Presented at the Conference on Desalination Strategies in South Mediterranean Countries, cooperation betweenMediterranean Countries of Europe and the Southern Rim of the Mediterranean, sponsored by the EuropeanDesalination Society and Ecole Nationale d'Ingenieurs de Tunis, September 11–13, 2000, Jerba

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Desalination 137 (2001) 225–231

Optimisation de la consommation énergetique dans la stationde dessalement de Zarzis (12,000 m³/j)

Kamel FethiSonede-Division Production Sud Est, BP 700, Gabès 6000, Tunisia

Tel./Fax +216 (5) 278610

Received 3 August 2000; accepted 10 September 2000

Abstract

Forte de son expérience réussie dans la gestion de la station de dessalement de Gabès la SONEDE a conçu etréalisé la station de dessalement de Zarzis de capacité 12,000 m³/j tout en ayant les soucis constants d’optimiser lesaspects techniques et financiers. Le volet énergetique revêt une importance cruciale dans la mesure ou le coût del’énergie électrique contribue jusqu’à la hauteur de 50% du coût d’exploitation du mètre dessalé. La configurationdouble étages dans le dessalement des eaux saumâtres par osmose inverse en utilisant les modules spiralés estlargement adoptée. Les performances de ce système utilisé dans la station de dessalement de Zarzis sont largementaméliorées en insérent une pompe booster délivrant une pression de 5 bars entre les deux étages. Ce systèmeprésente les avantages suivants: La réduction de la pression d’attaque du premier étage; la compensation del’augmentation de la pression osmotique dans le second étage; une répartition plus équilibrée entre les débits despermeats de deux étages de chaque ligne; la diminution de la surproduction en permeat du premier étage. Ceci s’esttraduit par un gain substantiel en énergie électrique et un choix plus judicieux en équipements et en tuyauterie. Letableau suivant résume les différences entre les deux systèmes:Désignation Pression attaque Pression attaque Pression saumure, Salinité permeat,

1er étage, bar 2eme étage, bar bar mg/lConfiguration sans pompe interétage 17.8 16.6 15.9 154Configuration avec pompe interétage 13.0 16.7 16.0 148En outre, l’utilisation de variateurs de vitesse automatiques pour commander les moteurs électriques a permisd’optimiser leur fonctionnement et d’éviter les pertes d’énergie dans l’étranglement des vannes. Le gain énergétiqueest sensiblement égal à 25%.

Keywords: Desalination; Plant performance; Booster pump; Energy consumption; Reverse osmosisIn French (English title: Energy consumption of the Zarzis desalination plant)

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1. Introduction

La station de dessalement de Zarzis decapacité 12,000 m³/j a été mise en service en août1999. Elle utilise le même procédé membrannaired’osmose inverse que les deux premières stationsde dessalement de Kerkennah et Gabès réaliséespar la SONEDE respectivement en 1983 et 1995.La configuration du système d’osmose inversede ces trois stations ainsi que celle de Djerbacomporte deux étages à rejet en série. Cependantla conception de la station de Zarzis (ainsi que lastation de Djerba) comporte deux nouveautés quiconsistent dans l’insertion d’une pompe boosterentre les deux étages et l’entraînement despompes haute pression et booster par des moteursà vitesse variable. L’objectif essentiel estl’économie de l’énergie électrique et l’adaptationdes paramètres d’exploitation à la qualité réelled’eau brute. Cette note technique discute lesdifférences entre la configuration traditionnelleet celle avec pompe inter étage.

2. Presentation breve de la station dedessalement de Zarzis

La construction de la station de dessalement deZarzis s’intègre dans un grand projet derenforcement et d’amélioration de la qualité deseaux distribuées dans le Gouvernorat deMedenine et Tataouine et notamment dans larégion de Zarzis et L’Ile de Djerba.

L’eau brute provient d’un réseau de collectecomportant 8 forages captant la nappe deMiopliocéne de Djeffara. L’analyse chimique dela composition de l’eau dont la températureavoisine 30° fait apparaître la dominance d’unfaciès sulfaté chloruré sodique. La salinité d’eaus’éléve en moyenne à 6 g/l. Elle est le double decelle traitée auparavent dans les stations dedessalement de Kerkennah et Gabès.

Le prétraitement comporte une oxydation desmétaux par aération, une décarbonatation

décantation, une filtration sur filtres à sable, unajustement du pH, une microfiltation et l’injectiond’un séquestrant pour inhiber les dépôts des sels.Le postraitement consiste en une opération dedégazage et une augmentation de l’alcalinité parl’ajout de la soude.

La station comporte trois lignes d’osmoseinverse de capacité unitaire 4000 m³/j. L’eaufiltrée est injectée dans le bloc d’osmose inverseen trois phases. En première étape l’eau estreprise par une pompe de gavage et refoulée à undébit de 223 m³/h et une pression de 50 m.

Dans la deuxième phase une pompe centrifugemonocellulaire haute pression commandée par unvariateur de vitesse fournie la pression nécessaireau fonctionnement des modules d’osmose inverse.La pression d’attaque avoisine les 140 mètres. Endernière phase une pompe interétage de pressionde refoulement 50 métres à vitesse variable estintercalée entre le 1er étage et le second.

La station est équipée par 654 modulesspiralés en polyamide type Hydraunantics(CPA3). Chaque ligne est divisée en deux étages.Le premier comporte 24 tubes de pression et lesecond 12. La saumure du premier alimentel’entrée de deuxième étage. Le taux de conversionadopté est de 75%.

3. Developpement theorique

Les performances d’une membrane d’osmoseinverse sont évaluées en termes de Pression Netted’Attaque (Pna) nécessaire pour produire ledébit de permeat voulu et le passage en selcorrespondant (PS). Le débit spécifique depermeat pour une membrane donnée, qui définiela Pna du système, détermine la pressiond’alimentation (Pa) et la consommation énergé-tique d’un système d’osmose inverse.

La pression nette d’attaque (Pna) est ladifférence entre la pression d’alimentation Pa(de la pompe haute pression) et la somme de lapression osmotique de l’eau brute Po, la perte de

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charge DP, la pression de permeat Pp et lapression osmotique de permeat généralementnégligeable Pop.

( )( )PpPPoPaPna

PopPpPPoPaPna+∆+−≈

++∆+−=(1)

Le débit de permeat Qp directementproportionnel à la perméabilité spécifique de lamembrane et la Pna dans un point donné dusystème d’osmose inverse.

PnaKQp .= (2)

Dans un système d’osmose inverse (RO)conventionnel la pression Pna diminue le longdu tube de pression à cause de l’augmentation dela pression osmotique d’alimentation et ladiminution de la pression d’entrée due aux pertesde charge hydrauliques.

Il est évident qu’il est nécessaire que lapression d’entrée soit suffisamment élevée pourgarantir aussi une pression Pna dans le derniermodule du système RO où la pression osmotiqueest la plus importante.

D’autre part, le débit de permeat par modulediminue en allant de l’amont à l’aval dans unsystème RO suite à la diminution de la pressionPna.

Dans un système RO d’eau saumâtre à deuxétages, la salinité de l’eau à dessaler dans lepremier étage est moins élevée que dans lesecond étage alors que la pression nette d’attaqueest plus importante dans le premier étage quedans le deuxième. Cette difficulté est traitée dansun système RO conventionnel, par l’applicationd’une contre pression coté permeat du premierétage en agissant sur une vanne. Cette contrepression doit être compensée par la pressiond’entrée ce qui induit une perte d’énergie nonnégligeable.

3.1. Une nouvelle conception

Une solution alternative consiste dansl’insertion d’une pompe booster entre les deux

étages. L’avantage de cette approche est le gaind’énergie en plus de la meilleure répartition dedébit de permeat et de passage en sel.

La consommation énergetique d’un procédé.RO est essentiellement la combinaison d’énergiede pompage d’eau brute, de la compensation despertes de charge dans le prétraitement, defonctionnement des auxiliaires, de pompagehaute pression et du transfert de permeat. Lemoteur électrique de la pompe haute pressionaccapare la majorité de l’énergie demandée. Laconsommation spécifique en énergie attribuée àcette pompe dépend de la pression d’entrée Padu système RO, du taux de conversion (Tc) etdes rendements de la pompe np et du moteurélectrique nn.

Pour le système qui utilise une pompe boosterl’énergie consommée est la somme de cettedernière et de la pompe haute pression.

4. Simulation du fonctionnement de la stationde dessalement de Zarzis

4.1. Membrane choisie et disposition adoptée

Les modules spiralés en polyamide typeHydraunantics CPA3 utilisées dans la station dedessalement de Zarzis ont les caractéristiquessuivantes aux conditions d’essais (salinité d’eaud’alimentation 1500 ppm Nacl, Pa=15.5 bars,t=25°C, pH~6,5, taux de conversion 15%).

Type elément CPA3Rejet en sel 99,6%Débit permeat 41,6 m³/j

Les membranes sont assemblées en deuxétages, le rejet du premier alimente le second.Elles sont disposées dans des tubes de pression.Chaque tube de pression comporte six modulesen série. Le taux de conversion de chaque étageavoisine le 50%.

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4.2. Les simulations

Le diagramme suivant illustre les paramètresde fonctionnement d’une ligne dans le cas d’uneconfiguration traditionnelle pour un taux deconversion de 75% et une température d’eau brute

de 30°C. une contre pression de 4.5 bars côtépermeat premier étage est appliquée (Fig. 1).

Avec l’insertion d’une pompe booster de5 bars entre les deux étages les paramètresd’exploitation évoluent comme c’est mentionnésur le diagramme suivant (Fig. 2).

F

F

ig. 1.

ig. 2.

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4.3. Comparaison de deux configurations

4.3.1. La pression osmotique et la pressiond’attaque

La pression osmotique est sensiblement lamême dans les deux configurations puisque letaux de conversion n’a pas changé. Elle est de4.5 bars pour le premier élément et atteint 15.6bars pour le dernier élément du bloc RO.

Cependant les pressions d’attaque sontcomplétement différentes pour le premier étageet se rapproche dans le second comme le montrentles Fig. 3 et Fig. 4. Dans la configuration avecpompe intercalée la pression du booster est égaleà 5 bars. Dans ce cas le point d’inflexion se situeau niveau du 7-iéme élément c’est à dire lepremier élément du second étage.

La pression recommandée pour la pompehaute pression dans la configuration convention-nelle est de 19 bars. Elle n’est que de 14 barspour la configuration avec pompe booster.

4.3.2. Débit de permeat

Le premier étage de la configuration con-ventionnelle est un peu plus sollicitée malgré lacontre pression par contre le second étage estplus productif dans l’autre configuration. Lesmembranes de deux étages produisent dans desconditions meilleures dans la configuration avecpompe booster.

Fig. 5 illustre le comportement de débit depermeat le long des éléments des tubes depression.

4.3.3. Salinité de permeat

On constate une légèrement amélioration dela salinité du permeat pour la configuration avecpompe booster notamment dans le second étagequi est généralement responsable de l’augmenta-tion du passage en sel (Fig. 6).

4.3.4. Bilan énergetique

La puissance hydraulique P en kW fourniepar une pompe débitant un débit Q (m³/h) à unehauteur manométrique totale H (en bars) estdéfini par la formule (3).

HQP ..0278.0= (3)

La puissance consommée dans la configura-tion conventionnelle s’élève à Pc = 0.0278.222.4 ×17.8 = 110 kW. Pour le système RO avec pompebooster la puissance Pb se calcule comme suit:

( ) kW 6.955110134,2220278.0 =×+×=Pb

Le gain énergétique est alors évalué à 13.1%.

5. Opportunité de l’utilisation d’un turbocharger

L’insertion d’une pompe booster entre lepremier et le second étage d’un système ROengendre certainement un gain énergétique.Toutefois, la pompe qui est entraînée par unmoteur électrique engendre par conséquent unecharge de plus qui peut étre évitée en faisantrecours au turbo charger. Cet équipement,développé aux Etats Unis durant ces dernièresannées, converti l’énergie hydraulique potentielledans le rejet des saumures en pressiond’entraÎnement. Il est constitué de deux roues quitournent en sens inverse mais elles sontentraînées par le même axe. Le débit de rejet àpression élevée céde son énergie à la turbineavant d’échapper à la pression atmosphérique.Cette énergie est récupérée par la pompe del’autre coté qui aspire l’eau à la sortie du premierétage et la refoule à l’entrée du second. Ainsi unepression additionnelle est injectée dans lesystème sans dépenser une énergie électriquesupplémentaire.

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Fd

Fd

6v

6v

ddmdldc

ig. 3. Variation de la pression d’attaque et osmotiqueans un système conventionnel.

Fig. 4. Variation de la pression d'attaque et osmotiquedans un système avec pompe booster.

ig. 5. Variation de la production par élèment dans leseux configurations.

. Pompe haute pression et booster a vitesseariable

.1. Justification du choix des variateurs deitesse

Les pompes d’un système d’osmose inverseoivent être dimensionnées en tenant compte,’une part d’un colmatage éventuel desembranes et d’une chute de leur productivité et

’autre part d’une augmentation de la salinité de’eau brute. Généralement une marge de sécuritéans la hauteur manométrique de la pompe estonsidérée.

Fl

rldpppdàdtfv

ig. 6. Variation de salinité a la sortie des élèments danses deux configurations.

Au démarrage, on est dans l’obligation deéduire l’ouverture de la vanne d’entrée de laigne d’osmose inverse pour compenser le sur-imensionnement des caractéristiques de laompe. Ceci induit bien une perte d’énergie. Pourallier à cette perte, il a été décidé d’entraîner lesompes haute pression et booster de la station deessalement de Zarzis par des moteurs électriques vitesse variable commandés avec des variateurse vitesse en agissant sur la fréquence de laension appliquée. Ainsi en diminuant laréquence du réseau STEG qui est de 50 Hz à unealeur optimale on applique la pression d’entrée

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juste utile pour produire le débit permeat voulusans vannage et sans perdre d’énergie gratuite-ment.

Ce choix est devenu opportune suite auxprogrès enregistrés dans la fabrication desvariateurs de vitesse tant sur le plan encom-brement que sur le plan prix. Un variateur devitesse de 50 KW coûte aujourd’hui 5000 dinarsTTC.

6.2. Rendement des pompes

Quand la vitesse d’une pompe centrifugevarie, les débits varient dans les rapports desvitesses, les hauteurs varient dans le rapport ducarré des vitesses et les puissances dans lerapport du cube des vitesses. Le rendement estpeu affecté par le changement de régime demarche à condition que les écarts des vitesses nesoient pas excessifs.

( )( )3

2

//

//

//

vVpP

vVhH

vVqQ

=

=

=

Q est le débit à la vitesse V et à la hauteur H.

Les courbes d’égal rendement tracées sur legraphique des courbes QH donnent lieu à desformes semi-élliptiques (ρ=9,81 QH/P). Il estpossible d’avoir une bonne étendue de débit dansles limites très acceptables de rendement par leseul fait de modifier la vitesse de rotation de lapompe.

6.3. Gain d’énergie

L’adaptation des vitesses des pompes dusystème d’osmose inverse aux caractéristiquesexigées par le procédé permet d’éviter les pertesdans l’étranglement des vannes et profiter de lapression résiduelle de la pompe de gavage.

Le gain énergétique dans la station dedessalement de Zarzis du à cette amélioration estestimé à 12% durant les premières annéesd’exploitation.

7. Conclusion

Deux nouveautés ont été introduites dans laconception du système d’osmose inverse de lastation de dessalement de Zarzis: L’utilisation d’une pompe booster entre les

deux étages RO. La variation des vitesses des pompes haute

pression et booster.

Contrairement à la conception conventionnelleou une perte d’énergie considérable est enre-gistrée dans l’étranglement des vannes etl’application d’un contrôle pression côté permeatdu premier étage, la nouvelle configurationadoptée présente les avantages suivants: Une meilleure répartition de débit de permeat

entre les deux étages. Réduction de la pression d’entrée. Absence des étranglements des vannes. Une amélioration de la salinité du permeat. Un gain substantiel d’énergie électrique

pouvant atteindre le 25%.