Application des soufflantes centrifuges à paliers à air aux économies d’énergie et à la réduction du bruit dans l’industrie cimentière
Wang Xinming (Weifang FuYuan Turbocharger Co., Ltd., Weifang, Shandong 261205)
Résumé :La soufflante centrifuge à paliers à air est une soufflante centrifuge d’un type nouveau, à haut rendement, économe en énergie et respectueuse de l’environnement. Cet article en présente la constitution et le principe de fonctionnement ; par rapport aux soufflantes classiques, elle offre économies d’énergie, faible bruit, absence d’huile, fonctionnement fiable, exploitation simple et longue durée de vie, sans système auxiliaire, avec une faible emprise au sol et peu de maintenance. Un cas réel de rénovation énergétique des soufflantes d’une cimenterie montre que, substituée au surpresseur Roots pour le transport du charbon pulvérisé et l’alimentation en air du four rotatif, le silo à farine crue et d’autres postes de production, la soufflante centrifuge à paliers à air apporte des économies d’énergie notables et une nette baisse du bruit.
Mots-clés : soufflante centrifuge à paliers à air, ciment, transport de matières, transport de gaz, consommation électrique, bruit.
Introduction :
Les soufflantes occupent une place importante dans la production du ciment. Dans le contexte actuel d’économies d’énergie et de réduction des émissions, de passage des anciens aux nouveaux moteurs de croissance et de généralisation de la production en heures décalées, les contraintes environnementales de l’industrie cimentière se durcissent et la baisse des consommations s’impose. En cimenterie, la consommation d’énergie des ventilateurs et soufflantes est considérable : environ 30 % à 35 % de la consommation totale. Bien maîtriser la consommation des soufflantes joue donc un rôle clé dans les économies d’énergie de la production. Les soufflantes classiques atteignent ici leurs limites ; la soufflante centrifuge à paliers à air ouvre une voie pour résoudre ce problème : elle supprime le multiplicateur à engrenages, l’accouplement, la lubrification, le ventilateur de refroidissement et les autres systèmes indispensables aux machines classiques, et fait appel à un moteur synchrone à aimants permanents haute vitesse, à des paliers aérodynamiques à feuilles, à une roue centrifuge à écoulement tridimensionnel et à la commande par variateur de fréquence. Sa vitesse s’ajuste aux besoins du procédé pour garantir un fonctionnement à haut rendement, ce qui réduit efficacement la consommation d’énergie, évite la pollution secondaire de l’environnement par le bruit, les vibrations et les huiles usagées, allège la maintenance et en diminue le coût. Cela revêt une importance pratique déterminante pour le développement de haute qualité de l’industrie cimentière et la compétitivité des cimentiers.
1 Présentation de la soufflante centrifuge à paliers à air
1.1 Principe
La soufflante centrifuge à paliers à air est une turbomachine à grande vitesse, de conception compacte intégrée et montée sur châssis (skid) ; elle met en œuvre des technologies clés : paliers aérodynamiques à feuilles, moteur synchrone à aimants permanents haute vitesse, roue centrifuge à écoulement tridimensionnel, commande par variateur de fréquence, mesure et surveillance. Son principe de base est le suivant : un moteur synchrone à aimants permanents haute vitesse, supporté par des paliers à air et piloté par un variateur de fréquence, entraîne directement une roue centrifuge coaxiale ; l’air est aspiré par l’entrée de la volute, mis en vitesse et en pression sous l’effet de la force centrifuge de la roue, puis refoulé par la sortie de la volute. La rotation continue de la roue assure une aspiration et un refoulement ininterrompus, d’où un soufflage continu. La commande performante par variateur de fréquence simplifie la stratégie de commande de la soufflante, rend son fonctionnement plus stable et élargit sa plage de réglage.
1.2 Constitution
(1) Paliers aérodynamiques à feuilles
Le palier aérodynamique à feuilles est un palier à air aérodynamique dont le support est constitué de feuilles élastiques. Avant le démarrage de la soufflante, le tourillon du rotor est en contact physique avec le palier ; au démarrage, le rotor se déplace par rapport au palier et sa rotation entraîne l’air, créant une pression qui écarte les feuilles du rotor ; sous l’effet aérodynamique, un film d’air complet se forme entre les feuilles et le rotor, et le palier sustente le rotor par ce champ de pression d’air. À grande vitesse, il n’existe aucun point de contact physique entre l’arbre et le palier ; aucune huile de lubrification n’est nécessaire et les pertes d’énergie sont extrêmement faibles. La surface des feuilles reçoit un revêtement solide haute température qui ne demande aucun entretien et autorise plus de 20 000 cycles marche-arrêt sans défaillance, soit 54,8 ans de service à raison d’un cycle par jour : c’est un palier semi-permanent.
(2) Moteur synchrone à aimants permanents haute vitesse
Le moteur fait appel à une technologie de moteur synchrone à aimants permanents de niveau mondial ; il est alimenté et régulé en vitesse par un variateur de fréquence performant. Sa vitesse peut atteindre 150 000 rpm et son rendement dépasse 97 % ; le rotor du moteur est relié directement à la roue, sans perte de transmission : le rendement de transmission peut atteindre 100 %.
(3) Roue centrifuge à écoulement tridimensionnel
La roue est de type semi-ouvert ; conçue selon la théorie de l’écoulement tridimensionnel et optimisée paramétriquement, elle offre un rendement élevé et une large plage de débit. Elle est réalisée en aluminium forgé à haute résistance et usinée sur centre d’usinage cinq axes, d’où une forte résistance à la déformation ; son rendement maximal au point de fonctionnement peut atteindre 85 % et sa durée de vie dépasse 30 ans.
(4) Commande par variateur de fréquence, mesure et surveillance
La soufflante est commandée par automate programmable (PLC) et par variation de vitesse à commande vectorielle sans capteur : le réglage de la fréquence commande la vitesse du moteur à aimants permanents, et donc le débit et la pression de refoulement de la soufflante, pour répondre à toutes les conditions de fonctionnement. Le système de commande intelligent anticipe le pompage et assure la commande locale ; l’équipement est doté d’un système de mesure et de surveillance qui permet la télésurveillance et la transmission des données.
1.3 Principaux avantages
(1) Rendement élevé et économies d’énergie
La soufflante centrifuge à paliers à air met en œuvre des technologies avancées : roue centrifuge à haut rendement, paliers aérodynamiques à feuilles sans contact et entraînement direct par moteur synchrone à aimants permanents haute vitesse. En fonctionnement, la vitesse du moteur s’ajuste automatiquement au débit demandé, ce qui garantit un haut rendement. L’économie d’énergie est de 20 % à 30 % par rapport au surpresseur Roots classique, de 15 % à 20 % par rapport à la soufflante centrifuge multiétagée classique et de 10 % à 15 % par rapport à la soufflante centrifuge mono-étagée à multiplicateur à engrenages.
(2) Absence de vibrations, faible bruit
Grâce aux paliers aérodynamiques, les pièces tournantes n’ont aucun contact avec le système mécanique : pas de frottement mécanique, un fonctionnement stable et sans vibrations ; le bruit de la machine complète à 1 m est inférieur à 80 dB et aucun dispositif d’isolation acoustique n’est nécessaire.
(3) Ni huile de lubrification ni entretien mécanique, maintenance aisée
Les paliers aérodynamiques et l’entraînement direct suppriment le multiplicateur complexe et les paliers lubrifiés à l’huile indispensables aux machines classiques. Le système n’a besoin d’aucun circuit de lubrification : ni huile ni entretien mécanique. La maintenance courante se limite au remplacement du filtre à air, ce qui réduit efficacement les coûts de maintenance de l’utilisateur.
(4) Forte intégration du système
La commande locale et le variateur de fréquence sont intégrés en un seul ensemble ; le pupitre de commande permet de paramétrer toutes les fonctions et de consulter les données de l’équipement : vitesse, température, pression, débit, puissance absorbée, etc. Filtre à haute efficacité, système de refroidissement, système anti-pompage, modes de protection en cas de coupure de courant imprévue et de défaut, écran tactile en temps réel : autant d’éléments qui facilitent la conduite tout en réduisant les incidents d’exploitation.
(5) Installation aisée
La machine complète adopte une conception compacte intégrée, montée sur châssis (skid) ; elle est peu encombrante, simple à installer et à exploiter.