Efficacité des turbosoufflantes et conformité harmonique dans une usine de traitement des eaux usées municipale — Mirus International

01 Contexte opérationnel: L'audit énergétique entraîne un changement technologique dans le domaine des ventilateurs

Les villes du sud de San Francisco et de San Bruno exploitent conjointement une usine de contrôle de la qualité de l'eau (PCQW) — une installation municipale de traitement des eaux usées desservant les deux communautés. Faire face à des pressions pour réduire la consommation d’énergie et les coûts d’exploitation, le WQCP a commandé un audit énergétique pour identifier où l'énergie électrique était consommée et où les améliorations d'efficacité apporteraient le plus grand retour.[1]

Le résultat de l'audit était sans ambiguïté: les ventilateurs d'aération consommaient plus d'énergie électrique que tout autre système de l'usine. L'aération est le processus consistant à forcer l'air dans les réservoirs de traitement biologique pour soutenir les bactéries aérobies qui décomposent les déchets organiques. C'est le cœur du processus de traitement biologique., et ça tourne continuellement. Dans une station d’épuration municipale typique, l'aération représente 50 à 70 % de la consommation totale d'énergie électrique de l'usine. L’amélioration de l’efficacité du ventilateur est la mesure énergétique la plus efficace disponible.

La politique environnementale agressive de la Californie constitue une incitation supplémentaire: les programmes publics offrent des incitations financières pour les investissements dans l’efficacité énergétique qui réduisent les émissions. La combinaison des économies d’énergie, réduction des coûts opérationnels, et les incitations disponibles ont rendu l'analyse de rentabilisation convaincante en faveur du remplacement du ventilateur..[1]

Figue. 1. Vue aérienne du sud de San Francisco / Usine de contrôle de la qualité de l’eau de San Bruno. Les réservoirs d'aération circulaires dominent l'empreinte de l'installation : l'aération constitue la plus grande charge électrique de l'usine.. Source: Mirus International.[1]

1.1 La technologie du turbo-soufflante

Le WQCP a sélectionné le surpresseur APG-Neuros Air Turbo, une technologie dérivée des turbomachines de l'aérospatiale et de la défense plutôt que de la conception de surpresseurs industriels conventionnels.. Les avantages en termes de performances par rapport aux surpresseurs centrifuges et volumétriques classiques sont substantiels: au moins 40% amélioration de l'efficacité énergétique et 50% réduction de l’empreinte physique. APG-Neuros est le leader reconnu du marché nord-américain des systèmes de surpresseurs turbo pour le traitement des eaux usées.[1]

Le turbo souffleur fonctionne à vitesse variable, contrôlé par un VFD, pour adapter précisément le débit d'air à la demande du processus biologique. Le fonctionnement à vitesse variable est ce qui génère des économies d'énergie : le ventilateur ralentit lorsqu'une aération moindre est nécessaire et accélère lorsque la demande augmente., plutôt que de fonctionner à vitesse fixe et de limiter mécaniquement le débit d'air. Il s'agit du même principe d'efficacité qui rend les VFD précieux dans toutes les applications de pompes et de ventilateurs à couple variable..

02 ITDD contre. THDi: La métrique correcte pour les charges à vitesse variable

Le cahier des charges du projet prévoyait une distorsion totale de la demande actuelle (ITDD) au-dessous 5% - pas THDi. Cette distinction est importante et mérite d'être comprise, parce que l'IEEE 519 utilise ITDD comme mesure harmonique de courant principale au point de couplage commun, et les deux mesures se comportent très différemment à faible charge.[2]

2.1 THDi - un pourcentage du fondamental

THDi exprime le courant harmonique en pourcentage du courant de fréquence fondamentale au moment de la mesure. À faible charge, le courant fondamental est petit. Les courants harmoniques, bien que petit en termes absolus, représentent une grande fraction d'un petit fondamental - produisant un THDi élevé. Un VFD à 25% la charge peut afficher 35 à 40 % de THDi alors que l'amplitude absolue du courant harmonique est bien inférieure à celle à pleine charge. Le THDi seul peut donner l'impression qu'un disque légèrement chargé présente un problème d'harmoniques pire qu'un disque fortement chargé..

2.2 ITDD - un pourcentage du courant nominal nominal

L'ITDD exprime le courant harmonique en pourcentage du courant de charge nominal (le courant à pleine charge pour lequel l'équipement est conçu) plutôt que le courant fondamental instantané.. Ce dénominateur est fixe, non variable. Le résultat est une métrique qui évolue avec l'impact harmonique réel: à faible charge, les courants harmoniques et l'ITDD sont faibles; à pleine charge, les deux sont à leur maximum. ITDD suit la charge harmonique réelle sur le réseau d'une manière que THDi ne fait pas.[2]

03 Une solution tripartite: APG Névrose, Concepts de qualité de l’énergie, et Mirus

3.1 Le défi de l’emballage

APG Névrose’ Le système de surpresseur turbo est fourni sous la forme d'un ensemble intégré compact — surpresseur, moteur, VFD, et commandes dans un seul boîtier. La 50% L'avantage en termes d'empreinte par rapport aux souffleurs conventionnels est un argument de vente clé, et tout filtre d'harmoniques ajouté au système devait s'adapter à l'enceinte existante sans compromettre cet avantage. Cela excluait les armoires de filtration encombrantes et nécessitait une étroite collaboration technique entre APG-Neuros et Mirus..[1]

3.2 Simulation et expertise locale

Power Quality Concepts — le représentant de Mirus International pour la région — a fourni l'expertise en matière d'atténuation des harmoniques pour le projet. Utiliser SOLV™, Mirus a exécuté plusieurs scénarios de simulation pour déterminer quel modèle et quelle configuration de Lineator répondraient aux exigences. 5% Spécification ITDD sur toute la plage de vitesse de fonctionnement du ventilateur. La simulation a identifié le modèle Lineator AUHF HP comme la bonne solution.[1]

L'ingénieur-conseil local chargé d'examiner le projet connaissait déjà la gamme de produits Lineator et a accepté le SOLV.™ résultats de simulation - mais des mesures sur le terrain ont été nécessaires après l'installation pour confirmer formellement la conformité. C'est la bonne approche d'ingénierie professionnelle: la simulation éclaire la conception, la mesure confirme la performance.

Figue. 2. Le Mirus Lineator AUHF HP installé dans le boîtier du système APG-Neuros Turbo Blower. L'équipe d'ingénierie de Mirus a collaboré avec APG-Neuros pour développer une solution d'emballage qui préservait l'encombrement compact du système. Source: Mirus International.[1]

3.3 Emballage intégré

L'équipe d'ingénierie de Mirus a travaillé directement avec les ingénieurs d'APG-Neuros pour développer une configuration de package Lineator qui s'insère dans le boîtier du système de suralimentation turbo.. Le résultat a été une solution de filtre d'harmoniques entièrement intégrée, invisible pour l'utilisateur final., maintenir l'encombrement compact du système, et offrant les performances harmoniques requises sur toute la plage de vitesse.[1]

04 Résultats: Les performances mesurées dépassent les prévisions et les spécifications

Des mesures sur le terrain ont été effectuées à différents niveaux de charge après l'installation pour confirmer formellement la conformité.. Les résultats ont dépassé à la fois le SOLV™ prédiction de simulation et spécification du projet:[1]

L'ITDD a été maintenu confortablement en dessous 5% sur toute la plage de vitesse de fonctionnement, pas seulement à pleine charge. THDv jamais dépassé 2.5% à tout point de fonctionnement. La 4.56% ITDD à pleine vitesse réellement amélioré par rapport au SOLV™ prédiction, cohérent avec le modèle observé dans d'autres études de cas Mirus où des hypothèses de simulation conservatrices produisent des résultats réels qui surpassent le modèle.

Figue. 3. Formes d'onde mesurées en fonctionnement à pleine charge (20 Janvier 2016). Haut: forme d'onde de tension, THDv = 2.15% — sinusoïde propre. Bas: forme d'onde actuelle, ITDD = 4.56% — quasi sinusoïdal avec une distorsion harmonique minimale. Source: Mirus International.[1]

05 La perspective de la qualité de l’énergie: Ce qu’illustre cette étude de cas

5.1 Un système connecté aux services publics – une classe de problèmes différente

Chaque étude de cas précédente de cette série impliquait un système insulaire alimenté par un générateur.. Le WQCP est la première application connectée aux services publics de la série. La conséquence harmonique est différente: avec alimentation électrique, L'impédance de la source est faible et la distorsion de tension d'un seul 350 Le lecteur HP est modeste. Le facteur de conformité ici n'est pas la stabilité du système ou la protection des équipements, mais l'IEEE. 519 limite de distorsion du courant au point de couplage commun, que le service public utilise pour protéger tous les autres clients du réseau partagé du courant harmonique injecté par cette charge.

C'est le contexte dans lequel l'IEEE 519 a été écrit: un service public au service de nombreux clients, établir des limites sur la quantité de courant harmonique qu'un client peut injecter dans le réseau partagé. L’obligation du WQCP selon l’IEEE 519 est de limiter son injection d’harmoniques – ITDD au PCC – à des niveaux qui ne dégradent pas significativement la qualité de l’énergie pour les clients voisins. La 5% La spécification ITDD dans les documents du projet reflète directement cette obligation.[2]

5.2 Filtrage des harmoniques dans le cadre de l'achat d'équipements

La caractéristique structurelle la plus importante de cette étude de cas est que le filtrage des harmoniques a été spécifié dans le cadre de l'achat de l'ensemble de ventilation et non comme une modernisation.. Le WQCP n'a pas acheté de turbocompresseur, installez-le, mesurer les harmoniques, puis ajoutez un filtre. Le cahier des charges du projet incluait dès le départ la limite ITDD, APG-Neuros était chargé de livrer un package intégré conforme, et Mirus a été engagé dès la phase de conception pour dimensionner et emballer le filtre avant qu'un équipement ne soit commandé..

C'est le bon modèle d'approvisionnement. Il aligne la responsabilité de la conformité des harmoniques avec la partie qui contrôle la source d'harmoniques – le fournisseur de l'équipement – ​​plutôt que de laisser cela comme un problème de site que l'ingénieur électricien de l'usine doit résoudre après l'installation.. Il permet également l'optimisation de l'emballage qui maintient le système dans son encombrement compact..

5.3 Le rôle du représentant Mirus local

Power Quality Concepts — le représentant local de Mirus — a dirigé le SOLV™ simulations qui ont défini la spécification du filtre et assuré l'interface technique entre APG-Neuros, l'ingénieur conseil, et Mirus’ équipe d'ingénierie. Il s'agit du modèle de distribution pour l'ingénierie appliquée de la qualité de l'énergie.: un fabricant avec une capacité de simulation et une profondeur de produit, représenté localement par un spécialiste qui comprend le service public régional, la communauté du génie-conseil, et les exigences spécifiques de l'application. La relation existante entre le représentant local et l’ingénieur-conseil – qui connaissait déjà le produit Lineator – a été un facteur déterminant dans l’efficacité du projet..

Ce modèle - profondeur technique du fabricant, connaissance des applications des représentants locaux, validation par un ingénieur-conseil par un tiers - est un modèle à noter pour quiconque crée un cabinet de conseil en qualité de l'énergie. Le rôle de représentant local est le lieu où vit la relation client.

Références

1. [1] Mirus International Inc., “Étude de cas: Projet de remplacement du turbocompresseur d'une usine de contrôle de la qualité de l'eau,” Étude de cas d'application, Brampton, Ontario, Canada. Disponible: mirusinternational.com
2. [2] IEEE Std 519-2022, “Norme IEEE pour le contrôle des harmoniques dans les systèmes d'alimentation électrique,” IEEE, New York, NY, 2022.