous les principaux systèmes MCAD. Fonctionnalités incluses :

• Transfert d'informations de composants vers MCAD (connecteurs, broches, épissures)
• Transfert de données vers/depuis MCAD
• Vérification de collision ou détection d'interférence dans MCAD
• Vérification du rayon de courbure des fils
• Calcul automatique de la longueur des fils et segments dans MCAD
• Création automatique de documentation de fabrication dans E3.Formboard

E3.Schematic

E3.Schematic permet la conception et la documentation des systèmes de commande électriques, y compris diagrammes schématiques, plans de bornes et automates. Il aide à prévenir les erreurs pendant la conception pour développer des systèmes pour la meilleure efficacité énergétique. Une interface glisser-déposer facile fait gagner du temps dans la conception des connexions et composants, permettant de consacrer plus de temps à l'efficacité de l'usine et moins au développement produit. Il s'intègre aisément sur plusieurs plateformes pour l'intégration entre conception mécanique et électrique. Cela donne des avancées pour le développement de conception aux ingénieurs électriciens lorsque les systèmes mécaniques et de commande sont conçus avant la considération électrique. E3.Schematic offre les fonctionnalités suivantes pour faciliter la phase de conception :

• Crée et documente efficacement vos schémas électriques
• Prévient les erreurs avec des règles de conception intégrées
• Capacité pour les ingénieurs de concevoir avec une immense bibliothèque de composants pré-conçus, pré-approuvés et testés
• Conception par glisser-déposer
• Connexion aisée des composants électriques
• Numérotation automatique des fils
• Pré-définition de vos propres sous-circuits
• Gestion des bornes sur plusieurs feuilles avec conception logicielle intelligente
• Génération de documentation de projet en étapes simples

Y a-t-il des moyens pour que votre installation devienne plus économe en énergie ? Commentez ce que vous aimeriez améliorer.

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