Test de PAC industrielle

 

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LOGICIELS :

  • NI LabVIEW
  • Toolkit ModBus over Serial Lne
  • Toolkit ModBus over TCP

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L'objectif :

Mettre en place un banc de tests permettant de reproduire le fonctionnement d'un système de récupération et de valorisation d'énergie en milieu industriel.

La solution :

Développer un système de supervision avec LabVIEW, capable de piloter à distance différentes pompes à chaleur, de calculer et d'afficher en temps réel le diagramme enthalpique des pompes à chaleur sous test, et de sauvegarder l'ensemble des mesures pour une analyse différée.

 

Pompe à chaleur industrielle à haute température JCI avec un fluide frigorigène de type HFC - R245fa pour une production d’eau chaude à 100 °C

 

EDF, en tant que fournisseur d'énergie, contribue à la mise en œuvre de solutions d'efficacité énergétique pour permettre à ses clients industriels de réaliser des économies d'énergie. Dans ce contexte, EDF R&D axe ses recherches sur la pompe à chaleur industrielle haute et très haute température (PAC HT et THT) afin de valoriser l'énergie fatale contenue dans les effluents liquides à basse température. Cette énergie sera valorisée en la restituant à un niveau de température jusqu'à 140 °C, ce qui constitue un gisement d'économie d'énergie considérable pour les clients industriels.

Un regain d'intérêt pour la pompe à chaleur

Une PAC est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid vers le milieu le plus chaud, alors que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures.

En France, étant donné le faible coût de l'électricité et son faible taux d'émission de CO2, la PAC connaît un regain d'intérêt.

Aujourd'hui, les PAC disponibles sur le marché sont généralement dédiées à des besoins de climatisation et de chauffage à basse température. Les constructeurs capables d'offrir des produits qui conviennent à des conditions de fonctionnement industrielles ne sont pas nombreux (plusieurs MW, température supérieure à 80 °C).

Tester pour démontrer la pertinence industrielle des PAC HT (100 °C) ou THT (140 °C)

Aujourd'hui, les PAC industrielles standard ne permettent pas de fonctionner à des températures supérieures à 80 °C.

Le succès du développement technique de la PAC HT ou THT en termes de performances, de fiabilité et de coût nécessite de lancer des études expérimentales afin de démontrer la pertinence industrielle de cette technologie.

Pour cette raison, EDF développe, en partenariat avec différents constructeurs, des PAC destinées à vérifier la faisabilité et la robustesse des machines pour des températures allant de 80 à 140 °C.

Le système de récupération et de valorisation de l'énergie thermique, mis en œuvre par EDF, comprend :

- des échangeurs de chaleur
- des cuves de stockage
- des PAC HT et THT
- un circuit hydraulique (source froide) permettant de simuler les effluents rejetés par un site industriel jusqu'à 90 °C, avec un débit de 62 m3/h et une puissance de 450 kW
- un circuit hydraulique (source chaude) simulant le procédé industriel qui dissipe une puissance thermique de 750 kW jusqu'à 150 °C.

Une supervision à géométrie variable

Afin de conduire les campagnes d'essais à réaliser pour qualifier les PAC, EDF R&D a fait appel à la société SAPHIR pour développer et réaliser un programme de supervision permettant :

- la visualisation de l'ensemble des paramètres de fonctionnement du système de récupération et de valorisation de l'énergie thermique comprenant plusieurs PAC sous test
- le pilotage manuel ou automatique de l'ensemble des consignes au travers d'automates programmables
- la sauvegarde des essais de longue durée
- l'affichage instantané des cycles thermodynamiques (diagrammes de Mollier).

Visualisation en temps réel du diagramme enthalpique de la PAC sous test

L'architecture du programme permet d'accueillir facilement d'autres PAC qui pourront être supervisées de façon analogue aux premières PAC déjà validées.

Le système de supervision affiche les synoptiques de chacune des boucles du système ainsi que les principales valeurs de fonctionnement du système (mesures physiques, états des actionneurs, calculs thermodynamiques, bilans thermiques...).
Poste de pilotage double écran des essais sur le PAC haute température

Le système de double écran scinde les informations relatives à l'ensemble des boucles hydrauliques et à la PAC sous test. Les diagrammes enthalpiques, rafraîchis en temps réel, rendent compte très rapidement à l'exploitant de l'état de fonctionnement de la PAC sous test.

En un coup d'œil, nous pouvons vérifier l'état de fonctionnement d'un système complexe, même pour des régimes de fonctionnement transitoires. L'analyse des résultats expérimentaux est ainsi très aisée et permet une optimisation des paramètres d'exploitation.

Un pilotage automatique très simple

Grâce à un générateur de scénario graphique intégré à la supervision, l'exploitant peut piloter les différents paramètres (débits, consignes de pressions ou températures, mode de fonctionnement de la PAC sous test...) à sa guise.

Des tests de longues durées, s'approchant au mieux de la réalité d'une exploitation en milieu industriel, peuvent alors être effectués et répétés à volonté.

Un outil de tests fiable et des évolutions possibles

Basée sur le protocole Modbus (le plus utilisé ces 30 dernières années dans l'industrie), la communication avec les différents automates du système s'effectue à l'aide des add-on complémentaires à LabVIEW développés par SAPHIR et disponibles sur le LabVIEW Tool Network.

La robustesse de ces drivers se vérifie durant toutes les campagnes d'essais menées par EDF R&D.

Au fil de l'avancée du projet, c'est maintenant trois technologies de PAC HT ou THT que le programme de supervision est capable de piloter.

Le logiciel peut également acquérir, simultanément aux données en provenance des automates, des mesures en provenance d'un système NI CompactDAQ ou de tout autre matériel d'acquisition National Instruments.