Brevet FR2413612A1 — publié le 19790727

La gazéification du charbon minéral produit un gaz à faible pouvoir calorifique (compris entre o00 et 3600 kcal/m3) dont les propriétés varient dans le t ps suivaiit'la qualité du charbon gazéifié. L'utilisation de ce gaz en tant que combustible d'alimentation d'une chaudière par exemple, pose des problèmes quant au maintien de la puissance thermique nominale. de la chaudière. I1 existe des solutions simples pour maintenir sensiblement constante cette puissance thermique par des mesures d'écarts de températures destinées à varier le débit massique de gaz combustible en vue de compenser ces écarts et à maintenir sensiblement constante la puissance de la chaudière. I1 est également possible d'adapter le taux d'excès d'air comburant aux variations des proprios du gaz combustible en mesurant la quantité d'oxygène à la sortie de la chambre de combustion, par exemple, à l'aide d'un analyseur d'oxygène, en vue d'ajuster le débit massique d'air an taux d'excès d'air désiré. Cette solution présente cependant~plusieurs inconvénients dont celui d'utiliser un appareil de mesure sur des installations industriellWs. Or, pour e telles installations, cet apparei0. de mesure présente un autre inconvénient, qui provient du fait qu'il ne peut pas contrôler des chaudières munies de plusieurs brûleurs, étant donné que l'analyseur d'oxygène est alors incapable de déceler quel est le brûleur responsable de la variation du taux d'excès d'air enregistré. Le but' de la présente invention est de remédier, au moins partiellement, aux inconvénients de la solution susmentionnée. A cet effet, la présente invention a tout d'abord pour objet un procédé de régulation du taux instantané d'excès d'air dans une chambre de combustion alimente en combustible gazeux dont le débit et/ou le pouvoir calorifique est variable. Ce procédé de régulation est caractérisé par le fait que l'on alimente un brûleur pilote par prélèvement d'une fraction du débit massique de gaz combus=,;;;e.destiné à l'alimentation de ladite chambre, - que l'on prélève une portion du débit de l'air destiné à alimenter cette chambre au travers d'un conduit calibre de façon que, pour une valeur de référence du taux d'excès d'air fourni à la chambre de combustion, la portion du débit massique d'air ainsi prélevé soit dans un rapport stoechiométrique avec ladite fraction de gaz combustible prélevé, - que l'on brille ce mélange d'air et de gaz prélevés dans ledit brûleur pilote, - que, tout au long de la combustion obtenue grace au brûleur pilote, on mesure un paramètre résultant de cette combustion et dont la valeur est maxima aux conditions stoechiométriques et, - qu'on varie le débit massique de l'air d'alimentation de la chambre de combustion et, partant, la valeur de ladite portion du débit massique d'air prélevé de façon que la valeur de ce paramètre soit maintenue à son maximum. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisé par le fait qu'il comporte un brûleur pilote, deux conduits pour relier ce brûleur, respectivement à un conduit d'alimentation en gaz d'un brûleur principal et à son conduit d'alimentation en air en un point de ce dernier conduit situé en aval d'une vanne de réglage,les résistances aux passages de l'air et du gaz dans les conduits respectifs reliant le brûleur pilote auxdits conduits d'alimentation étant choisies pour que le rapport des débits d'air et de gaz amenés au brûleur pilote soit stoechiométrique lorsque le brûleur principal est alimenté avec un taux d'excès d'air voulu, et des moyens sensibles à la température de la flamme résultant de la combustion du mélange de gaz et d'air dans le brûleur pilote, formant un signal caractéristique de cette température. Le dessin annexé illustre très schématiquement, et à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention. La figure 1 est un schéma d'une installation de combustion alimentée en gaz et munie de ce dispositif. La figure 2 est un diagramme explicatif. Les figures 3 et 4 sont des schémas des différentes fonctions du dispositif utilisé dans l'installation illustrée par la figure 1. La figure 1 illustre une chambre de combustion 1,parex3qAe une chaudière munie d'un brûleur principal 2 représenté très schématiquement, dans lequel aboutissent deux conduits d'alimentation 3, 4 reliés respectivement à un ventilateur 5 et à une source de gaz sous pression 6. Une vanne de réglage 7 contrôle le débit d'air dans le conduit 3, tandis qu'une autre vanne de réglage 8 contrôle le débit de gaz dans le conduit 4. Chacune de ces vannes de réglage 7 et 8 est reliée à un servomoteur d'actionnement, respectivement 9 et 10, qui peut être constitué par un moteur, un électro-aimant, voire un organe pneumatique. Ces organes d'actionnement 9 et 10 sont commandés par deux boucles de réglage, une première boucle comprenant l'organe d'actionnement 9 de la vanne 7 et une seconde boucle comprenant l'organe d'actionnement 10 de la vanne 8. La boucle qui se termine par l'organe d'actionnement 9 constitue le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. Ces deux boucles de réglage présentent des parties communes, à savoir un premier conduit 11 contrôlé par une vanne de réglage 12 et branché sur le conduit d'alimentation d'air 3, en aval de la vanne 7,etun cond conduit 13 branché sur le conduit d'alimentation de gaz 4 en aval de la vanne 8. Ces deux conduits 11 et 13 aboutissent à un brûleur pilote 14 monté sur un calorimètre 15. Ce calorimètre 15 est destiné à effectuer deux mesures distinctes, l'une caractéristique du pouvoir calorifique du gaz combustible' et l'autre destinée à mesurer la température de la flamme. La première de ces mesures, connue en elle-même, est utilisée dans la seconde boucle de réglage et sert à déterminer la puissance instantanée de la chambre de combustion 1. A cet effet, le calorimètre se présente sous la forme d'un tube divisé en un premier tronçon isolé par un manchon 16 par exemple en matériau réfractaire, correspondant sensiblement à la longueur de la flamme et formant la chambre de combustion du calorimètre et un second tronçon, constituant l'élément calorimétrique, formé par un second manchon 17 à paroi intérieurement creuse et relié avec l'extérieur par un conduit d'entrée 18 et par un conduit de sortie 19. Le conduit d'entrée 18 est destins à être branché à une source d'alimentation d'eau froide (non représentés). Deux thermo-éléments 20 et 21 sont placés dans les conduits d'entrée 18, respectivement de sortie 19, et délivrent des signaux à un régulateur 22 de ccmmande du servomoteur 10. Ce système de réglage est connu en lui-même et ne fait pas partie de l'invention. C'est la raison pour laquelle nous ne le décrivons pas plus en détail. I1 suffit de savoir que le régula teur 22 est étalonné pour une différence de température a T donnée entre les thermo-éléments 20 et 21, caractéristique de la puissance désirée pour la chaudière de combustion 1, et qu'il commande le servomoteur 10 pour diminuer ou augmenter le débit dans le conduit d'alimentation 4, suivant que AT augmente ou diminue par rapport à la valeur de consigne. Ce système de réglage a pour effet de maintenir la puissance de la chambre de combustion à une valeur constante. Le dispositif objet de l'invention a pour but d'adapter le taux d'excès d'air dans la chambre de combustion 1 en fonction des variations de débit et/ou de ccmposition du gaz dans le conduit d'alimentation 4. Comme nous l'avons mentionné précédemment, il existe des gaz, notamment ceux provenant de la gazéification du charbon dont les propriétés sont variables dans le temps. Par conséquent, pour une puissance constante, le débit massique de gaz combustible peut varier considérablement, nécessitant un débit massique variable d'air comburant. Le calorimètre 15 est un élément commun au système de réglage du débit de gaz combustible que 'on vient de décrire et au dispositif objet de l'invention. Ce dispositif comporte un thermoélément 23 placé à l'extrémité du manchon 16 en matière réfractaire. La position du thermo-élément 23 présente une certaine importance quant à la précision de la mesure. Cette mesure est relative et il est important que les températures soient constamment relevées dans des conditions comparables. C'est la raison pour laquelle le thermo-élément 23 est placé à une certaine distance de l'extrémité de la flamme. Cette dernière peut en effet être de longueur variable en onction des débits de gaz combustible et d'air. I1 est alors nécessaire que toutes les températures soient relevées à l'extérieur de la flamme, le gradient de température variant fortement à l'intérIeur de celle-ci. I1 est ensuite important qe ce relevé de température soit effectué avant que les gaz chauds ne cèdent de la chaleur à l'eau qui circule dans la paroi du manchon creux 17. C'est la raison pour laquelle la flamme est entourée d'un manchon 16 en matériau réfractaire et que le manchon 17 destiné au chauffage de l'eau est disposé à la suite du manchon 16 et ne commence qu'à une certaine distance de l'extrémité de la flamme, le thermo-élément 23 se trouvant sensiblement à la jonction des manchons 16 et 17 à un endroit que la flamme n'atteint pas et où les gaz chauds n'ont pas encore été refroidis par la paroi creuse du manchon 17. Bien entendu, la paroi de ce manchon 17 pourrait également être entourée par un serpentin relié à la source d'eau froide susmentionnée. Le thermo-élément 23 est connecté aux entrées de trois éléments d'un circuit de commande du servomoteur 9 qui sont cons titués par un filtre 24, un comparateur 25 et un multiplicateur algébriaue 26. Ce'dernier élément, le multiplicateur 26, présente une seconde entrée connectée, par l'intermédiaire d'un organe de retard 27, à une sortie d'un générateur de perturbations 28, qui peut être constitué par un oscillateur délivrant des signaux carrés illustrés par les diagrammes a des figures 3 et 4. Une autre sortie de ce générateur 28 est connectée à un électro-aimant 29 de commande d'une vanne "tout ou rien" 30, gui contrôle un conduit de dérivation lla branché sur le conduit 11. La sortie du multiplicateur 26 est connectée à un élément de commande 31 du servo-moteur 9 dont une seconde entrée est connectée à la sortie du comparateur 25. Le procédé de réglage que nous allons décrire est basé sur le fait que la température d'une flamme varie en fonction de la proportion d'air mélangée au combustible. Cette température est maximale dans des conditions stoechiométriques, c'est-à-dire lorsque h = 1 (voir fig. 2) et elle diminue lorsque la masse d'air est plus faible ou plus forte que celle correspondant à / = 1 formant une courbe d'allure symétrique autour du maxi- mum. Dans la pratique, toutes les chambres de combustion fonctionnent avec un certain excès d'air de sorte que 3 est généralement compris entre 1 et 2. Ce taux d'excès d'air doit être constant essentiellement pour deux raisons; stil diminue, la combustion est incomplète et l'indice de suie dans les fumées (indice Bacharach) augmente.S'il croît, le rendement thermique diminue du fait que davantage de chaleur est évacuée en raison de l'ac croissement du débit massique de f -.ée dans la cheminée. En dehors des conditions stoechiométriques et compte tenu de l'allure de la courbe de la figure 2 il n'est pas possible de mesurer directement dans la chaumière 1 le taux d'excès d'air en mesurant la température d'une lamme resultant d'une combustion dans laquelle h > 1, surtout avec des gaz ayant des propriétés variables. Par contre rien ne s'oppose à brûler le combustible amené par le conduit 13 au brûleur 14 dans des conditions stoechiométriques, étant donné que le combustible prélevé par le conduit 13 ne présente qu'une très petite fraction du combustible brûlé dans la chambre de combustion 1, de l'ordre de la 100e, voire de la 1000e partIe suivant la puissance nominale de la chambre 1. Du fait que les débits de gaz et c'air dans les conduits 13 et 11 sont proportionnels à cieux des conduits d'alimentation 4 et 3, il suffit d'étalonner les débits de gaz et d'air dans les conduits 13 et 11 pour obtenir, dans le calorimètre 15, une combustion dans des conditions stoachiométriques pour un taux d'excès d'air donné dans la chambre 1. En pratique, cet étalonnage peut être effectué avec un gaz de référence, c'est-à-dire essentiellement un gaz présentant des propriétés constantes. On alimente le brûleur 2 en gaz et en air par les conduits 4 et 3 et on mesure la quantité d'oxygène dans les gaz de combustion a l'aide d'un analyseur d'oxygène et on ajuste la vanne 7 fonction du taux d'excès d'air souhaité. Une fois ce taux fixé, on effectue la mesure de la température de la flamme du brûleur pilote 14. On varie le débit d'air dans le conduit 11 à l'aide de la vanne de réglage 12 en prenant soin que le débit du combustible reste constant jusqu'à ce cue la température de la flamme arrive à un maximum, caractéristique d'une combustion stoechiométrique. A ce moment on verrouille la vanne 12 dans la position de réglage obtenue. Cette opération d'étalonnage se fait une fois pour toute lors de la mise en service de l'installation. Elle peut être effectuée soit manùellement et empiriquement,soit par calcul, la méthode manuelle présentant l'avantage d'être extrêmement simple. Bien entendu, pour ce réglage, le régulateur 22 doit être mis hors service et le thermo-élément 23 doit être déconnecté du circuit de commande du servo-moteur 9. Après cet étalonnage, l'installa- tion peut être mise en service. Immédiatement, le régulateur 22 va régler la puissance de la chambre de combustion 1 en fonction de la différence de température relevée dans le dispositif calorimétrique 17 et celle qui est affichée dans ce régulateur 22, en agissant sur le servomoteur 10. Le thermo-élément 23 mesure la température de la flamme. Toutefois, étant donné que les gaz brûlés dans la chambre 1 ont des propriétés variables, la température stoechiométrique est également variable. Par conséquent, la mesure d'une température absolue n'est pas exploitable et il est nécessaire de rechercher la température maximale, caractéristique des conditions stoechiométriques et ceci, compte tenu des variations de la composition du gaz. A cet effet, le circuit fonctionne de la manière suivante Le générateur de perturbations alimente l'electro-aimant 29'par des signaux de fréquence déterminée illustrés par les diagrammes a des figures 3 et 4. La soupape 30 est normalement fermée de sorte que les signaux mettant l'electro-aimant sous tension ouvrent la soupape 30,les lettres "O" et "F" du diagramme a indiquant l'état ouvert, respectivement fermé de la soupape 30. I1 résulte de cette opération que le débit d'air dans le conduit 11 fluctue à la fréquence du signal du diagramme a et induit une variation périodique d'amplitude constante a > du débit massique d'air comburant.Le diagramme de la figure 2 illustre l'effet des variations E E de la masse d'air comburant suivant l'endroit de la courbe de variation de la température en fonction de la masse d'air. On remarque que plus le taux d'air comburant est voisin de 1, c'est-à-dire, de la valeur stoechiométrique, plus la valeur de a T diminue, aussi bien lorsqu'il y a excès d'air que manque d'air, la courbe étant symétrique par rapport à la valeur stoechiometrique. Toutefois, la pente des tangentes à la courbe de la figure 2 change de sens suivant que la masse d'air est inférieure ou supérieure à # =-1.En pratique cette inversion de pente se traduit de la manière suivante pour A C 1 on a T1 1, T1 > T2 pour une meme augmenta- tion de # . Le schéma de fonction de la figure 3 illustre le cas dans lequel ) Le multiplicateur 26 a pour but de former des signaux positifs si a T augmente lorsque la vanne 39 s'ouvre, et des signaux négatifs dans le cas contraire. Dans l'exemple de la figure 3 les signaux du multiplicateur illustrés par le diagramme e sont positifs et sont transmis à une des deux entres de l'élément de commande 31. La deuxième entrée de cet élément reçoit le signal d qui sort du comparateur et qui est proportionnel à la différence entre la moyenne 0 des écarts de température, etablie par le filtre 24 et les écarts réels.Ce signal d indique à l'élément de commande 31 l'importance de la correction à erfectuer, tandis que le signal e indique le sens de cette correction; A T = 0 signifiera alors que la température de la flamme est égale à Tmax' ctest-à-dire que 1 = 1. Etant donné que, pour arriver à ce résultat, l'élément de commande 31 agit, par l'intermédiaire du servo-moteur 9, sur la vanne 7 qui commande le débit d'alr dans le conduit 3, l'ajustement du taux d'air > du brûleur picote 14 provoque un ajustement proportionnel du ,) du brûleur 2 de la chambre de combustion. Par conséquent, les brûleurs 2 et 14 ayant été étalonnés au départ en fonction d'un taux d'excès d'air déterminé pour le brûleur 2, on sait qu'en maintenant le taux 7 = 1 dans le brûleur 14 on maintient le / du brûleur 2 à la valeur initialement étalonnée. Le diagramme de la figure 4 illustre une correction lorsque , > -1. On constate la symétrie par rapport à la figure 3, T diminue au lieu d'augmenter lorsque la vanne 30 est ouverte par le signal a, le multiplicateur algébrique 26 produit alors un signal e négatif. Dans le cas d'une chaudière de grande puissance telle que celles utilisées dans les centrales thermiques, et qui sont munies de plusieurs brûleurs, chacun d'eux peut être équipé d'un dispositif identique à celui décrit, permettant de régler séparément chaque brûleur, ce qui n'est pas possible avec un analyseur d'oxygène. L'avantage du procédé décrit provient essentiellement du fait qu'il ne nécessite ni mesure de débit de gaz, ni mesure de la composition de ce gaz, ni mesure absolue de température. Bien que l'on ait décrit le procédé en relation avec la mesure de la température dans le brûleur pilote 14, on pourrait également mesurer un autre paramètre qui, à l'instar de la température, présente une valeur maxima aux conditions stoechiométriques. C'est le cas notamment de la teneur en H2 O ou en C02 ou encore celui du degré d'ionisation mesuré a l'aide de deux électrodes. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté rnui n'a été donné .u'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constitutant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation du taux instantané d'excès d'air dans une chambre de combustion alimentée en combustible gazeux dont le débit et/ou le pouvoir calorifique est variable, caractérisé en ce que - on alimente un brûleur pilote (14) par prélèvement d'une fraction du débit massique de gaz combustible destiné à l'alimentation de ladite chambre, - on prélève une portion du débit de l'air destiné à alimenter cette chambre (1) au travers d'un conduit calibré (11) de façon que, pour une valeur de référence du taux d'excès d'air fourni à la chambre de combustion (1), la portion du débit massique d'air ainsi prélevé soit dans un rapport stoechiométrique avec ladite fraction de gaz combustible prélevé, - on brûle ce mélange d'air et de gaz prélévés dans ledit brûleur pilote (14), - tout au long de la combustion obtenue grace au brûleur pilote, on mesure un paramètre résultant de cette combustion et dont la valeur est maxima aux conditions stoechiométriques et, - on varie le débit massique de l'air d'alimentation de la chambre de combustion (1) et, partant la valeur de ladite portion du débit massique d'air prélevé, de façon que la valeur de ce paramètre soit maintenue à son maxima. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on induit périodiquement et alternativement une variation dudit débit massique d'air prélevé, on mesure ledit paramètre consécutivement aux débits extrêmes induits par ladite variation, on compare le sens des fluctuations de ce paramètre avec le sens des variations du débit d'air pour déterminer si le sens des fluctuations de ce paramètre mesurées est caractéristique d'un excès ou d'un manque d'air par rapport aux conditions stoechiométriques, et on diminue ou augmente le débit massique d'air alimentant ladite chambre (1) suivant que ladite comparaison effectuée est caractéristique d'un excès, respectivement, d'un manque d'air Jusqu'à ce que la valeur du paramètre mesuré cesse d'augmenter. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un brûleur pilote (14) deux conduits (13, 11) pour relier ce brûleur, respectivement à un conduit d'alimentation en gaz (4) d'un brûleur principal (2) et à son conduit d'alimentation en air (3) en un point de ce dernier conduit (3) situé en aval d'une vanne de réglage (7);; les résistances aux passage de l'air et du gaz dans les conduits respectifs (13, 11) reliant le brûleur pilote auxdits conduits d'alimentations (4, 3) étant choisies pour que le rap portes débits d'air et de gaz amenés au brûleur pilote (14) soit stoechiométrique lorsque le brûleur principal (2) est alimenté avec un taux d'excès d'air voulu, et des moyens (23) sensibles à la température de la flamme résultant de la combustion du mélange de gaz et d'air dans le brûleur pilote (14), formant un signal caractéristique de cette température. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par des moyens (28, 29 et 30) pour induire des variations de débit périodiques et alternatives dans le conduit (11) reliant le brûleur pilote (14) au conduit d'alimentation d'air (3) du brûleur principal (2) et par le fait que lesdits moyens sensibles (23) sont associés à des moyens (24) pour mesurer les variations de température de la flamme du brûleur pilote, consécutives auxdites variations de débit d'air, des moyens (26) pour former un signal carac téristique du sens desdites variations de température par rapport au sens des variations de débit d: :air et des moyens (31, 9) pour commander ladite vanne de réglage (7) à partir de ce signal, par accentuation de l'ouverture de cette vanne lorsque ce signal cor respond à des variations de même sens pour la température et pour le débit d'air et par réduction de ladite ouverture de la vanne, lorsque ledit signal correspond à des variations de sens contraire pour la température et pour le débit d'air.