Dimensionnement d’un réservoir de GPL pour un groupe électrogène de 40 kW : vaporisation et temps froid

Un générateur GPL de 40 kW nécessite un réservoir capable de remplir deux fonctions : stocker suffisamment de combustible pour la durée de fonctionnement requise et fournir des vapeurs de combustible à un débit suffisant à la température minimale prévue. Un réservoir peut répondre aux exigences d’autonomie tout en étant trop petit pour permettre un soutirage fiable des vapeurs, en particulier lorsqu’il est presque vide et qu’il fonctionne depuis plusieurs heures.

Pour un groupe électrogène GPL caréné de 40 kW, le choix dépend donc de la consommation de combustible du moteur, de la composition spécifiée du combustible, de la température minimale de fonctionnement et du niveau de remplissage acceptable du réservoir — et pas uniquement de la puissance électrique. Pour justifier le dimensionnement du réservoir, il faut disposer de sa capacité de vaporisation dans ces conditions, puis vérifier l’ensemble du système d’alimentation en combustible.

Commencer par déterminer la consommation du générateur

La donnée à privilégier est la consommation de combustible indiquée par le fabricant du générateur pour la charge requise, exprimée en kg/h, en L/h de propane liquide ou en volume de gaz par heure clairement défini. Vérifiez si la valeur s’applique au propane ou à une autre composition de GPL, et si elle correspond à un fonctionnement continu à la puissance nominale. La consommation à charge partielle est utile pour estimer la consommation habituelle, mais elle ne remplace pas la valeur à pleine charge lorsque la pleine puissance doit être disponible.

Si seul le volume de gaz est indiqué, sa température et sa pression de référence sont importantes. Une valeur exprimée en mètres cubes normaux par heure ne peut pas être assimilée à un volume réel dans la tuyauterie sans tenir compte de ces conditions. Pour les calculs de stockage, convertissez la consommation en volume de liquide ou en masse en utilisant les propriétés correspondant au combustible spécifié.

Un exemple de calcul illustre la différence entre stockage et vaporisation. Supposons que le fabricant indique14 kg/h à la charge de fonctionnement requise et que le projet exige 24 heures de fonctionnement sans ravitaillement. La quantité de combustible utilisable nécessaire est la suivante :

14 kg/h × 24 h = 336 kg de GPL

Il s’agit d’un exemple, et non d’une valeur de consommation applicable à tous les générateurs de 40 kW. La capacité nominale requise du réservoir sera supérieure, car celui-ci ne peut pas être rempli jusqu’à son volume géométrique total et le projet peut prévoir une quantité minimale de combustible ou une réserve. Le niveau de remplissage maximal autorisé doit être conforme aux règles applicables et aux instructions du fournisseur ; il ne faut pas supposer qu’il est identique pour tous les réservoirs et dans toutes les juridictions.

Pourquoi un réservoir dimensionné pour l’autonomie peut néanmoins être insuffisant par temps froid

Dans un système à soutirage gazeux, le GPL liquide absorbe la chaleur à travers la paroi du réservoir et depuis l’environnement ambiant pendant son évaporation. Le soutirage refroidit le liquide restant. Lorsque le réservoir perd de la chaleur plus vite qu’il ne peut en récupérer, la température du liquide et la pression de vapeur diminuent. Le détendeur peut alors recevoir une pression d’entrée insuffisante, même s’il reste du combustible liquide dans le réservoir.

La capacité de vaporisation naturelle n’est pas une valeur fixe qui dépend uniquement du volume du réservoir. Elle dépend de la température ambiante, de la température du liquide, de la surface mouillée exposée, de la composition du combustible et de la durée du soutirage. Un réservoir partiellement vide présente une surface mouillée disponible pour le transfert thermique plus faible que le même réservoir à un niveau de remplissage supérieur. Une capacité nominale calculée pour un réservoir plein ou récemment rempli peut donc surestimer la capacité disponible vers la fin d’un fonctionnement prolongé.

Le propane et le butane se comportent également différemment par temps froid : le butane a un point d’ébullition plus élevé et contribue moins facilement à l’alimentation en vapeur à basse température. Si le GPL livré est un mélange, sa composition peut influer à la fois sur la pression et sur les performances de vaporisation ; la composition de la vapeur soutirée peut différer de celle du liquide restant. Utilisez le combustible spécifié par le fournisseur et les données de vaporisation applicables, plutôt que de supposer que tous les produits commercialisés comme GPL se comportent comme du propane commercial.

Pour un générateur de secours, le cas critique peut être une panne prolongée par temps froid, plutôt qu’un bref essai hebdomadaire. Le réservoir doit être vérifié à la température ambiante minimale crédible, au niveau de liquide minimal prévu et pour la durée requise à la charge attendue. La neige ou la glace autour du réservoir peut affecter le transfert thermique et l’accès ; les conditions locales d’installation doivent donc également être prises en compte.

Vérifier la vaporisation à l’aide des données du fournisseur

Demandez au fournisseur du réservoir ou du GPL la capacité de vaporisation naturelle en kg/h à la température de calcul et au niveau minimal de liquide, en précisant la durée de soutirage. Comparez cette capacité au débit massique maximal de combustible requis par le générateur, auquel s’ajoute toute autre demande simultanée de vapeur. La capacité doit être suffisante dans les mêmes conditions ; une valeur de tableau correspondant à une température plus élevée ou à un niveau de remplissage supérieur ne constitue pas une solution de remplacement valable.

Si le fournisseur exprime la capacité en puissance thermique plutôt qu’en débit massique, utilisez la même base de pouvoir calorifique pour les deux termes de la comparaison. Si la consommation du générateur est exprimée sur la base du pouvoir calorifique inférieur et que le tableau du réservoir utilise le pouvoir calorifique supérieur, harmonisez les valeurs avant de les comparer. Évitez d’appliquer un coefficient multiplicateur arbitraire au volume du réservoir : la géométrie et les hypothèses du tableau peuvent modifier le résultat.

Si la vaporisation naturelle est insuffisante, un réservoir plus grand, plusieurs réservoirs configurés de manière appropriée ou un vaporiseur conçu à cet effet peuvent être envisagés. Plusieurs réservoirs nécessitent des collecteurs et des détendeurs correctement conçus ; leur capacité nominale de stockage cumulée ne suffit pas à établir le débit qu’ils peuvent fournir. Un vaporiseur peut augmenter la production de vapeur, mais il implique ses propres exigences en matière d’alimentation, de commande, d’installation et de maintenance. Pour une application de secours, sa capacité à fonctionner pendant la panne doit faire partie de la conception.

La capacité du réservoir ne suffit pas à définir les performances du système d’alimentation

Même si la capacité de vaporisation du réservoir est suffisante, le générateur peut manquer de combustible en raison de pertes de pression excessives ou d’un détendeur sous-dimensionné. Vérifiez la capacité du détendeur aux pressions réelles en amont et en aval, ainsi que la longueur et le diamètre des conduites, les raccords, les vannes, les filtres et les éventuels effets de dénivelé. Le fournisseur du générateur doit préciser la plage de pression d’entrée du combustible acceptable et l’emplacement où la pression doit être mesurée.

Le démarrage et la prise de charge doivent également être pris en compte. Vérifiez si le fabricant spécifie une demande transitoire de combustible ou une pression minimale pendant le démarrage et les variations de charge. Un système dimensionné uniquement en fonction de la consommation horaire moyenne peut ne pas maintenir la pression lors de ces événements. À l’inverse, il ne faut pas supposer que le débit maximal nominal d’un détendeur est disponible à toutes les pressions d’entrée, surtout lorsque la température du réservoir baisse.

Les exigences relatives au système d’alimentation en combustible varient selon l’application. Par exemple, legroupe électrogène de cogénération au gaz naturel de 200 kW est une unité de cogénération et de refroidissement au gaz naturel ; les hypothèses concernant son alimentation en combustible ne doivent pas être reprises pour un générateur GPL de 40 kW. Le type de combustible, les exigences de pression et les données de consommation du moteur doivent correspondre à l’équipement évalué.

Installation et vérification

Respectez les codes en vigueur dans la juridiction où l’installation est réalisée. Aux États-Unis, la norme NFPA 58 traite du stockage et de la manutention du GPL, tandis que la norme NFPA 37 peut également s’appliquer aux moteurs fixes à combustion ; les éditions adoptées, les modifications locales et les exigences de l’autorité compétente déterminent les règles applicables. D’autres pays appliquent des règles différentes. L’emplacement du réservoir, les distances de séparation, la protection contre le surremplissage, les soupapes de décharge, la tuyauterie et l’installation du vaporiseur doivent être évalués conformément aux exigences en vigueur et aux instructions des équipements.

Avant d’approuver la conception, obtenez les spécifications du générateur relatives à la consommation de combustible et à la pression d’entrée, la composition du combustible fournie par le fournisseur et une capacité de vaporisation du réservoir documentée pour le cas de calcul. La mise en service doit inclure des contrôles de la pression du combustible au générateur dans des conditions de charge représentatives, effectués par du personnel qualifié selon des procédures approuvées. Un essai par temps chaud peut révéler des problèmes d’alimentation, mais ne suffit pas, à lui seul, à démontrer la capacité de vaporisation par temps froid.

Le choix final correspond à la configuration conforme la plus petite qui satisfait à la fois les besoins en combustible utilisable et les exigences d’alimentation continue dans le cas défavorable défini, en indiquant clairement toute réserve propre au projet et toute marge de fonctionnement. Si l’une de ces exigences n’est pas démontrée, le seul volume nominal du réservoir ne constitue pas une base fiable pour l’approbation.