Remodelage de réseaux d’échangeurs de chaleur : collecte de données avancée, diagnostic énergétique et flexibilité

Résumé :

Dans un contexte de transition énergétique et numérique, l’Usine du Futur se définit comme économe en énergie, mais aussi agile grâce à des moyens de production flexibles et reconfigurables. Conférer ces propriétés aux procédés existants est un challenge complexe qui induit souvent une réorganisation des unités. Dans ce cadre, la méthodologie RREFlex a pour objectif de proposer des solutions alternatives d’intégration énergétique à la fois viables, robustes et adaptables via le remodelage des réseaux d’échangeurs de chaleur déjà installés.

Contrairement à la conception initiale consistant à réaliser de manière conjointe la conception du procédé et du réseau d’échangeur de chaleur associé, l’exercice de remodelage d’unités existantes peut s’avérer sensiblement plus complexe. En effet, il s’inscrit souvent dans une démarche d’amélioration continue sur des installations ayant déjà connu au cours de leur vie des transformations pour faire face aux évolutions de la demande ou à de nouvelles contraintes environnementales. Aujourd’hui, nombre d’analyses de récupération énergétique sont réalisées sur les sites industriels mais celles-ci ne donnent pas nécessairement lieu à des réalisations concrètes. Les raisons le plus souvent invoquées sont d’ordre financières mais aussi, pratiques. En effet, les solutions proposées ne sont pas toujours réalistes d’un point de vue opérationnelle car elles tiennent rarement compte de la variabilité du procédé, soit due à des perturbations non maitrisées sur les températures et les débits, soit due à la présence de multiples points de fonctionnement (changement de campagne, évolution de la charge, etc.). De plus, ces solutions tiennent peu compte des contraintes spécifiques du site étudié (topologie des unités, compatibilité des courants, sécurité, etc.), la formulation a priori de ces dernières ne pouvant être exhaustive. L’outil RREFlex - outil Robuste pour la synthèse de Réseaux d’Echangeurs Flexibles - a été développée pour pallier autant que possible ces limites.

S’appuyant sur une analyse statistique des historiques de mesures remontés en salle de contrôle, un premier module - EDiFy : Enhanced Data collection for Flexibility analysis - permet de localiser et de caractériser les différents cas de marche des unités. Notamment, la valeur moyenne et la variance des données caractéristiques du procédé (températures, flux calorifiques) sont estimées pour chaque cas de marche. Ce jeu de données étant souvent incomplet, il est nécessaire d’avoir recours à un modèle de simulation du procédé pour le compléter et valider la cohérence des données mesurées pour chaque cas de marche potentiellement identifié.

Sur cette base, une seconde étape dédiée au diagnostic énergétique permet d’évaluer la pertinence des échangeurs de récupération déjà installés. Cette analyse permet d’identifier et de prioriser un ensemble de scenarii de remodelage considérés comme prometteurs. Chacun d’eux est défini par la liste des échangeurs à reconsidérer et un certain nombre de paramètres de configuration. Chaque scenario retenu est alors exploité pour la synthèse du réseau d’échangeurs associé. Cette étape s’appuie sur un modèle de programmation linéaire mixte multi-période (PLM) pour déterminer la nouvelle topologie du réseau d’échangeurs. Dans ce cadre, le modèle a évidemment la possibilité d’introduire de nouveaux échangeurs mais aussi de déplacer les échangeurs existants et conservés dans un scénario donné, tant qu’ils couplent la même paire de courant qu’initialement. Les réseaux obtenus sont donc adaptables aux différents cas de marche identifiés à la première étape et reconfigurable grâce à l’implantation de by-pass. Le panel de réseaux proposés est enfin évalué et classé au moyen d’indicateurs de performance, dont notamment la robustesse vis-à-vis de la variabilité du procédé. L’approche a été validée sur deux sites de dimension industrielle : un procédé de fabrication de MVC et un train de préchauffe de pétrole brut.