Pertes de vapeur Sur les traces de la vapeur : des pertes non détectées font grimper la consommation d'énergie

Les systèmes à vapeur peuvent sembler fonctionner sans problème, mais entraîner en réalité des coûts élevés en arrière-plan. Ainsi, les pertes de vapeur cachées augmentent les besoins en chaudière et transforment rapidement la maintenance planifiée en réparations réactives. Les exploitants devraient donc examiner d'un œil critique leurs pratiques de surveillance ainsi que les causes des dysfonctionnements.

Même de petites perturbations telles que les pertes de vapeur peuvent, si elles se produisent de manière répétée, nuire considérablement à la fiabilité d’un système de vapeur et réduire sensiblement son efficacité énergétique au fil du temps. Comme elles n’ont pas toujours un impact immédiat sur la production, ces pertes passent souvent inaperçues ou sont ignorées. Leur effet s’accumule toutefois : si les causes ne sont pas éliminées, cela entraîne des pertes d’énergie durables, une usure plus rapide des canalisations et des composants de l’installation, ainsi qu’une augmentation des coûts d’exploitation.

L'une des causes les plus fréquentes de pertes de vapeur est la défaillance des purgeurs de condensat. Dans le cas des purgeurs mécaniques, deux types de défaillance sont particulièrement critiques : la défaillance en position ouverte et la défaillance en position fermée.

« Les purgeurs de condensats mécaniques ont une durée de vie prévue de quatre ans. Toutefois, en l’absence d’un programme annuel proactif de maintenance préventive, on peut estimer qu’environ 25 % des purgeurs de condensats d’une installation sont en panne : dans les systèmes non contrôlés, ils sont alors soit ouverts, soit fermés, mais hors service », explique Nigel Egginton, directeur général d’EBE Engineering.

Des pertes invisibles, des effets tangibles : fuites de vapeur et courants d'air

Lorsqu'un purgeur de condensats est resté ouvert (phénomène également appelé « purge à l'air »), de la vapeur fraîche s'écoule en continu à travers le purgeur vers le système de recyclage des condensats. La chaudière doit compenser la perte de vapeur, ce qui entraîne une augmentation des besoins en vapeur ainsi que de la consommation de combustible. Cependant, cet état de défaillance ouverte n'entraîne que rarement un écoulement visible ou un arrêt immédiat de la production. Contrairement à une fuite de vapeur, où la vapeur s'échappe d'une canalisation vers l'atmosphère, les purgeurs de condensats défaillants en mode ouvert évacuent la vapeur vers des systèmes fermés. Les pertes ne sont donc pas visibles. À cela s’ajoute le fait que les purgeurs sont souvent situés à des endroits difficiles d’accès. La perte de vapeur n’est donc souvent constatée qu’à l’occasion d’un contrôle ciblé.

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Lorsqu'un purgeur de condensat tombe en panne alors qu'il est en position fermée, le condensat n'est plus évacué correctement. Il peut alors s'accumuler dans les échangeurs de chaleur, les installations de process ou les conduites de vapeur. Le transfert thermique s'en trouve altéré, la puissance de chauffage diminue et la température du processus peut devenir instable. Selon l'application, cela peut entraîner une augmentation de la durée du processus et nuire au rendement de production ainsi qu'à la qualité du produit. De plus, l'accumulation de condensat complique la régulation de la température.

« Étant donné que le système continue souvent à fournir de la chaleur et de la vapeur malgré des purgeurs mécaniques défectueux, les exploitants peuvent facilement passer à côté du problème et penser qu’il n’y a pas lieu d’intervenir tant qu’il n’y a pas de dégâts », met en garde Nigel Egginton.

Cependant, ces deux types de défaillance peuvent avoir des conséquences graves. Parmi celles-ci figurent notamment les coups de bélier. Les à-coups de pression qui en résultent endommagent les canalisations, les raccords ou les vannes et augmentent le risque de fuites et de dommages structurels.

Taux de pannes : usure normale ou signe d'alerte ?

Dans le cadre de la maintenance conventionnelle, les purgeurs de condensat sont souvent considérés comme des pièces d'usure en raison des conditions de fonctionnement extrêmes auxquelles ils sont soumis. Alors que le boîtier d'un purgeur de condensat a souvent une durée de vie aussi longue que celle de la tuyauterie, les mécanismes internes, tels que les clapets et les sièges de clapet, sont conçus pour être démontés et remplacés. Selon Nigel Egginton, les exploitants devraient toutefois « s'interroger sur la fréquence de cette usure et l'étudier, en particulier lorsqu'une défaillance survient prématurément ».

Les documentations des fabricants de purgeurs de condensats mécaniques font état de taux de défaillance annuels pouvant atteindre 10 %. Heureusement, dans la pratique, la plupart des installations ne présentent pas un taux de défaillance de 10 %. Les installations dans lesquelles aucun contrôle régulier n’est effectué constituent généralement une exception : dans ces cas-là, entre 15 et 30 % de tous les purgeurs de condensats mécaniques installés, voire davantage, peuvent tomber en panne chaque année. Certains modèles présentent parfois des taux de défaillance encore plus élevés. Ainsi, on observe parfois des valeurs avoisinant les 40 % pour les purgeurs de condensats thermodynamiques.

Pourquoi les petites pannes deviennent un problème de maintenance

Un nombre élevé de purgeurs de condensat augmente les efforts de maintenance et peut conduire une entreprise à passer d’une maintenance préventive à une maintenance réactive. « Dans ce mode de fonctionnement, les réparations sont souvent effectuées dans l’urgence, sont moins efficaces et entraînent des coûts plus élevés », explique Nigel Egginton. Il ajoute : « Continuer à exploiter les installations jusqu’à la panne entraîne un cycle continu de réparations d’urgence, dans lequel les dysfonctionnements ne sont résolus qu’après avoir déjà affecté les performances ou causé des dommages. »

Des taux de défaillance élevés sont parfois tolérés, car ils sont considérés comme une « charge fantôme ». Il s'agit là d'un besoin supplémentaire caché et accepté du système de chaudière, qui est considéré comme faisant partie du fonctionnement normal. Si tous les purgeurs de condensats défaillants sont remis en état, il peut s’avérer que la puissance actuelle de la chaudière soit supérieure à celle requise pour la charge réelle du système. On produit donc plus de vapeur que nécessaire pour compenser la charge supplémentaire générée par les pertes au niveau des purgeurs de condensats mécaniques. En revanche, le remplacement d’un nombre limité de purgeurs est souvent considéré comme une simple dépense d’entretien annuelle de faible priorité.

Les taux de défaillance pouvant être considérables, notamment dans les systèmes négligés, de nombreuses installations nécessitent des contrôles annuels, trimestriels, voire continus, par exemple au moyen d'un contrôle par ultrasons ou par imagerie thermique. Cela impose une charge supplémentaire aux équipes de maintenance et mobilise des ressources humaines et matérielles.

Les coûts réels vont bien au-delà de la vapeur perdue

Certaines entreprises considèrent encore les contrôles réguliers des purgeurs de condensat comme un facteur de coût gênant et non comme une mesure de maintenance préventive offrant un potentiel d'économies évident. Or, les coûts réels d’une panne sont souvent plus élevés qu’on ne le pense au premier abord : les exploitants ne calculent généralement que les coûts directs liés à la fuite de vapeur. En revanche, les coûts cachés importants, tels que les inefficacités opérationnelles, l’accélération de la détérioration des installations et l’augmentation des frais de maintenance, ne sont pas toujours pris en compte.

Dans ce contexte, la plupart des exploitants d'installations à vapeur disposent de stocks importants de pièces de rechange ou de purgeurs de condensat mécaniques complets. Les coûts liés à ces stocks et les charges administratives qui en découlent, notamment la gestion des stocks, les achats et le contrôle physique des entrepôts, sont rarement remis en question dans le cadre des coûts d'exploitation globaux. Dans certains cas, cela peut entraîner une augmentation de 20 à 30 % des coûts d'exploitation liés aux systèmes à vapeur.

Comme les contrôles n'ont souvent lieu qu'une fois par an, un purgeur de condensats qui tombe en panne immédiatement après une inspection peut laisser s'échapper de la vapeur vive pendant jusqu'à douze mois avant que le défaut ne soit détecté. Les conséquences financières peuvent donc être considérables. Un seul purgeur de condensat resté ouvert, avec une ouverture de 3 millimètres, peut entraîner des coûts annuels supérieurs à 6 000 euros. Dans certaines applications industrielles, ces coûts peuvent même dépasser 10 000 euros par an et par purgeur de condensat.

« Lorsque l’on ajoute aux pertes d’énergie l’usure prématurée des composants en aval de l’installation, des coûts de maintenance plus élevés et un important déploiement de personnel, les défaillances non détectées des purgeurs de condensat comptent parmi les problèmes de maintenance les plus coûteux dans un système à vapeur », met en garde Nigel Egginton.

Le principe de conception à l'origine des pannes récurrentes

« Ces défaillances sont presque exclusivement liées à la conception, car les purgeurs mécaniques fonctionnent selon un principe de purge « physique », contrairement à d'autres systèmes qui reposent sur des principes « statiques » ou « thermodynamiques », explique Nigel Egginton.

Selon lui, un meilleur contrôle ne résout pas le problème, mais contribue simplement à en limiter les conséquences. Les exploitants doivent continuer à réparer ou à remplacer les purgeurs de condensats mécaniques et, en outre, assurer l'entretien du système de contrôle lui-même.

« La seule solution durable aux problèmes liés aux purgeurs de condensats consiste à supprimer complètement les purgeurs mécaniques du système. Cela permet également d’éviter toutes les mesures d’accompagnement nécessaires à l’entretien de ces purgeurs », explique Nigel Egginton.

Selon Egginton, l'alternative consiste à utiliser des purgeurs de condensat à buse Venturi ne nécessitant aucun entretien. La technologie Venturi modifie le principe de conception en supprimant les pièces mobiles et en évacuant le condensat en continu. Le passage des purgeurs mécaniques à une évacuation continue du condensat peut donc améliorer considérablement la fiabilité et la durée de vie.