Tours de refroidissement : l'efficacité en attente

Les tours de refroidissement jouent le rôle vital d'eau de refroidissement pour les équipements d'échange de chaleur des centrales électriques. Le maintien d'excellentes performances du système est important car une augmentation d'un degré de la température de l'eau peut entraîner une augmentation de 2 % de la consommation d'énergie. Un bon entretien et quelques mises à niveau pourraient améliorer l'efficacité d'une tour de refroidissement, tout en économisant de l'eau dans le processus.

La plus petite inefficacité dans une centrale électrique peut coûter cher à un générateur, et de nombreux générateurs d'énergie n'ont pas besoin de chercher plus loin que leurs tours de refroidissement vieillissantes pour trouver un foyer d'inefficacités potentielles, lessivant lentement leurs bénéfices. Lorsque l'efficacité d'une tour de refroidissement chute, la température dans la tour augmente, ce qui augmente la consommation d'énergie de l'unité jusqu'à 2 % par degré d'augmentation. La bonne nouvelle est que, des ventilateurs aux buses, en passant par les fluides de remplissage et même l'eau elle-même, les possibilités d'augmenter l'efficacité d'une tour de refroidissement abondent.

Bien sûr, personne n'a l'intention de construire un système inefficace, mais de nombreuses tours de refroidissement d'aujourd'hui sont des reliques du passé, et bien qu'elles aient pu être à la pointe de la technologie, elles sont loin derrière les normes d'aujourd'hui. L'un des principaux domaines dans lesquels les plantes plus anciennes sont à la traîne est le matériau de remblai. Certaines tours de refroidissement vieilles de plusieurs décennies encore utilisées continuent d'utiliser du plastique, de la fibre de verre ou du bois. Ce système positionne les barres anti-éclaboussures pour briser l'eau qui tombe en gouttelettes. Selon SPX Cooling Technologies Inc., le remplissage anti-éclaboussures convient mieux aux tours à flux croisés, car l'air peut facilement circuler horizontalement à travers le remplissage vertical pleine hauteur. Les nouvelles tours à contre-courant peuvent intégrer des systèmes de remplissage par éclaboussures ou de films plus récents.

Vers les années 1980, les efforts d'efficacité des tours de refroidissement ont été stimulés par le développement de supports de remplissage plus performants. "Une percée pour les remplissages à contre-courant des années 1980 a été l'introduction des packs de remplissage en film PVC", a déclaré Terry Dwyer, directeur des produits montés sur le terrain pour SPX. Ces nouveaux types de remplissage "augmentent la surface du remplissage dans un pied cube donné de la tour de refroidissement, de sorte que le PVC - les packs de remplissage en plastique - augmente la surface, ce qui augmente le transfert de chaleur".

En fait, selon Dwyer, le moyen le plus simple d'augmenter rapidement l'efficacité d'une tour de refroidissement consiste à changer le matériau de remplissage. "Nous avons aujourd'hui d'autres remplissages plus performants qu'il y a de nombreuses années", a déclaré Dwyer. "C'est un peu comme avec une voiture, l'économie de carburant d'une voiture aujourd'hui est meilleure qu'elle ne l'était il y a 20 ans. Cela tient en grande partie à la conception et à la technologie du moteur."

Les remplissages de film haute performance d'aujourd'hui offrent près de deux fois les performances thermiques du remplissage anti-éclaboussures. Le film de remplissage consiste en des piles de matériaux en forme de labyrinthe à travers lesquels l'eau et l'air circulent dans des directions opposées. Le remplissage du film a considérablement augmenté l'exposition de la surface de l'eau à l'air, ce qui a entraîné un transfert de chaleur beaucoup plus efficace.

Cependant, le film de remplissage n'est pas sans inconvénients. Comme indiqué, alors que le remplissage par éclaboussures fonctionne pour briser l'eau en gouttelettes, comme son nom l'indique, en la faisant éclabousser des barres relativement larges dans la tour, le remplissage par film dirige l'eau à travers de petits entonnoirs. Malheureusement, et sans surprise, la plupart des tours de refroidissement ne fonctionnent pas avec de l'eau filtrée. L'eau utilisée dans ces tours est généralement assez sale, pleine de sédiments minéraux et biologiques qui peuvent facilement obstruer le remblai par la croissance microbiologique, l'encrassement ou l'entartrage.

Bien que le remplissage par éclaboussures soit désavantageux par rapport aux styles de remplissage plus modernes en termes d'efficacité de refroidissement, il n'est pas sans avantages. Le remplissage anti-éclaboussures est moins dense et donc plus indulgent pour les eaux difficiles. L'eau lourde en sédiments peut obstruer le remplissage du film beaucoup plus facilement que le remplissage par éclaboussures, mais en général, le compromis n'en vaut pas la peine car les traitements chimiques pour aider à traiter l'eau difficile progressent rapidement.

Les quatre principaux problèmes de qualité de l'eau auxquels les générateurs électriques sont confrontés pour maintenir leurs tours en parfait état de fonctionnement sont la corrosion, l'entartrage, l'encrassement et l'activité microbiologique.

La corrosion se produit lorsque les produits chimiques présents dans l'eau rongent les composants de la tour de refroidissement. Cela peut entraîner une perte de transfert de chaleur et, à son tour, une efficacité réduite. La corrosion peut également entraîner une défaillance de l'équipement, qui à son tour peut entraîner des temps d'arrêt de l'usine et des coûts de remplacement de l'équipement.

L'entartrage est l'accumulation de minéraux dissous sur l'équipement. Cela peut également entraîner une réduction de la capacité d'échange de chaleur du système car le tartre peut agir comme isolant, ce qui rend beaucoup plus difficile le refroidissement efficace du système.

Semblable à l'entartrage, l'encrassement est l'accumulation de particules en suspension. Bien que l'entartrage soit limité aux minéraux, l'encrassement s'applique à tout, des matières organiques aux huiles. Au mieux, l'encrassement inhibe le transfert de chaleur de la même manière que le tartre, en agissant comme un isolant. Au pire, l'encrassement peut boucher complètement le remplissage, réduisant les zones d'évaporation du système, portant un coup à l'efficacité du système.

Enfin, l'activité microbiologique fait référence à l'impact que tout micro-organisme vivant dans le système a sur la plante. Le micro-organisme peut être en suspension dans l'eau ou peut se développer sur les surfaces de l'équipement de la tour de refroidissement, entraînant à nouveau un transfert de chaleur réduit en raison de l'isolation et du blocage du matériau de remplissage.

Les tours de refroidissement utilisent d'énormes quantités d'eau, il n'est donc pas surprenant que les municipalités et les États aient dans de nombreux cas délégué la plus faible qualité des ressources à l'utilisation par les générateurs d'électricité. En 2010, les prélèvements d'eau pour l'énergie thermoélectrique représentaient 45 % du total des prélèvements aux États-Unis, selon le plus récent rapport national sur l'utilisation de l'eau de l'US Geologic Survey. Cependant, la consommation d'eau pour la production d'énergie thermoélectrique est en baisse (figure 1), note le rapport. Entre 2005 et 2010, les prélèvements d'eau dans cette catégorie ont diminué de 20 %.

Pour préserver les eaux douces, certaines régions du pays ont besoin de tours de refroidissement pour utiliser les eaux grises municipales ou pour cycler davantage leurs tours (voir "L'eau récupérée réduit le stress sur les approvisionnements en eau douce" dans ce numéro de POWER). Ce fut le cas pour un client de GE Water & Process Technologies.

"On a demandé à nos clients d'utiliser les eaux grises municipales. Il s'agit des eaux usées d'une usine municipale. Lorsqu'ils ont été zonés et démarrés, ils ne pouvaient pas utiliser l'eau douce de la rivière ou du lac, et ce sont des eaux très difficiles à traiter." Peter Macios, chef de produit exécutif pour la société, a déclaré.

GE Water & Process Technologies propose une large gamme d'options de traitement chimique et d'équipement personnalisables pour les générateurs traitant des eaux difficiles. "Nous avons pu développer et concevoir des programmes qui ont permis à nos clients de fonctionner aussi efficacement [que possible] avec l'utilisation de cette eau et d'annuler tous les effets sur… les contrôles microbiologiques, la disposition et la corrosion", a déclaré Macios.

Le traitement chimique de l'eau des tours de refroidissement est un exercice d'équilibre complexe. Malheureusement, de nombreux traitements chimiques pour résoudre un problème ont un impact négatif sur les traitements chimiques pour en résoudre un autre. Heureusement, GE pense avoir trouvé le bon équilibre en développant des traitements chimiques qui n'interagissent pas de manière négative.

"Avec les programmes traditionnels, lorsque vous définissez un biocide ou un contrôle microbiologique, cela dégrade toujours l'inhibition de la corrosion et le contrôle des dépôts", a déclaré Macios. "En d'autres termes, les programmes sont toujours en contradiction les uns avec les autres. Chez GE, nous sommes en mesure de contrôler à la fois le contrôle des dépôts microbiologiques et la corrosion sans affecter aucun des programmes."

La technologie de traitement de l'eau GenGard de GE fonctionne sur tout le spectre de pH pour inhiber la corrosion, tandis que l'agent de contrôle microbiologique Spectrus de GE maintient les espèces microbiennes, y compris les bactéries, les algues, les levures et les champignons, sous contrôle. Contrairement à d'autres options de traitement chimique, les deux technologies peuvent être utilisées ensemble. "La beauté du programme est qu'ils sont synergiques. L'oxydant [Spectrus] ne dégrade pas le programme GenGard. Spectrus n'a pas d'effet sur le GenGard", a déclaré Macios.

Même lorsque le remplissage d'une tour de refroidissement est propre et fonctionne efficacement, des inefficacités peuvent encore se cacher. Un problème d'efficacité qui reçoit souvent peu d'attention est la performance des buses de pulvérisation au sommet de la tour.

Il est généralement admis qu'un jet d'eau va prendre la forme d'un parapluie, ce qui donne un motif de jet circulaire. Le problème avec cela est qu'il est difficile d'aligner des cercles pour répartir uniformément l'eau sur une surface. Si les cercles sont alignés pour se toucher, des zones entières du support de remplissage restent sèches.

Pour résoudre ce problème, les concepteurs de tours rapprochent les buses, chevauchant le jet. Cependant, ce plan d'action se traduit toujours par une distribution inégale de l'eau, inondant le matériau de remblai dans les zones de chevauchement. Lorsqu'une partie du remblai est inondée, l'air ne peut pas circuler, ce qui réduit l'efficacité de l'usine.

"La qualité du mélange air-eau détermine l'efficacité de ce transfert de chaleur. Bien sûr, je pense que l'industrie le sait depuis toujours", a déclaré Howard Curtis, inventeur de la buse à débit variable de Curtis Technologies (VFN, figure 2).

Le VFN de Curtis permet une distribution uniforme de l'eau et, par conséquent, une meilleure efficacité de refroidissement. "Nous avons développé une buse qui produit un motif d'eau carré, et elle est hydrauliquement équilibrée, nous obtenons donc un meilleur équilibre de l'eau sur le milieu de remplissage, ce qui signifie que vous obtiendrez un meilleur contact air-eau", a déclaré Curtis. "La chose la plus économique que vous puissiez faire est de changer vos buses pour apporter parfois 10% ou plus d'efficacité thermique."

Un autre équipement qui est souvent négligé dans la recherche de fruits à portée de main est le ventilateur de la tour de refroidissement, a déclaré Dwyer. "La partie importante du transfert de chaleur est le mouvement de l'air à travers le matériau de remplissage", a-t-il déclaré. "Si vous pouvez augmenter votre flux d'air à travers les médias, cela a un impact très direct sur le transfert de chaleur. Ainsi, plus il y a d'air, plus il y a de refroidissement, plus il y a de refroidissement, plus c'est efficace. Si vous pouvez prendre un vieux ventilateur qui n'est pas très efficace et mettez un design plus moderne là-dedans, vous devriez pouvoir augmenter votre débit d'air et avec votre débit d'air accru avoir un meilleur refroidissement et une meilleure efficacité."

Comme pour la plupart des choses dans la vie, la première étape pour résoudre un problème d'efficacité d'une tour de refroidissement consiste à identifier où se situe le problème. Lorsqu'un groupe électrogène ressent les effets d'une tour de refroidissement inefficace, il est essentiel d'identifier rapidement et avec précision la source du problème pour élaborer un plan d'action efficace.

C'est là qu'interviennent des entreprises comme Quantum Technical Services. L'entreprise propose une étude d'efficacité de la tour de refroidissement réalisée pendant les périodes de pointe afin de déterminer l'état de fonctionnement thermique de la tour de refroidissement. Un tel audit étudie le débit d'air et d'eau de l'unité, une évaluation de la zone de transfert de chaleur et des analyses thermiques infrarouges de la tour pour identifier tout problème potentiel.

Lorsque cela est possible, l'entreprise essaie également de prendre en compte la conception originale de la tour pour déterminer si elle fonctionne comme prévu. "Je pense que c'est la meilleure chose à faire", a déclaré Paul Chila, consultant en ingénierie chez Quantum Technical Services. "Lorsque [la tour] a été construite, elle a été conçue pour fonctionner avec un certain pourcentage d'efficacité. Ce que nous faisons, chaque fois que je le peux, essaie de déterrer ces anciennes feuilles de conception, et une fois que nous avons notre image en place, comparez l'efficacité mesurée par rapport à quelle était la conception pour leur faire savoir où ils en sont et nous comparons tout sur les fiches techniques."

La prise en compte des spécifications de conception d'origine d'une tour permet à l'entreprise de déterminer d'abord si l'usine fonctionne comme il se doit, avant de déterminer dans quelle mesure elle pourrait fonctionner. "Nous en avons eu un assez récemment où… ils étaient si loin des spécifications sur le débit fourni à la tour que nous leur avons dit, vous devez d'abord résoudre ce problème, puis nous pourrons revenir et réévaluer la tour", a déclaré Chila. . "Cela peut être un processus où vous devez dire, vous devez résoudre ce problème, c'est un facteur important."

Pour les tours à contre-courant, la technologie GamaScan de la société peut offrir une image utile de ce qui se passe à l'intérieur du matériau de remplissage. "GamaScan examine littéralement le remplissage et nous donne un profil de densité", a déclaré Chila. "A partir de là, nous pouvons dire si le remplissage du film est encrassé et s'il est encrassé de manière assez uniforme dans toute la cellule. Cela seul, juste par la quantité d'encrassement que nous avons la capacité de mesurer, cela va évidemment affecter l'efficacité de comment cette tour fonctionne."

L'évaluation régulière des performances de la tour de refroidissement, quel que soit l'ancien ou le nouveau matériel, permet à l'opérateur de déterminer si ses programmes de traitement fonctionnent. "J'en ai pas mal qui sont du style le plus récent - avec le remplissage du film - qui ont été construits au cours des deux ou trois dernières années, et ils nous ont juste fait sortir et ont dit:" Venez chercher la ligne de base ", a déclaré Chila. . L'établissement d'une telle ligne de base permet à un opérateur de déterminer plus facilement si sa tour commence à traîner.

GE propose également une maintenance et un suivi réguliers de ses programmes de traitement. Grâce à un système de surveillance de l'eau appelé InSight, GE peut suivre en temps réel ce qui se passe à l'intérieur de la tour de refroidissement d'un client. Le produit permet aux clients de réagir rapidement à tout problème pouvant survenir. Avant qu'une telle technologie de suivi en temps réel ne soit disponible, les opérateurs étaient obligés d'être réactifs au lieu d'être proactifs lorsque des problèmes menaçaient l'efficacité de leur tour. "Si vous y réfléchissez, lorsque vous le faites manuellement, c'est toujours un regard dans le rétroviseur. Vous obtenez les données, vous les évaluez et elles sont déjà passées", a déclaré Macios. "L'idée est la suivante : puis-je extraire les données, exécuter l'analyse et savoir ce qui se passe dans mon système maintenant ?"

Bien qu'il existe de nombreuses options pour mettre à niveau les tours de refroidissement afin d'améliorer l'efficacité, à un moment donné, il sera peut-être temps d'échanger votre flux croisé de 1975 contre un nouveau modèle à contre-courant brillant. Remplacer les tours de refroidissement n'est pas une décision prise à la légère, bien sûr, mais si une tour devient si dégradée ou inefficace que le générateur risque d'être mis hors ligne ou pire, de subir un effondrement, les avantages peuvent l'emporter sur les inconvénients.

Bien que la technologie et la conception des tours de refroidissement se soient considérablement améliorées au cours des dernières années, de nombreux générateurs ont choisi de mettre à niveau leurs anciennes tours au lieu de repartir de zéro. "Il y a des milliers de cellules de tour de refroidissement qui ont été construites dans les années 60 et 70 qui étaient une tour de refroidissement de style plus ancien, principalement une tour de refroidissement à flux croisé avec remplissage par éclaboussures", a déclaré Dwyer.

Remplacer une tour de refroidissement ne signifie pas toujours tout remplacer à partir de zéro. Il est possible de vider une tour à flux croisés et de la convertir en unité à contre-courant. "Cela peut être un peu difficile, car il est parfois difficile d'installer la tour de refroidissement à contre-courant dans la même empreinte, et vous devez faire un tas de modifications de tuyauterie, mais même si vous aviez une ancienne tour de refroidissement à contre-courant, vous pouvez remplacer le remplir… avec un support de transfert de chaleur plus moderne », a déclaré Dwyer.

Cependant, s'il devient clair pour un générateur que son ancienne tour de refroidissement inefficace doit disparaître, les options de remplacement ne sont plus aussi contraignantes qu'auparavant. SPX propose une gamme de tours de refroidissement assemblées en usine qui peuvent être expédiées en grande partie complètes sur un site. La plus petite ligne, la NC Everest (Figure 3), peut être expédiée n'importe où dans le pays en quelques pièces seulement. Une fois que la tour arrive sur le site, elle est boulonnée avec un minimum d'assemblage sur le terrain requis. "Ces six grandes pièces s'assemblent sur le terrain en quelques heures. Ce que nous avons essentiellement fait, c'est déplacer la longue durée de l'assemblage sur le terrain dans un environnement d'usine", a expliqué Dwyer.

SPX propose également une version plus grande de sa tour de refroidissement assemblée en usine, la F400 (Figure 4). En raison de la plus grande taille de la tour, cependant, l'expédition des pièces assemblées en usine devient rapidement coûteuse.

La décision de mettre à niveau ou de remplacer se résume généralement à des dollars et des cents. "S'il en coûte 10 000 $ pour réparer votre voiture et que cela ne durera que deux ans de plus, vous déciderez probablement d'aller de l'avant et d'acheter une nouvelle voiture pour 15 000 $", a déclaré Dwyer. La même méthodologie peut souvent être utilisée lors de l'évaluation des choix de tours de refroidissement. ■

—Abby L. Harvey est une journaliste de POWER.

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