SOMMAIRE :
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SOMMAIRE : I.1 Introduction: ................................................................................................................................................6 I.2 Présentation générale de l’OCP : .................................................................................................................7 I.3 Historique et organisation de l’OCP : ...........................................................................................................7 I.3.1 Historique : ...............................................................................................................................................7 I.3.2 Organigramme du groupe : ......................................................................................................................8 I.3.3 Rôle économique :....................................................................................................................................8 I.4 Pôle chimie de Safi (PCS) : ............................................................................................................................9 I.5 Division Maroc Phosphore I : .................................................................................................................... 10 I.5.1 Atelier de production énergie : ............................................................................................................. 11 I.5.1.1 Centrale thermique : ..................................................................................................................... 11 I.5.1.2 Station de traitement des eaux douces (TED) : ............................................................................. 11 I.5.1.3 Station de pompage eau de mer : ................................................................................................. 11 I.5.2 Atelier de fusion et filtration du soufre (FFS): ....................................................................................... 11 I.5.3 Ateliers sulfuriques:............................................................................................................................... 12 I.5.4 Ateliers phosphoriques: ........................................................................................................................ 12 I.5.5 Service électrique de Maroc Phosphore I : ........................................................................................... 13 II.1 Introduction:.............................................................................................................................................. 15 II.2 Alimentation du réseau électrique de MPI : ............................................................................................. 15 II.2.1 Groupes turbo- alternateurs: ............................................................................................................ 15 II.2.2 Réseau ONE: ...................................................................................................................................... 15 II.2.3 Groupes électrogènes: ...................................................................................................................... 16 II.3 Structure interne du réseau électrique de MPI: ....................................................................................... 16 II.3.1 Réseau électrique Haute Tension:..................................................................................................... 16 II.3.2 Réseau électrique Moyenne Tension: ............................................................................................... 17 II.3.2.1 Jeu de barres 23EF21 : ...................................................................................................................... 17 II.3.2.2 Jeu de barres 23EF25 : ...................................................................................................................... 18 II.3.2.3 Jeu de barres 23EF27 :....................................................................................................................... 18 II.3.3 Réseau électrique Basse Tension : .................................................................................................... 19 II.4 Schéma unifilaire équivalent du réseau MPI : ................................................................................................. 21 III.1 Introduction : .................................................................................................................................................. 23 1 III.2 Généralités sur le délestage : ......................................................................................................................... 23 III.2.1 Définition : ............................................................................................................................................. 23 III.2.2 Critères de délestage : ........................................................................................................................... 23 III.2.2.1 Surcharges, cascades de surcharges : ............................................................................................. 24 III.2.2.2 Écroulements de tension : ............................................................................................................... 24 III.2.2.3 Variation de fréquence : .................................................................................................................. 24 III.3 Nécessité du maintien de la tension et de la fréquence: ............................................................................... 26 III.3.1 Tension : ................................................................................................................................................ 26 III.3.2 Fréquence: ............................................................................................................................................. 26 III.4 Réseau électrique de MPI :............................................................................................................................. 27 III.4.1 Turbo-alternateurs : .............................................................................................................................. 28 III.4.1.1 Fonction : ......................................................................................................................................... 28 III.4.1.2 Turbine: ........................................................................................................................................... 28 III.4.1.3 Réducteur: ....................................................................................................................................... 28 III.4.1.4 Alternateur: ..................................................................................................................................... 29 III.4.1.5 Excitatrice principale: ...................................................................................................................... 29 III.4.1.6 Excitatrice pilote: ............................................................................................................................. 29 III.4.2 Groupe diesel :....................................................................................................................................... 29 III.4.2.1 Fonction : ......................................................................................................................................... 29 III.4.3 Transformateur 63/6,3 KV : ................................................................................................................... 30 III.4.3.1 Fonction : ......................................................................................................................................... 30 III.4.3.2 Caractéristiques : ............................................................................................................................. 30 III.4.3.3 Poste de distribution : ..................................................................................................................... 30 III.5 Système de délestage existant : ................................................................................................................ 30 III.5.1 Description du système : ....................................................................................................................... 31 III.5.2 Inconvénients : ...................................................................................................................................... 31 III.6 Solution proposée : ................................................................................................................................... 31 III.6.1 Introduction :......................................................................................................................................... 31 III.6.2 Bilans énergétiques des ateliers à délester : ......................................................................................... 32 III.6.3 Priorités des ateliers : ............................................................................................................................ 34 III.6.4 Différents cas possibles : ....................................................................................................................... 34 III.6.4.1 Incident ONE :................................................................................................................................. 34 III.6.4.2 Disponibilité ONE: ......................................................................................................................... 35 III.6.5 GRAFCET de délestage :......................................................................................................................... 35 III.6.5.1 Introduction :.................................................................................................................................. 35 2 III.6.5.2 Domaine d'application du GRAFCET: ............................................................................................. 35 III.6.5.3 GRAFCET proposé pour le délestage en MPI:................................................................................. 36 III.6.5.4 Fonctionnement du système de délestage : .................................................................................... 38 Spécification de l’API du système de délestage : .............................................................................................. 39 Introduction : ................................................................................................................................................. 39 Constitution d’un automate programmable : ................................................................................................. 40 Critère de choix d’un automate programmable : ........................................................................................... 40 Identification des entrées/sorties du système : .............................................................................................. 41 III.7 Etude économique : ................................................................................................................................... 44 III.7.1 Calcul préliminaire des pertes : .......................................................................................................... 44 Devis estimatif du Projet ............................................................................................................................... 47 III.7.2 Etude de la rentabilité du projet ......................................................................................................... 48 Conclusion : ................................................................................................................................................... 52 CONCLUSION GENERAL ......................................................................................................................................... 53 3 INTRODUCTION GENERALE Vu la grande compétitivité dans le monde industriel, les entreprises sont appelées à améliorer la qualité de leurs produits et services par l’adoption d’une politique qui tient compte de l’évolution économique et technologique actuelle. Grâce au développement de l’électronique numérique, l’automatisation et l’informatisation deviennent de plus en plus des éléments stratégiques fondamentaux pour les industriels. En effet, le recours aux systèmes automatisés et informatisés offre aux entreprises des nouveaux outils pour le contrôle et la commande des processus de production. Ce qui permet à l’entreprise de répondre aux différentes exigences d’une manière optimale. Pour ces raisons, l’Office chérifien des phosphates représenté par sa division Maroc Phosphore I au pôle chimie de Safi, et conformément à son plan stratégique de développement ambitieux, continue à consolider ses actions d’ampleur pour renforcer son avantage concurrentiel et améliorer ses installations et ses ressources. Dans ce cadre, il a donné la priorité aux projets visant la rénovation de son outil de production et l’amélioration de ses performances et assurant la continuité de son service. En effet, Maroc Phosphore I s’est investi dans un programme ambitieux de rénovation de son outil de production. Ce programme s’est traduit par le lancement de plusieurs projets de développement (extensions des unités existantes) dont certains sont achevés et d’autres sont encore en cours d’exécution ou bien en phase d’étude. C’est dans cette perspective, qu’il m’a été proposé comme projet du stage d’évaluer l’impact de ces extensions sur le réseau électrique existant. En parallèle, il m’a été demandé de faire une étude détaillée d’un système de délestage existant visant à assurer une marche normale du complexe en fonction de la production et la demande en énergie électrique. Le présent rapport que j’ai réalisé dans le cadre de mon stage est composé des chapitres suivants : Chapitre 1: présentation de l’OCP et en particulier la division de Maroc Phosphore I. Chapitre 2: présentation de l’architecture actuelle du réseau électrique (HT, MT et BT) de MPI. Chapitre 3: étude du système de délestage existant et solution automatisée proposée ainsi que Son étude économique. 4 Chapitre 1 I. PRESENTATION DE L’ORGANISME D’ACCUEIL RESUME ‘‘Dans ce chapitre nous avons présenté l’office Chérifien des Phosphates d’une façon générale en donnant son historique et son rôle économique, Ensuite, nous avons enchainé par la présentation du Pôle Chimie de Safi puis celle de Maroc Phosphore I, (site dans lequel on a effectué notre stage) en énumérant ses différents ateliers et en décrivant leurs procédés de production. A la fin de ce chapitre on a donné les différentes sections qui constituent le service électrique de MPI.’’ 5 I.1 Introduction: Le phosphate est un minerai qui est soit d’origine sédimentaire telle le phosphate marocain ou d’origine volcanique. Il est surtout recherché pour l’élément chimique ’’Phosphore’’ qui rentre dans sa constitution minéralogique. Le phosphore constitue l’une des bases principales dans la nutrition des plantes et des êtres vivants. Le phosphate est utilisé dans des secteurs d’activités diversifiés : 85% sont destinés à la fabrication des engrais. 15% utilisés dans l’agroalimentaire, la fabrication des détergents, les industries pharmaceutiques, peinture, etc. Le Maroc possède 75% des réserves mondiales de phosphate réparties dans 4 bassins sédimentaires : Figure 1.1 : Sites de l’OCP au Maroc Bassin des Ouled Abdoun ; Bassin de Gantour ; Bassin de Meskala (n’est pas encore exploité) ; Bassin de Boucraa (Oued Eddahab). 6 La mission du groupe OCP consiste principalement à la production, la valorisation des phosphates minéraux, la transformation chimique à travers des filiales intégrées et la commercialisation des produits phosphatés et leurs produits dérivés. Par ses produits exportés aux cinq Continents, le groupe OCP contribue à la croissance du PIB marocain. Sa part du marché international des phosphates et de ses dérivés représente 30%. En 2003, ses principaux Clients sont : les Etats Unis, l’Espagne, le Mexique, l’Inde et la Belgique. Par contre ses concurrents sont certains producteurs tels que les Etats Unis, la Chine, la Tunisie, la Jordanie, etc. I.2 Présentation générale de l’OCP : Raison sociale : Groupe Office Chérifien des Phosphates. Siège social : Angle route d’El Jadida et Boulevard de la grande ceinture Casablanca, Maroc. Actionnariat : Etablissement public industriel et commercial doté de l’autonomie financière. Effectif : en 2006 : 19551 agents dont 4,3% des ingénieurs et assimilés, 25,40% de techniciens, agent de maîtrise et cadre administratif et 70,3% d’ouvriers et employés. I.3 Historique et organisation de l’OCP : I.3.1 Historique : Crée le 7 Août 1920, l’Office Chérifien des Phosphates n’a cessé de se développer en créant de nouveaux sites de production et de transformation dont voici les principales dates : 1921 : Extraction souterraine au pôle mine Khouribga. 1931 : Ouverture du centre minier de Youssoufia. 1952 : Mise en œuvre de l’extraction à découvert à Khouribga 1965 : Démarrage de Maroc chimie I qui fut la première unité de valorisation pour la fabrication d’acide phosphorique et d’engrais à Safi. 1975 : Création du groupe OCP intégrant les filiales. 1976 : Intégration d’un nouveau centre minier Phosboukrâa. 1976 : Démarrage de Maroc chimie II et Maroc Phosphore I. 1980 : Ouverture de la mine de Benguerir. 1981 : Démarrage de Maroc Phosphore II à Safi. 1986 : Démarrage du site de valorisation de phosphate à Jorf Lasfar (El Jadida). 1998 : Réalisation de l’usine EMAPHOS pour l’acide phosphorique purifié en partenariat avec la Belgique et l’Allemagne. 1999 : Réalisation de l’usine IMACID de fabrication d’acide phosphorique en partenariat avec l’Inde. 7 I.3.2 Organigramme du groupe : Figure 1.2 Organigramme du Groupe OCP I.3.3 Rôle économique : Le groupe OCP joue un rôle prépondérant dans l’économie marocaine : il en est le pilier. Il représente le tiers du commerce extérieur du Maroc et détient le tiers du commerce mondial des phosphates sous toutes leurs formes. Il produit 47% du marché de l’acide phosphorique et il est le troisième exportateur d’engrais. Il contribue largement au développement économique du pays puisqu’il assure le quart des recettes du Maroc généralement utilisées pour le paiement de ses redevances extérieures. De plus, il joue un rôle capital sur le plan socio-économique puisqu’il emploie environ 20000 personnes dans ses différents centres au Maroc. 8 I.4 Pôle chimie de Safi (PCS) : Les premières unités industrielles de transformation du Groupe OCP ont vu le jour en 1965 à la ville de Safi afin de lui permettre d’exporter non seulement le minerai à l’état brut, mais aussi sous forme de produits dérivés. Cette ville fut retenue dès le début comme lieu d’implantation de ce complexe chimique, et ce pour les raisons suivantes: Existence d’un port doté d’installations modernes de stockage et de manutention de phosphate. Existence d’une voie ferrée liant la ville de Safi à Youssoufia pour l’approvisionnement en phosphate. Existence d’une ligne électrique de 60kV. Décentralisation de l’activité relative au phosphate. La ville de Safi est située à proximité de l’océan qui favorise l’utilisation de l’eau de mer comme eau de refroidissement. La Direction Maroc Phosphore Safi englobe aujourd’hui toutes les unités industrielles du Groupe installées dans cette ville. Elle est structurée selon l’organigramme suivant : Figure 1.3 Organigramme de Maroc Phosphore Safi 9 I.5 Division Maroc Phosphore I : La Division Maroc Phosphore I a été construite en 1975 et a connu une extension en 1980. Elle comprend les ateliers suivants : Energie et fluides destinés à la production de l’énergie électrique et des différentes utilités nécessaires pour la marche des unités de production ; Ateliers sulfuriques destinés à la fabrication de l’acide sulfurique utilisé comme matière pour la fabrication de l’acide phosphorique ; Ateliers phosphoriques dessinés à la production de l’acide phosphorique ; Ateliers de fusion et de filtration du soufre. Elle a pour objet la production de : L’acide sulfurique (H2SO4) ; L’acide phosphorique (H3PO4). Elle est structurée selon l’organigramme qui suit : Figure 1.4 Organigramme de la Division Maroc Phosphore I 10 I.5.1 Atelier de production énergie : Cet atelier assure la production et la distribution de l’énergie électrique et de la vapeur pure aux autres ateliers. Il est constitué des unités de production suivantes : I.5.1.1 Centrale thermique : La centrale thermique dispose principalement de trois groupes turboalternateurs d’une puissance apparente de 18 MVA chacun. Elle dispose également de deux chaudières d’appoint à base de fuel. Elle produit les vapeurs suivantes : HP : haute pression (475°C, 58 bars) ; MP : moyenne pression (250°C, 8.5 bars) ; BP : basse pression (200°C, 4.5 bars). I.5.1.2 Station de traitement des eaux douces (TED) : Le TED est destiné au traitement de l’eau douce provenant du barrage pour qu’elle soit prête à être utilisée par la centrale thermique et les autres ateliers. Elle est composée d’une : Station d’épuration : qui effectue la décantation caractérisée par l’injection des additifs de traitement (Floculant, Sulfates d’aluminium et eau de javel) et la filtration caractérisée par l’utilisation des bassins munis des buses empêchant le passage du sable avec l’eau filtrée. Station de déminéralisation : qui est composée par des chaînes de déminéralisation qui enlèvent les minéraux néfastes pour la distribution et l’utilisation. I.5.1.3 Station de pompage eau de mer : Cette station de pompage permet d’alimenter les différents ateliers de production en eau de mer destinée au refroidissement des équipements. I.5.2 Atelier de fusion et filtration du soufre (FFS): La préparation du soufre fondu passe par quatre étapes principales à savoir : Déchargement du soufre solide. Fusion du soufre solide. Filtration du soufre liquide. Stockage du soufre liquide filtré. La station de stockage est constituée de cinq bacs de capacité unitaire 10 000 m³ et quatre bacs de 2 000 m³ chacun. 11 I.5.3 Ateliers sulfuriques: Les ateliers sulfuriques sont composés de 3 lignes : 2 anciennes: B, D de capacité nominale unitaire de 1500 TMH/J d’H2SO4 et une nouvelle ligne H qui produit 3410 TMH/J d’H2SO4. Les procédés de ces ateliers se basent sur les trois étapes suivantes : La combustion du soufre : Le soufre liquide filtré est acheminé aux brûleurs équipés par des buses assurant sa pulvérisation, tandis que l’air atmosphérique passe dans la séchante, là où il y’a passage de l’acide sulfurique venant du bac de circulation d’acide. Le soufre est brûlé suivant la réaction: S+O2 SO2 + 71kcal/mol Conversion de SO2 en SO3 : Le SO2 contenu dans le gaz se combine en présence du catalyseur V2O5 (penta oxyde de vanadium) avec une partie de l’oxygène restant pour former SO3 selon la réaction suivante: Absorption de SO3 : SO2 +1/2O2 SO3 + 32.5kcal/mol Les gaz riches en SO3 sont absorbés par l’eau pour former l’acide sulfurique H2SO4 : H2O+SO3H2SO4 Refroidissement et stockage: Pour baisser sa température, l’acide sulfurique produit est refroidi par l’eau de mer à l’aide des refroidisseurs. Les trois lignes sulfuriques présentent en plus de la production de l’acide sulfurique un avantage de production de la vapeur haute pression nécessaire pour l’entraînement des groupes turboalternateurs. I.5.4 Ateliers phosphoriques: Ils sont constitués de 4 lignes A, B, D et F dont le rôle est la production de l'acide phosphorique seulement. Les procédés utilisés sont ceux de NISSAN et RHONE-POULENC. Chaque ligne est constituée essentiellement des: Unités de broyages et tamisage du phosphate : qui assurent la fonction de présélection, broyage et stockage du phosphate broyé. 12 Unités d’attaque et filtration : qui assurent la réaction d’attaque effectuée dans une cuve et munie d’un agitateur centrale et huit agitateurs périphériques, en même temps elles assurent la filtration pour évacuer le gypse et avoir en fin le gâteau. Unités de concentration d’acide phosphorique – CAP : Elles sont conçues pour concentrer l’acide produit de 30% à 54% ou à 58% en poids de P2O5, par évaporation d’eau sous vide de 80mbars et une température de 80°C. Le débit d’acide produit est réglé en fonction de la densité demandée en maintenant la température d’acide dans le bouilleur entre 75 et 84°C. Unités de stockage : qui présentent une étape stratégique dans la fabrication d’acide phosphorique. Le procédé de stockage de l’acide englobe plusieurs opérations. Parmi ces opérations nous citons le refroidissement et le contrôle de qualité d’acide phosphorique produit assuré par l’échantillonnage et l’analyse chimique en laboratoire. I.5.5 Service électrique de Maroc Phosphore I : Le service électrique de Maroc Phosphore I occupe une place stratégique dans cette division car il s’occupe de l’entretien de tous les équipements électriques installés dans les différents ateliers du complexe. Il se compose de : Une section de dépannage. Une section d’entretien préventif et travaux neufs. Une section d’atelier électromécanique et rebobinage. Une section de bureau d’étude et préparation. Secrétariat. 13 Chapitre 2 II. PRESENTATION DU RESEAU ELECTRIQUE DE MPI RESUME ‘‘ Etant une industrie chimique évolutive, l’usine Maroc Phosphore I est dotée d’un réseau électrique dont l’importance est majeure, cependant la moindre défaillance de celui-ci risque d’engendrer des répercussions négatives sur l’ensemble des processus de production. Dans le chapitre présent, on a mis l’accent sur la structure du réseau électrique interne adoptée pour alimenter les différents ateliers de production.’’ 14 II.1 Introduction: Le réseau électrique du complexe MPI, connait des changements et des extensions consistant en l’augmentation de certaines puissances installées des moteurs, changement de la longueur des câbles de liaisons et augmentation de la puissance de quelques transformateurs MT/BT. D’où l’importance de l’actualisation du bilan de puissance. Ce bilan nous permettra par la suite la vérification du dimensionnement des jeux de barres et des liaisons MT. Aussi, ce bilan de puissances nous permettra également d’actualiser les puissances de courts circuits au niveau des jeux de barres MT et HT, en vue de vérifier la tenue des ces équipements aux nouvelles contraintes après installations des extensions prévues. Après le calcul des puissances et avant d’entamer le calcul de puissances et des courants de courtcircuit aux différents points du réseau Maroc-Phosphore I, il est d’abord nécessaire de modéliser ce réseau par des schémas équivalents qui vont simplifier l’analyse et l’étude de ce dernier. Pour ce faire, on procédera à la présentation du schéma unifilaire équivalent du réseau MPI. II.2 Alimentation du réseau électrique de MPI : II.2.1 Groupes turbo- alternateurs: Les groupes turbo-alternateurs permettent de satisfaire les besoins en énergie électrique des différents ateliers de production, ils débitent sur les trois jeux de barre principaux de la centrale, et sont équipés d’un système de protection contre les défauts internes et contre les défauts du réseau auquel ils sont raccordés. Chacun de ces trois groupes turbo-alternateurs a les caractéristiques suivantes : Tension Puissance apparente Réactance sub-transitoire : Un=6.3KV ; : S=18MVA ; : xd=14%. II.2.2 Réseau ONE: L’énergie électrique produite par la centrale thermique peut être supérieure ou inférieure à celle nécessaire à la marche de l’usine MPI. L’excédent ou le déficit temporaire en énergie est alors compensé par le raccordement de l’usine au réseau ONE. Le poste ONE 63KV est alimenté par un branchement aérien selon un schéma en double dérivation par deux arrivées : 15 Arrivée depuis le poste ONE 63KV de MPII actuellement opérationnelle. Arrivée depuis la station de livraison de « Tlat Bougadra » qui n’est plus branchée. Le jeu de barre du réseau ONE a les caractéristiques suivantes : Tension nominale Courant nominal Puissance de court-circuit : Un=63 KV ; : In=800 A ; : Scc=1600 MVA. Le poste ONE 63KV de MPI alimente trois postes de transformation 63/6 .3 KV suivants : Un transformateur (23EB01) ayant les caractéristiques suivantes : Puissance apparente : S=17,5MVA ; Tension primaire : Up=63KV ; Tension secondaire : Us=6,3KV ; Tension de court-circuit : ucc=9,95% ; Couplage : YNd11. Deux transformateurs (23EB17 et 23EB27) identiques et ayant les caractéristiques suivantes: Puissance apparente : S=10MVA ; Tension primaire : Up=63KV ; Tension secondaire : Us=6,3KV ; Tension de court-circuit : ucc=9,4% ; Couplage : YNd11. Le réseau électrique de MPI est protégé contre les perturbations du réseau ONE par un dispositif de protection permettant le découplage de la liaison en cas de défauts. II.2.3 Groupes électrogènes: Le réseau électrique de Maroc-Phosphore I est aussi équipé de deux groupes électrogènes identiques (un seul est en service actuellement) assurant l’alimentation des circuits prioritaires de la centrale en cas de défaillance du réseau distributeur, tel que l’éclairage, les pompes à huile des groupes, les pompes alimentaires des chaudières et les cristallisoirs au niveau des lignes sulfuriques. II.3 Structure interne du réseau électrique de MPI: II.3.1 Réseau électrique Haute Tension: Le réseau électrique Haute tension de MPI est constitué principalement de : Un jeu de barres de 63 KV. Cinq cellules HT : Trois cellules départs transformateurs HT/MT, Une cellule arrivée ONE, Une cellule de mesure. 16 II.3.2 Réseau électrique Moyenne Tension: Pour satisfaire la demande en énergie électrique, le complexe Maroc Phosphore I est doté d’une centrale thermique équipée de trois groupes turboalternateurs entraînés par trois turbines à vapeur. Celle-ci provient des lignes sulfuriques et de deux chaudières d’appoint l’une principale et l’autre auxiliaire. Afin de compenser tout manque ou excédent éventuel de l’énergie électrique et pour des raisons de stabilité du réseau, le complexe est doté d’une liaison avec l’ONE via trois transformateurs HT/MT dont les puissances unitaires sont les suivantes : 10, 10 et 17.5 MVA. Le réseau électrique MT de MPI est de type radial et est composé de : Trois tableaux de 6.3 KV à double jeu de barres : le premier JDB dans lequel débitent les transformateurs HT/MT; le deuxième JDB dans lequel débitent les turboalternateurs. Ces deux JDBs sont liés en permanence via un couplage transversal par contre les tableaux sont liés moyennant un couplage longitudinal équipé de limiteurs de courant qui permettent d’isoler ces tableaux en cas de défaut pour éviter les dégâts qui peuvent survenir au niveau des jeux de barres. Huit tableaux 6.3 KV à simple jeu de barres contenants des cellules départs moteurs MT, des cellules départs transformateurs MT/BT, des cellules de mesure et des cellules de réserve. On note que les transformateurs MT/BT sont couplés soit en Dyn5, soit en Dyn11. Les postes de distribution sont branchés aux trois stations comme suit : II.3.2.1 Jeu de barres 23EF21 : Alimenté par : L’ONE à travers un transformateur 63/6.3 KV de 10 MVA (23EB17). Le turboalternateur TAI (21EC21) de 18 MVA. Il permet la desserte des postes de distribution MT comme le montre le tableau suivant: 17 Repère du poste PD1A (23EF22) PDIIA (03EF23) Unités de production alimentées Machines électriques alimentées La ligne sulfurique B La filtration du soufre U+16m (6.3KV/500V) de 1250 KVA en La centrale thermique service. 3 transformateurs MT/BT 2 transformateurs MT/BT de réserve. 3 moteurs électriques MT. les lignes A et B phosphoriques, 10 moteurs MT en service, Pompage eau de mer, 2 moteurs en réserve, Filtration eau de mer, 5 transformateurs MT/BT. Broyage ligne A. 1 transformateur de réserve. Les 8 transformateurs MT/BT. réactions phosphoriques des lignes (A, B, D), PD sec A (23EF24) Le TED, La centrale thermique, L’éclairage de certains équipements névralgiques basse tension secourus par un groupe diesel 2.5 MVA. Tableau 2.1 : Eléments alimentés par le JDB 23EF21 II.3.2.2 Jeu de barres 23EF25 : Alimenté par : L’ONE à travers un transformateur 63/6.3 KV de 17.5 MVA (23EB01). Le turboalternateur TAII (21EC321) de 18 MVA. Cette sous-station permet d’alimenter les postes de distribution MT résumés dans le tableau suivant : Repère du poste PD1B (23EF24) PDIIB (03EF26) Unités de production alimentées Machines électriques alimentées La ligne sulfurique D, Certains équipements du TED, La centrale thermique. 2 moteurs MT. La ligne D de l’atelier phosphorique 2 transformateurs MT/BT en service et Broyage des lignes B et D, Quelques éléments 2 du MT/BT : 1 en service et l’autre de réserve. 1 en réserve. stockage d’acide phosphorique, transformateurs 8 moteurs MT en service et 1 de réserve. Pompage et filtration d’eau de mer. Tableau 2.2 : Eléments alimentés par le JDB 23EF25 II.3.2.3 Jeu de barres 23EF27 : 18 Alimenté par : L’ONE à travers un transformateur 63/6,3 KV de 10 MVA (23EB27). Le turboalternateur TAIII (21EC421) de 18 MVA. Il assure l’alimentation des postes de distribution MT regroupés dans le tableau qui suivant : Repère du poste PD1C/PD sec C (23EF28) Unités de production alimentées Machines électriques alimentés Fusion filtration du soufre, 3 moteurs MT La centrale thermique, 7 transformateurs MT/BT dont un est Eclairage de MPI. destiné à l’éclairage et un de réserve. PDIIC (03EF29) La ligne phosphorique F, Les lignes de concentration (X, Y), Les installations auxiliaires comme la filtration d’eau de mer. Broyage et filtration phosphorique de la 4 transformateurs MT/BT et 1 en réserve. 10 moteurs MT et 3 de réserve. Deux transformateurs MT/BT dont un ligne F. PDIID (03EF30) Les CAP V et Z de réserve, 2 moteurs MT. Tableau 2.3 : Eléments alimentés par le JDB 23EF27 Les caractéristiques des JDBs en MT: Les JDBs alimentant le réseau électrique MT du complexe MPI ont les caractéristiques suivantes : Tension de service Courant de service Fréquence Puissance de court circuit de dimensionnement Régime du neutre : 6300V ±10% ; : 2500 A ; : 50 Hz ; : 350 MVA ; : Isolé. II.3.3 Réseau électrique Basse Tension : Ce réseau utilise différents seuils de tension : 500 V pour les moteurs électriques et les prises de courant. 380 V pour l’éclairage et les prises de courant. 220 V, 110 V, 48 V, 24 V pour la signalisation, les chargeurs de batteries et les prises de courant… 19 Ce réseau est du type radial et comprend 43 tableaux BT alimentant plus de 1000 moteurs BT. Certains tableaux BT sont alimentés à travers d’autres tableaux BT via des départs fusibles (Tableaux BT secondaires). Les tableaux BT sont secourus par des transformateurs de réserve qui prennent la relève en cas de problème sur l’alimentation du tableau. Chaque tableau est doté d’un contrôleur d’isolement permanent pour détecter le premier défaut qui est de faible intensité dans ce régime du neutre. Les cellules départs moteurs contiennent généralement des contacteurs, des sectionneurs, des relais thermiques et des boutons de marche/arrêt. 20 II.4 Schéma unifilaire équivalent du réseau MPI : 21 Chapitre 3 III. ETUDE DETAILLEE DU SYSTEME DE DELESTAGE DE MAROC PHOSPHORE I RESUME ‘‘Dans ce chapitre, nous avons décrit le protocole de délestage en général .ensuite nous avons présenté le système actuel avec ses limitations, ainsi nous avons proposés une solution automatisée puis une étude économique détaillée.’’ 22 III.1 Introduction : Le délestage est la déconnexion volontaire de charges non prioritaires lorsque la puissance totale disponible ne suffit pas pour alimenter la charge totale du site. Il entre dans le cadre du plan de défense qui est la barrière ultime de protection du réseau lors d'un incident majeur, quand toutes les autres mesures, marges, protections et dispositifs de régulation des groupes ne sont pas parvenus à stopper l'enchaînement des incidents et à limiter ses conséquences. En pratique, pour faire face aux incidents majeurs et limiter leurs conséquences, les grandes compagnies industrielles adoptent des mesures curatives et installent des automates spécifiques, qui constituent le plan de défense du système électrique. Le complexe Maroc Phosphore I est doté de ses propres producteurs d’énergie, permettant ainsi l’indépendance des infortunes du réseau ONE. Malheureusement l’énergie propre ne satisfait pas toujours la demande des consommateurs faisant ainsi altérer la qualité de l’énergie et même mettre quelques charges en danger allant jusqu’au déclenchement total de l’usine entraînant ainsi des pertes de production. Maroc Phosphore I possède un mécanisme de délestage à base de relais permettant de soulager les producteurs d’énergie en cas de surcharge, mais ce mécanisme n’est pas automatisé, non optimal pour la puissance délestée et difficile à maintenir et localiser ses pannes. D’où l’importance d’installer un système de délestage plus sophistiqué qui permet de garantir un bon temps de réponse, un délestage de puissance optimale (juste ce qu’il faut délester) et un contrôle commande automatique à distance via un poste de supervision. III.2 Généralités sur le délestage : III.2.1 Définition : Le délestage électrique est une procédure permettant de soulager un réseau électrique quand l’énergie électrique produite est déficitaire. C’est un moyen qui assure l’équilibre de la production de l’énergie électrique avec la consommation. C’est aussi un moyen de sécurité pour certaines installations névralgiques quand la coupure de l’électricité pour de longue durée cause des dégâts dans ces installations. Le délestage permet aussi de protéger les groupes turboalternateurs, le réseau et les moteurs consommateurs de l’énergie contre tout déséquilibre pour la fréquence et la tension. III.2.2 Critères de délestage : On présente ici les pratiques utilisées dans les différentes grandes compagnies industrielles. Les barrières de défense utilisées sont en accord avec la philosophie de chaque compagnie en matière de 23 défense, selon qu'elle tienne à se protéger d'un phénomène d'écroulement ou d'un incident en particulier. III.2.2.1 Surcharges, cascades de surcharges : Si la demande est supérieure à la production, la tension chute et les charges (essentiellement des forces motrices) ont tendance à garder la même puissance active consommée pour satisfaire à la charge entraînée : 𝑷 = 𝑼. 𝑰. co𝐬 𝝋 (2.5) Donc, si la tension chute le courant appelé augmente et induit une susceptible d’endommager les charges, les appareillages et le réseau. Les principales actions peuvent être : Délestage de consommation en cas de surcharge sur certaines lignes ; Déclenchement de moyens de production proches pour lever les contraintes de surcharge sur des interconnexions importantes. III.2.2.2 Écroulements de tension : Les alternateurs fournissent une tension qui est à peu prés égale à : 𝐄 = KN𝛟𝐟 = KN𝛟pN𝐬 = k ′ 𝛟N𝐬 (2.6) La vitesse de rotation des alternateurs a chuté par déséquilibre entre la production et la consommation, la tension chute également. Deux mesures sont utilisées pour minimiser la gêne de leurs clients et font office de formes « douces » de délestage de consommation : Le blocage automatique des régleurs en charge, cela permet d'enrayer le processus d'écroulement La baisse de 5 % sur la tension de consigne des transformateurs MT aide au rétablissement d'une situation de réseau correcte, car elle limite les appels d'énergie réactive sur le réseau. III.2.2.3 Variation de fréquence : Face à un écroulement de fréquence, le délestage fréquence métrique a pour but de rétablir l'équilibre en adaptant la consommation à la production disponible. Le délestage est opéré sélectivement, principalement sur les départs de consommation, sur critère de fréquence et/ou de sa dérivée. Le critère de fréquence est une mesure qui est pratiquée dans la plupart des compagnies. Par contre, selon les problèmes rencontrés, les seuils de délestage, en nombre, en valeur et en volume diffèrent. 24 Dans notre proposition, on a choisi comme seuils extrêmes qui peuvent enclencher le délestage les valeurs 47,5 Hz et 52,5 Hz (50Hz±2,5). A la différence de la tension, qui est un paramètre local (la tension est différente en tout point du réseau, elle dépend du courant qui circule dans les lignes au voisinage du point considéré), la fréquence est homogène dans tout le réseau électrique dès que la production et la consommation sont en équilibre. La fréquence doit être maintenue autour de la valeur nominale de 50 Hz, quelles que soient les variations de consommation ou de production. En effet, d’une part, une fréquence évoluant sans cesse rendrait l’électricité inutilisable pour de multiples usages, d’autre part, la plupart des composants du système électrique sont conçus pour fonctionner dans une plage de fréquence donnée, en dehors de laquelle des dysfonctionnements graves de matériels peuvent apparaître (déclenchement des moteurs par Max de I). La consommation se présente au niveau de l’arbre de la turbine sous forme d’un couple résistant, lorsque la consommation augmente, la turbine de l’alternateur ralentit, ce qui mène à la chute de fréquence. Lorsqu’un réseau est dans une situation tendue pour l’équilibre production / consommation, à cause d’une consommation qui atteint un niveau exceptionnel, ou à cause d’une production en partie indisponible, une baisse de fréquence peut se produire. En dehors de certains seuils de fréquence, les groupes de production se séparent du réseau pour éviter d’être endommagés. Ceci est illustré par la figure suivante : Figure 2.7: Chute de fréquence en fonction de la production et la consommation de l’énergie 25 III.3 Nécessité du maintien de la tension et de la fréquence: Le respect des caractéristiques contractuelles de la tension et de la fréquence est, avec la continuité de la fourniture d’électricité, l’un des critères essentiels qui permettent d’apprécier la qualité du service rendu par les fournisseurs de l’électricité. Mais la tension et la fréquence sont aussi des indicateurs très précieux de la bonne exploitation, technique et économique, du système production-transport et constituent des paramètres fondamentaux du fonctionnement de tout système d’énergie électrique. III.3.1 Tension : Rappelons que la tension en un point du réseau est fonction des forces électromotrices des générateurs, des charges et autres impédances shunt et des chutes de tension dans les divers éléments série du système : machines, transformateurs, lignes, etc. Les seules sources de tension sont constituées par les alternateurs dont les FEM (forces électromotrices) internes sont commandées par leur système d’excitation. La chute relative de tension produite par le transit d’une puissance apparente complexe S = P + jQ dans un élément de réseau modélisé par un dipôle d’impédance Z = R + jX est donnée par l’expression approchée : (2.8) III.3.2 Fréquence: La fréquence est directement liée à la vitesse de rotation des alternateurs. En régime établi, les alternateurs, rendus solidaires par les phénomènes électromagnétiques qui régissent leur comportement, tournent tous à la même vitesse électrique (la vitesse de rotation réelle multipliée par le nombre de paires de pôles de l’alternateur considéré). Il y a alors égalité entre le couple moteur Cm, fourni par la turbine, et le couple résistant Cr (égal au couple électrique opposé par le réseau), autrement dit égalité entre la production et la consommation de puissance active. Tout déséquilibre de ce bilan entraîne une variation de vitesse, donc de fréquence. Contrairement à ce qui se passe pour la tension, la tenue de la fréquence est un problème intéressant l’ensemble d’un système électrique interconnecté. La charge globale des groupes turboalternateurs est constituée par des charges individuelles de chaque consommateur de l’énergie active c'est-à-dire des moteurs installés dans chaque atelier. Le comportement de chacune des charges est aléatoire, mais la puissance moyenne absorbée par l’ensemble des charges liées aux cadences de production peut être prévue avec une bonne précision. Il est donc possible d’élaborer des prévisions de consommation et donc des programmes de production (Conduite d’un système de production- consommation). Tant que la charge de consommation est supérieure à la production, le phénomène de l’écroulement de la fréquence apparaît. Donc il faut prévoir un équilibre production consommation. Toutefois, l’équilibre n’est jamais exactement réalisé en pratique. 26 III.4 Réseau électrique de MPI : On a déjà présenté le réseau électrique de MPI dans les chapitres précédents, mais dans ce paragraphe on focalisera plus précisément notre étude sur les sources de production d’énergie électrique afin d’avoir une base pour élaborer notre système de délestage automatique. Afin de satisfaire la demande en énergie électrique capable d’assurer le bon fonctionnement du complexe MPI, un réseau électrique est mis en place. Celui-ci est doté des éléments suivants: 3 turboalternateurs 6,3KV triphasés de 18MVA de puissance; Un groupe diesel secours de puissance 2,5 MVA; 3 transformateurs 63 /6,3 KV raccordés au réseau ONE dont deux ayant 10MVA et un ayant 17,5 MVA ; Un poste de distribution qui contient des jeux de barres dont dérivent les départs vers l’exploitation. La centrale thermique de MPI assure la production de l’énergie électrique nécessaire pour la marche des ateliers de production. L’énergie est produite par trois groupes turbo alternateurs de puissance 18MVA chacun, dont deux fonctionnent continuellement qui transforment l’énergie thermique sous forme de vapeur haute pression en énergie électrique, et le troisième est considéré de 27 reste réserve. La vapeur haute pression (60bars, 450°C) est produite au niveau des unités d’acide sulfurique en récupérant l’énergie dégagée par la combustion de soufre. Suivant le régime du procédé, la quantité de l’énergie produite est peu supérieure ou inférieure à l’énergie électrique nécessaire. Pour cela un raccordement au réseau national ONE, fait par une alimentation externe de 60KV venant via des lignes aériennes de Tlet- Bougadra jusqu'à MPII puis à MPI, compense l’excédent ou le manque temporaire en énergie électrique. Dans ce qui suit nous allons détailler les caractéristiques de chaque partie du réseau électrique de Maroc Phosphore I. III.4.1 Turbo-alternateurs : III.4.1.1 Fonction : Le turboalternateur a pour fonction principale la transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique. Les turbo-alternateurs sont essentiellement constitués de : Turbine Réducteur Alternateur Excitatrice principale Excitatrice pilote III.4.1.2 Turbine: L’énergie mécanique est fournie par des turbines dont les caractéristiques sont : Vitesse nominale Température vapeur vive Pression vapeur vive Puissance nominale Pression de soutirage réglé Pression vapeur échappement : 6500tr/min ; : 58 bars ; : 490°C ; : 15100 KW ; : 4,5 bars ; : 0,07 bar. III.4.1.3 Réducteur: Les caractéristiques techniques du réducteur sont: Vitesse nominale 1500-6500 tr/min ; Puissance nominale 17,65 MVA. 28 III.4.1.4 Alternateur: La centrale dispose de trois turboalternateurs dont deux fonctionnent continuellement et le troisième de réserve. Leurs caractéristiques sont les suivantes: Tension : 6300 V ; Intensité : 1650 A ; Puissance : 18 MVA ; Cosφ : 0,8 ; Excitation : 122 V ; Fréquence : 50 Hz ; Courant d’excitation : 577 A ; Vitesse : 1500 tr/min. La vitesse de l’alternateur étant différente de celle de la turbine, l’accouplement est réalisé via un réducteur intercalant les deux arbres. III.4.1.5 Excitatrice principale: Ces caractéristiques sont : Tension Intensité Puissance Vitesse Couplage : 123/172 V ; : 582/815 A ; : 71,5/140 KW ; : 1500 tr/min ; : étoile. III.4.1.6 Excitatrice pilote: Elle a les caractéristiques suivantes: Tension Intensité Puissance Vitesse Couplage Fréquence : 200V ; : 3,96 A ; : 1 ,5 KVA ; : 1500 tr/min ; : étoile ; : 75Hz. III.4.2 Groupe diesel : III.4.2.1 Fonction : Le but du groupe électrogène est d’assurer la sécurité du procédé et la mécanique du complexe quand l’alimentation électrique normale fait défaut (absence de l’énergie des groupes turboalternateurs et du réseau ONE). 29 Comme son nom l’indique, il est constitué d’un moteur diesel accouplé à un alternateur qui produit de l’énergie électrique. Il joue un rôle très important dans le domaine de sécurité du personnel et du matériel. Ces caractéristiques techniques sont : Tension : 6300V ; Intensité : 229 A ; Puissance : 2 ,5 MVA ; Vitesse : 1500 tr/min ; Couplage : étoile ; Fréquence : 50Hz ; Excitation : 90V/331A ; Cosφ : 0,8. Il assure le maintien en service des équipements stratégiques tels que : Les pompes d’huile de lubrification des groupes turboalternateurs ; Les agitateurs des cristalliseurs pour éviter tout risque de prise en masse du produit et endommagement des équipements ; L’alimentation des ballons des chaudières (centrale, sulfurique) ; Le réseau d’incendie; L'éclairage secours. III.4.3 Transformateur 63/6,3 KV : III.4.3.1 Fonction : La tension délivrée via le réseau ONE, étant de 63 KV, nécessite une adaptation pour convenir aux besoins du complexe (tension distributive de 6,3 KV). Cette adaptation est réalisée par l’intermédiaire de transformateurs 63 KV/6,3 KV logés dans la centrale. III.4.3.2 Caractéristiques : Elles sont données en chapitre concernant la présentation du réseau électrique de MPI. III.4.3.3 Poste de distribution : Le poste de distribution moyen tension est constitué de deux systèmes jeux de barres (système1 et système2) qui alimentent le complexe en énergie électrique et qui sont liés par un disjoncteur de couplage. III.5 Système de délestage existant : 30 III.5.1 Description du système : Le délestage électrique de l’usine MPI est réalisé via une logique câblée (à relais analogiques) afin de soulager la production de l’énergie électrique vis-à-vis de la consommation excessive. Il se répercute sur les tableaux MT et BT en déclenchant les charges suivant les crans auxquels ils ont été affectés, excepté les moteurs vitaux. Le plan de délestage concerne uniquement le défaut au niveau de l’ONE et il est structuré comme suit : En cas de deux groupes turbo-alternateurs en fonctionnement, le délestage se fera selon les étapes suivantes : Cran 1 : le délestage se manifeste par le déclenchement du broyage des anciennes lignes (A, B et D) et de celui de la 4ème ligne phosphorique; Cran 2 : en cas de non rétablissement de la fréquence et de la tension, le délestage se poursuit par le déclenchement de la filtration des anciennes lignes (A, B et D) et celle de la 4ème ligne phosphorique; En cas d’un seul groupe turbo-alternateur en fonctionnement, le délestage se fera de manière simultanée des deux crans précédents. La charge de délestage du premier cran est : P=10MW et celle de deuxième cran est estimée à P=3MW. III.5.2 Inconvénients : Le système existant de délestage présente plusieurs inconvénients. Parmi ces inconvénients nous citons les points suivants : Il n’est pas optimal dans sa réaction : la puissance délestée en général est importante par rapport grande au besoin en puissance électrique. Le fait de délester sur la totalité d’une boucle pour un petit manque de puissance provoque un arrêt de production non justifié et une puissance à perdre pour le démarrage des ateliers qui appartiennent à la boucle délestée. Il n’est pas automatisé : un simple câblage ne suffit pas pour assurer la fiabilité d’un système de délestage, il n’y a pas de commande à distance. Il n’assure pas un bon temps de réponse : en général, un bon système de délestage doit permettre une réaction en temps réel afin de minimiser les dégâts éventuels. III.6 Solution proposée : III.6.1 Introduction : Pour remédier aux problèmes de délestage existant, un nouveau système de délestage est bien recommandé afin de garder une bonne marche du complexe. Dans cette partie, nous présentons une proposition d’un programme automatique de délestage qui englobe plusieurs cas avec beaucoup de précision. Le délestage présente un point critique pour toute grande compagnie industrielle. Pour faire 31 une conception d’un tel système qui répond à des exigences désirées et qui englobe plusieurs cas possibles il faut une étude détaillée et bien fondée. Notre proposition repose sur la méthodologie suivante : Elaboration des bilans énergétiques des ateliers choisis pour le délestage; Ordonner ces ateliers suivant leur importance et priorité dans la production du complexe ; Proposer un système de délestage double : le premier est basé sur la soustraction des puissances des ateliers éliminés alors que le deuxième s’appuie sur la philosophie des crans. III.6.2 Bilans énergétiques des ateliers à délester : Les installations névralgiques sont des charges à secourir. Elles sont principalement constituées de l’éclairage de sécurité, des agitateurs, des granulateurs et des pompes de lubrification, etc. L’arrêt de l’un des moteurs qui entraîne l’une des charges secourues pour une longue durée peut engendrer une défaillance au niveau de l’installation suite à un colmatage de produit ou autre incident indésirable. D’où la nécessité de garder ces moteurs en marche le plus continuellement possible. En général, on a maintenu en service les sources chaudes et froides à savoir les ateliers sulfuriques et les stations de pompage et de surpression de l’eau de mer en marche car elles constituent les piliers fondamentaux de la production au sein du complexe. On conclut que notre système de délestage va cibler les ateliers de production simples qui ne sont pas secourus et qui bouffent plus d’énergie les lignes de broyages et les lignes de réaction filtration. Pour réussir notre projet, nous nous sommes basés sur des faits réels, on a eu alors recours à un bilan énergétique pour chaque atelier à délester. Le tableau suivant présente les différentes unités du complexe choisies pour le délestage : Atelier Départ 02AQ01 Tension (V) 6300 32 Puissance de fonctionnement (KW) 1665 Tranche d’alimentation 03EF23-8 Broyage A Broyage B Broyage D Filtration A Filtration B Filtration D Départ MC 02AK02 02BQ01 02BK02 02DQ01 02DK02 03AP03 03KP03 03AK01 03LP03 03BP03 03BK01 03SP03 03DP03 03DK01 NUB (Maroc Chimie) Total 6300 6300 6300 6300 6300 6300 6300 6300 6300 6300 6300 6300 6300 6300 - 365 1507 365 1455 365 296 Réserve 510 296 Réserve 512 307 Réserve 508 2610 10759 Tableau 3.0 : Ateliers choisis pour le délestage 33 03EF23-13 03EF26-16 03EF26-6 03EF26-10 03EF26-11 03EF23-16 03EF23-17 03EF23-24 03EF23-23 03EF23-22 03EF23-25 03EF26-10 03EF26-10 03EF26-10 03EF29-1 - III.6.3 Priorités des ateliers : Afin de bien argumenter notre méthode de délestage et d’assurer l’optimum possible de production, nous avons donné des priorités à chaque atelier de production. Le tableau suivant résume les ateliers et les lignes de production existants à Maroc Phosphore I destinés au délestage et classés par ordre décroissant de délestage (l’atelier qui a la priorité la plus grande est celui qui doit être délesté en premier en cas d’insuffisance d’énergie) : Atelier Priorité NUB (Maroc Chimie) Broyage ligne A Broyage ligne B Broyage ligne D Filtration ligne A Filtration ligne B Filtration ligne D 7 6 5 4 3 2 1 Tableau 3.1 : Priorité des ateliers en délestage III.6.4 Différents cas possibles : Suivant plusieurs incidents nous pouvons classer nos cas qui peuvent se présenter comme suit : III.6.4.1 Incident ONE : C’est le cas pour lequel sert notre système de délestage: Si un seul turbo-alternateur est à disposition : nous procédons à un délestage par crans pour rétablir l’équilibre énergétique. (c’est le cas le plus défavorable) Si deux groupes turbo-alternateurs sont à disposition : nous délestons intelligemment sur installations non-prioritaires en respectant la priorité prescrite dans le tableau cidessous (c'est-à-dire dans le sens décroissant de priorité) jusqu’à ce que la puissance produite sera supérieure ou égale à celle demandée. NB : puissance ONE veut dire la puissance délivrée par l’ONE juste avant l’incident ONE. Nous considérons que l’ONE peut alimenter en continu Maroc Phosphore I par une puissance allant jusqu’à 10MW au maximum. 34 III.6.4.2 Disponibilité ONE: Lorsque ce cas se produit, la démarche suivante se déclenche : Utiliser le réseau ONE pour avoir le maximum possible d’énergie (10 MW) ce qui permet de réduire le besoin créé par l’arrêt du turbo-alternateur, bien sûr si la liaison avec l’ONE le permet. Minimiser la cadence de production afin de réduire la consommation, et par suite rétablir de nouveau l’équilibre avec la nouvelle puissance de production. D’après la démarche précédente, on déduit que ce cas ne nécessite par la politique de délestage. III.6.5 GRAFCET de délestage : III.6.5.1 Introduction : Le GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition), également appelé Diagramme Fonctionnel en Séquence ou « Séquential Function Chart », permet "...l'établissement des descriptions de la fonction et du comportement des systèmes de commandes en établissant une représentation graphique indépendante de la réalisation technologique...". Le GRAFCET est un outil graphique de définition pour l'automatisme séquentiel, en tout ou rien. Mais il est également utilisé dans beaucoup de cas combinatoires, dans le cas où il y a une séquence à respecter mais et que l’état des capteurs suffirait pour résoudre le problème en combinatoire. Il utilise une représentation graphique. C'est un langage clair, strict et sans ambiguïté, permettant par exemple au réalisateur de montrer au donneur d'ordre comment il a compris le cahier des charges. C’est un langage universel, indépendant (dans un premier temps) de la réalisation pratique (peut se "câbler" par séquenceurs, être programmé sur automate voire sur ordinateur). III.6.5.2 Domaine d'application du GRAFCET: Le GRAFCET est destiné à représenter des automatismes logiques séquentiels, c'est-àdire des systèmes événementiels dans lesquels les informations sont de type booléennes (tout 35 ou rien) ou peuvent s'y ramener (numériques). Le GRAFCET est utilisé généralement pour spécifier et concevoir le comportement souhaité de la partie commande d'un système de commande mais il peut également être utilisé pour spécifier le comportement attendu de la partie opérative ou bien de tout le système de commande. Destiné à être un moyen de communication entre l'automaticien et son client, le GRAFCET est un outil utilisé pour la rédaction du cahier des charges d'un automatisme. Cependant un des points forts du GRAFCET est la facilité de passer du modèle à l'implantation technologique de celui-ci dans un automate programmable industriel. Le GRAFCET passe alors du langage de spécification au langage d'implémentation utilisé pour la réalisation de l'automatisme. On parle ainsi de GRAFCET de spécifications et de GRAFCET de réalisation. III.6.5.3 GRAFCET proposé pour le délestage en MPI: En se basant sur l’incident ONE et en respectant les priorités affectées à chaque atelier nous avons pu élaborer le GRAFCET de commande de délestage suivant : figure 3.3 : grafcet utilisé pour la gestion énergétique du réseau électrique a MP1 36 Numéro Désignation de l'étape 1 Découpler ONE 2 3 Enregistrer les puissances consommées ,tension ,fréquence délivrées par l’ONE Délester NUB+Broyage A 4 Arrêter délestage au premier cran 5 Délester Broyage B + Broyage D 6 Arrêter délestage au deuxième cran 7 Délester Filtration A + Filtration B + Filtration C 8 Délester la NUB et Calculer le déficit Pd1 9 Délester Broyage A et Calculer le déficit Pd2 10 Arrêter délestage à la première étape 11 Délester Broyage B et Calculer le déficit Pd3 12 Arrêter délestage à la deuxième étape 13 Délester Broyage D et Calculer le déficit Pd4 14 Arrêter délestage à la troisième étape 15 Délester Filtration A et Calculer le déficit Pd5 16 Arrêter délestage à la quatrième étape 17 Délester Filtration B et Calculer le déficit Pd6 18 Arrêter délestage à la cinquième étape 19 Délester Filtration D 20 Arrêter délestage à la sixième étape 21 Vérifier les valeurs de la tension et de la fréquence 22 Opération de rétablissement des charges délestées Figure 3.4 : Descriptif des étapes du GRAFCET 37 III.6.5.4 Fonctionnement du système de délestage : Reconnaissance des utilisateurs en service : L’automate consultera l’état logique de ses entrées pour reconnaître les utilisateurs en service. Ses entrées logiques seront raccordées aux interlocks des disjoncteurs des moteurs moyenne tension, pompes des lignes de broyage et de filtration et également aux sources d’énergie, à savoir les alternateurs et le réseau extérieur par les trois transformateurs HT/MT. Consommation d’énergie : Chaque utilisateur a une consommation d’énergie connue. La consommation de l’énergie totale de l’usine sera donnée par les relais de protection numériques installés sur les départs des sous-stations principales vers les postes de distributions. La production d’énergie sera donnée par les relais installées sur les turbo-alternateurs et les trois transformateurs HT/MT. Le déficit d’énergie est la consommation totale de l’usine diminuée de la production des groupes et de l’apport (positif ou négatif) du réseau extérieur. Opération de délestage L’automate programmable connaît au préalable les utilisateurs en service, la consommation totale de l’usine, la propre production des groupe et l’échange avec le réseau extérieur et par la suite le déficit. Ce déficit, se traduit soit par « minimum de fréquence » soit par un défaut « surintensité » au niveau des groupes. Lorsque un défaut de la sorte survient, le réseau est automatiquement iloté du réseau extérieur si l’un des deux groupes turbo-alternateurs est en marche on procède au délestage par crans, si les deux sont disponibles, les systèmes de délestage retranche les lignes une à une jusqu’à hauteur du déficit. 38 Spécification de l’API du système de délestage : Figure 3.5: Architecture d’un automate programmable Introduction : L’automate programmable industriel (A.P.I) est un appareil électronique programmable, destiné à piloter des machines ou des processus logiques séquentiels. Son rôle consiste essentiellement à recueillir les informations prélevées par les détecteurs, traiter ces informations en fonction des instructions et des données qu’il a au préalablement prélevées et compte tenu du programme inscrit en mémoire et générer des signaux de sortie susceptibles d’être exploités par les organes de commande de la partie opératoire. Un A.P .I peut aussi, donner des informations sur son propre comportement, visualiser l’évolution du programme et des données internes, mémoriser l’état de son cycle lors d’une défaillance (notamment en cas de coupure de l’alimentation), assurer son propre contrôle en émettant des messages en cas de défaillance et résister aux agressions et perturbations externes (exemple : les parasites électromagnétiques). 39 Constitution d’un automate programmable : - Alimentation de l'automate : intégrée ou indépendante de l'automate programmable elle doit fournir les tensions usuelles 240 V ~, 24V~ ou 24V = - L'unité centrale : le microprocesseur réalise les fonctions logiques ou d'autres fonctions intégrées telles que les temporisations, le comptage, le calcul etc.. - Le microprocesseur est connecté aux autres éléments ( mémoires et interfaces entrées sorties) par des liaisons parallèles appelées bus qui véhiculent les informations sous forme binaire. - Le microprocesseur possède également des liaisons avec l'extérieur pour le dialogue avec l'outil de programmation, raccordement sur terminal ou sur réseau inter automates. La zone mémoire : elle contient toutes les données nécessaires au fonctionnement de l'automate ainsi que la liste ou le jeu d'instruction qui constitue le programme. Les entrées reçoivent les informations depuis les capteurs ou boutons poussoirs du système. Elles transitent par un organe d'isolation galvanique pour aller vers le microprocesseur (ex : opto-coupleur). Les sorties reçoivent les informations dictées par le microprocesseur et stocké en mémoire elles sont rafraîchies au fur et à mesure du déroulement du programme. Critère de choix d’un automate programmable : Les critères de choix essentiels d’un automate programmable industriel sont : Le nombre d’entrées/sorties nécessaire Le type des entrées/sorties nécessaire Les capacités de traitement du processeur (vitesse, données, opérations, temps réel...) Les compétences/expériences de l’équipe d’automaticiens de mise en œuvre et de programmation de la gamme d’automate 40 La qualité du service après-vente Identification des entrées/sorties du système : L’étude de tout automatisme nécessite en premier lieu, la détermination de la liste complète des entrées/sorties du système, pour pouvoir ensuite faire un choix approprié de l’automate programmable industriel (API). Dans notre application de délestage : - Des entrées TOR seront raccordées aux interlocks des disjoncteurs des consommateurs énoncés précédemment, des alternateurs et des transformateurs HT/MT. - Des sorties TOR serviront à la transmission de l’ordre de délestage vers les consommateurs (actionneurs des disjoncteurs moyenne tension, relais de commandes des équipements basse tension) et les transformateurs HT/MT. Atelier Type Désignation NUB (Maroc Chimie) Entrée numérique Consommation NUB Broyage ligne A Entrée numérique Consommation broyeur A Entrée numérique Consommation ventilateur A Entrée numérique Consommation broyeur B Entrée numérique Consommation ventilateur B Entrée numérique Consommation broyeur D Entrée numérique Consommation ventilateur D Entrée numérique Consommation pompe 1 Entrée numérique Consommation pompe 2 Entrée numérique Consommation pompe 3 Broyage ligne B Broyage ligne D Filtration ligne A Filtration ligne B Entrée numérique Consommation pompe 1 Entrée numérique Consommation pompe 2 Entrée numérique Consommation pompe 3 41 Filtration ligne D Entrée numérique Consommation pompe 1 Entrée numérique Consommation pompe 2 Entrée numérique Consommation pompe 3 - Entrée numérique Fréquence - Entrée numérique Tension - Entrée numérique Puissance donnée par l’ONE turbo-alternateur Entrée TOR Marche TAI Entrée TOR Marche TAII Tableau 3.6 : Enumération des entrées, leurs types et leurs désignations Atelier Type Désignation NUB (Maroc Chimie) Sortie TOR Commande disjoncteur NUB Broyage ligne A Sortie TOR Commande disjoncteur broyeur A Sortie TOR Commande disjoncteur ventilateur A Sortie TOR Commande disjoncteur broyeur B Sortie TOR Commande disjoncteur ventilateur B Sortie TOR Commande disjoncteur broyeur D Sortie TOR Commande disjoncteur ventilateur D Sortie TOR Commande disjoncteur pompe 1 Sortie TOR Commande disjoncteur pompe 2 Sortie TOR Commande disjoncteur pompe 3 Sortie TOR Commande disjoncteur pompe 1 Sortie TOR Commande disjoncteur pompe 2 Sortie TOR Commande disjoncteur pompe 3 Sortie TOR Commande disjoncteur pompe 1 Sortie TOR Commande disjoncteur pompe 2 Broyage ligne B Broyage ligne D Filtration ligne A Filtration ligne B Filtration ligne D 42 Couplage transversal Sortie TOR Commande disjoncteur pompe 3 Sortie TOR Commande disjoncteur couplage transversal 23EF21 Sortie TOR Commande disjoncteur couplage transversal 23EF25 Sortie TOR Commande disjoncteur couplage transversal 23EF27 Tableau 3.7 : Enumération des sorties, leurs types et leurs désignations D’après les tableaux ci-dessus on en déduit que : Le module d’entrée doit supporter 19 entrées numériques et 2 entrées TOR. Le module de sortie doit supporter 21 sorties TOR. 43 III.7 Etude économique : Afin de se prononcer sur l’opportunité économique de la mise en place d’un système de délestage propre au réseau électrique de Maroc Phosphore I, nous allons mener dans ce qui suit, une étude économique pour mieux apprécier la retombée financière sur l’entreprise. En effet, l’aspect technique ne peut à lui seul rendre compte de la valeur ajoutée que peut avoir un projet, d’où l’intérêt de vérifier sa faisabilité économique. Remarquons que ce projet permet d’éviter : L’arrêt général de l’usine L’arrêt injustifié des unités de production La protection des sources contre les défauts « minimum fréquence » et « surintensité » A cet effet, nous allons commencer par chiffrer les pertes dues à un déclenchement général du complexe et ensuite nous donnerons le détail du coût d’entretien des sources. III.7.1 Calcul préliminaire des pertes : Perte engendrées par le déclenchement général : Ces pertes sont de trois natures : - Consommation de gasoil par le turbo diesel Frais de redémarrage du complexe Manque à produire Consommation en gasoil En cas de déclenchement général, le groupe diesel démarre en automatique assurant ainsi au bout de 10 secondes l’alimentation des équipements névralgique à secourir. La quantité de gasoil consommée lors dudit déclenchement est : 𝐬 P : Charge du groupe T : Durée de fonctionnement du groupe C : consommation spécifique en gasoil/MWH (C=212) 44 Les statistiques sur les déclenchements montrent qu’en moyenne, un tel incident dure 2 heures. Le prix du gasoil prix égal à 7.185/l, donc le coût de consommation de gasoil est égal à : CG= 7616 DH Frais de redémarrage Le redémarrage de l’usine se fait en plusieurs étapes. Ces étapes se déroulent en moyenne pendant 8h et nécessitent : - 8 MW d’énergie de l’ONE - 50 T/h de vapeur HP à base de fuel - 100 m³/h d’eau distillé Energie électrique : L’énergie consommée est de 8*8= 64 MWH , sachant que le prix ONE du MWH est de 840 DH, le coût d’énergie est de : CE=53760 DH Fuel : La quantité de fuel nécessaire pour produire la vapeur HP est égale à 50*8= 400 T, or il faut 82 Kg de fuel pour produire 1T de vapeur HP et la tonne de fuel coûte 3410 DH /T soit : CF=111848 DH Eau distillé : Au redémarrage, le complexe consomme 100 m³/h d’eau distillé au lieu de 60 m³/h en marche normale, soit 40 m³/h de plus qui sera perdus, du fait que la vapeur produite est non conforme. Le prix de revient du m³ est de 12 DH c'est-à-dire que le coût d’eau distillé est 40*8*12, soit : 45 CD=3840 DH Les frais de redémarrage s’évalue donc à : CR= CE+CF+CD= 169448 DH Manque à produire La production journalière des ateliers de production phosphorique peut atteindre jusqu’à 500 T/jour et par atelier, ce qui fait une production totale de 2000 T/jour. Le manque à produire en acide phosphorique se calcule à partir de la relation suivant : ΔP= (Nh / 24)*Pm) - Nh : nombre d’heures d’arrêt pour les ateliers réaction filtration et CAP des quatre lignes. Nh= 2*6=12h à raison de deux déclenchement par an. - Pm : production moyenne journalière en P₂O₅ : Pm= 2000 T/jour ΔP= 1000 T de P₂O₅ Perte en dirhams Les pertes en DH se calculent à partir de la formule suivante : [(Cf/Pr)-(Cf/P)]*P Avec : Cf charges fixes de MPI pour l’année 2011 Cf= 560 DH/T P objectif de production pour l’année fixé à 568000 T de P₂O₅ Pr production réelle pour l’année 2011 Pr= P-ΔP= 567000 T Soit alors : Pertes= 569000 DH Les pertes globales occasionnées par un déclenchement électrique général sont : P=2*(CG+CR)+pertes en production= 923128 DH Cette valeur représente un minimum, car un arrêt général induit inévitablement la dépréciation des équipements et des coûts de main d’œuvre supplémentaires. 46 Coût annuel de maintenance des groupes turbo-alternateurs Les groupes turbo-alternateurs nécessitent 2 entretiens systématiques par an, le coût annuel de la maintenance (y compris l’expertise réalisé par la société SIEMENS) s’élève à : Cm=166896 DH Nous espérons à travers cette étude réduire cette facture de plus de 25% en réduisant le nombre d’intervention préventive sur les groupes turbo-alternateurs. Devis estimatif du Projet Pour évaluer l’investissement global nécessaire à la réalisation de notre système de délestage du réseau électrique de Maroc Phosphore I, nous avons procédé à une consultation des prix chez les fournisseurs usuels. Dans ce qui suit, nous dressons le tableau récapitulatif des prix des fournitures et prestation à fournir et les quantités correspondantes permettant d’évaluer le coût global du projet. A noter que les prix ci-dessous sont donnés à titre indicatif et pourront être revus à la baisse. Désignation quantité prix unité Relais de protection numériques pour moteur électrique MT 8 40 000 320 000 Relais de protection numériques pour départ poste de distribution 7 36 000 252 000 Relais de protection numériques pour alternateurs 4 40 000 160 000 Relais de protection numériques pour transformateur HT/MT 4 42 000 168 000 Relais numérique pour groupe diesel 2 40 000 80 000 Automate programmable industriel (avec accessoires) 1 156 400 156 400 Installation et branchement des relais de protection numériques 19 2 000 38 000 47 Total Installation de l'automate programmable industriel et programmation - 70 000 70 000 Essai et mise en service du système - 40 000 40 000 Formation du personnel - 15 000 15 000 TOTAL 1 299 400 Tableau 3.8 : Devis estimatif des matériaux propres au projet et de leur mise en place III.7.2 Etude de la rentabilité du projet Introduction L’évaluation économique est une méthode d’analyse qui permet de mesurer l’intérêt d’un projet et d’aboutir à une estimation du profit financier qu’il peut produire après que toutes les entrées et les sorties aient été mesurées au prix du marché. Pour tester la rentabilité de ce projet, il va falloir calculer le solde du coût et des bénéfices engendrés par le passage d’une situation à une autre (situation sans projet et situation avec projet). Pour faire une telle étude, nous allons nous fixer les critères économiques suivants : Critère du bilan actualisé (VAN) : permet d’évaluer la capacité du projet à rembourser le capital initial investit à un taux égal au taux d’actualisation ; Critère du taux de rentabilité interne (TRI) : permet d’apprécier l’utilité d’un projet sans faire référence à un taux d’actualisation spécifique ; Délai de remboursement où de récupération avec actualisation (POT) ; Les 7 étapes de la démarche de l’analyse financière sont : 1. Durée de l'analyse financière 2. Coûts d'investissement 3. Coûts de fonctionnement et coûts récurrents 48 4. Avantages 5. Tableau du bilan des flux 6. La prise en compte du temps - actualisation 7. Analyse de la rentabilité intrinsèque du projet Mise en œuvre de l’analyse financière : Valeur actuelle nette Pour procéder au calcul de la valeur nette actualisée, nous allons déterminer l’échéancier des flux de trésorerie (cash flow). CFflux trésorerie actualisé RD 1 i k Avec : R : recette du projet D : dépenses pour le fonctionnement k : indice de l’année. La valeur actuelle nette est donnée par : N CFflux trésorerie k 1 1 i VAN Avec : CF : flux de trésorerie (recette-dépenses) I : valeur de l’investissement i : taux d’actualisation N : durée de vie du projet 49 k I Le calcul des pertes dues au manque à produire lors d’un déclenchement général de l’un des complexes chimiques et les frais de leur redémarrage nous a permis d’estimer une moyenne annuelle de 964 852 DH imputables aux déclenchements généraux (état sans projet). Nous allons considérer dans l’état avec projet 964 852 DH par an comme étant la recette de ce projet. Les seules dépenses seront les frais d’exploitation des ateliers (leur maintenance, remplacement des accessoires, pertes de ligne, etc.) et ils sont estimés à 150 000 DH par an. Données relatives au projet : flux de trésorerie encaissé : R=964 852 MDH flux de trésorerie décaissé D=150 000 DH valeur de l’investissement I=1 299 400 DH taux d’actualisation i=12% durée de vie du projet N=15 ans le tableau ci-dessous résume le calcul des VAN : Période Flux de trésorerie actualisé (DH) VAN en (DH) 0 1299400 -1299400 1 727542 -649808 2 649595 -131954 3 579995 280874 4 517853 609979 5 462368 872339 6 412829 1081491 7 368597 1248225 50 8 329105 1381145 9 293843 1487107 10 262360 1571579 11 234250 1638921 12 209152 1692605 13 186743 1735401 14 166734 1769519 15 148870 1796717 Tableau 3.9 : Récapitulatif des valeurs « cash flow » et « valeur actuelle nette » Selon les résultats du tableau ci-dessus, le VAN du projet est positif et est de l’ordre de 1.8 MDH, ce qui permet de conclure selon ce critère que le projet peut être retenu. Taux de rentabilité interne C’est la valeur de i qui correspond à une valeur actuelle nette nulle selon l’équation suivante : VAN 0 . Soit : ∑ N CFflux trésorerie k 1 1 i k I 0 – 1.3 = 0 De la résolution par calculs successifs de cette équation, on tire : TRI= 37.5% Quel que soit le taux d’actualisation au Maroc, cette valeur reste relativement grande et confirme que les revenus engendrés par le projet permettront de rémunérer le capital investi à un taux d’actualisation atteignant même 37.5%. Délai de récupération du capital investi C’est la valeur de k en années ou en mois où le VAN devient nul. Autrement, dit : 51 ∑ La courbe ci-dessous permet de déterminer le délai de récupération du capital investi. On voit bien que l’intersection entre de la courbe avec l’axe des abscisses est de presque 3 ans. Evolution du flux monétaire en fonction du temps 2000000 1500000 VAN en (DH) 1000000 500000 0 -500000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 -1000000 -1500000 Années Le projet de mise en place d’un système de délestage automatisé est à coup sûr un bon investissement, vu que les critères de rentabilité sont vérifiés : Délai de récupération court : POT= 3 ans ; La valeur actuelle nette (VAN) est positive : VAN=1.8 MDH; Le taux de rentabilité interne est meilleur : 37.5%. Conclusion : A travers ce chapitre, nous avons mis en évidence le rôle stratégique d’un système de délestage automatique au sein d’une entreprise industrielle. Nous avons d’abord présentés le système existant de délestage qui ne répond pas complètement aux exigences désirées. Par la suite nous avons proposés notre solution automatisée de ce système, nous avons développé une application en LADDER visant à mettre en pratique ce système et enfin nous avons menés une étude économique pour mieux apprécier la valeur de projet. 52 CONCLUSION GENERAL L’objectif principal de notre projet est de faire une étude détaillée d’un système de délestage automatique visant à assurer une marche normale du complexe en fonction de la production et la demande en énergie électrique. Pour cela nous avons commencés par une étude détaillée du réseau électrique au sains de MPI pour ensuite étudie le système de délestage automatique qui assurera la marche normale du complexe par le biais de développement d’un programme basé sur STEP7 ainsi nous avons développés une interface via WINCC flexible permettant aux opérateurs le contrôle et la gestion du processus. Sur l’aspect formation, nous pouvons confirmer que la réalisation de ce projet au sein du groupe OCP, nous a donné la possibilité de nous familiariser avec l’environnement de travail de l’ingénieur et de nous rendre compte des contraintes et des exigences du milieu industriel. Elle a ainsi constitué pour nous, une expérience professionnelle très riche et fructueuse aussi bien sur le plan technique que sur le plan relationnel. 53
