Brevet FR2613040A1 — publié le 19880930

"Procédé et installation de régulation d'un site de consommation de gaz combustible alimentant différents points d'utilisation". La présente invention concerne un procédé et une installation de régulation d'un site de consommation de gaz combustible alimentant différents points d'utilisa- tion. Ces points d'utilisation sont des brûleurs ou plus généralement des machines thermiques qui souvent doivent recevoir une puissance constante ou réglable, et cela indépendamment de la variation des caractéristiques du gaz combustible. Comme les paramètres d'un gaz combustible, en particulier son pouvoir calorifique, pression, tempé- rature, peuvent varier de façon relativement incontrôlable, il est souhaitable, dans un but d'une meilleure utilisation de l'énergie fournie, de pouvoir régler la distribution de gaz pour fournir une puissance déterminée et notamment une puissance constante aux points d'utilisation qui peuvent être des brûleurs ou, de façon générale, des machines thermiques, ou encore realiser des caractéristiques de combustion semblables. L'invention concerne à cet effet un procédé et une installation. Le procédé est caractérisé en ce que: - on forme un volume-tampon de gaz combustible en amont des points d'utilisation pour alimenter les points d'utilisation, - on prélève du gaz combustible dans le volume-tampon aux conditions régnant dans le volume-tampon, - on effectue une combustiontémoin du gaz combustible prélevé dans le volume-tampon, - on alimente la combustion-témoin suivant un débit déterminé en gaz comburant, - on détecte la combustion-témoin, - on asservit l'alimentation du volumetampon en gaz combustible pour réaliser une combustion-témoin stoechiométrique. Suivant une autre caractéristique, le débit déterminé de gaz comburant est un débit massique ou un débit volumique. Suivant une autre caractéristique, la combus- tion-témoin est effectuée en continu. Suivant une autre caractéristique, la combustion-témoin est effectuée de manière périodique. Suivant une autre caractéristique, on fixe la valeur de réglage du débit massique de gaz comburant à une valeur constante. L'invention concerne également une installation caractérisée en ce qu'elle comprend: - un réservoir formant un volume-tampon alimentant les points d'utilisation en gaz combustible, - une alimentation commandée du réservoir en gaz combus- tible, munie d'un moyen de commande, - un réacteur pour effectuer une combustion-témoin avec un capteur d'état de combustion, - une ligne de prélèvement de gaz combustible dans le réservoir dans les conditions régnant dans celui-ci pour alimenter le réacteur, - une ligne d'alimentation de gaz comburant munie d'un moyen de réglage de débit pour alimenter le réacteur, - un circuit d'exploitation relié au détecteur du réacteur de combustion-témoin pour commander l'alimentation en gaz combustible du réservoir, de manière que la combus- tion-témoin dans le réacteur soit stoechiométrique. Suivant une autre caractéristique de l'installation, l'alimentation commandée du réservoir se compose d'une vanne ou détendeur motorisés, commandés par le circuit d'exploitation. Suivant une autre caractéristique de l'ins- tallation, la ligne de prélèvement de gaz combustible dans le réservoir est munie d'un filtre et d'un diaphragme; Suivant une autre caractéristique de l'installation, la ligne d'alimentation en gaz comburant se compose d'un filtre pour prélever du gaz comburant (notamment de l'air ambiant) d'une pompe suivie d'une vanne de régulation commandée par un débitmètre massique ou volumique. La présente invention sera décrite de manière plus détaillée à l'aide du dessin annexé dans lequel l'unique figure est un schéma d'une installation de régulation d'un site de consommation de gaz combustible alimentant les points d'utilisation constitués par des brûleurs. Le procédé de régulation d'un site de com- bustion de gaz combustible alimentant des points d'uti- lisation, consiste à former un volume-tampon de gaz combustible en amont des points d'utilisation qui sont, par exemple, les brûleurs d'une rampe de brûleurs, à prélever du gaz combustible dans ce volume-tampon aux conditions de pression, de température, de densité, de pouvoir calorifique régnant dans le volume-tampon pour alimenter une combustion témoin recevant par ailleurs du gaz comburant suivant un débit prédéterminé de manière à détecter la combustion témoin et d'asservir l'alimen- tation du volume-tampon en gaz comburant pour réaliser une combustion témoin stoechiométrique. En d'autres termes, selon le procédé de régulation, on maintient les points d'utilisation à une pression telle que le gaz comburant (air) stoechio- métrique nécessaire aux points d'utilisation (brûleurs) alimentés par ce volume-tampon, soit constant. En d'autres termes, sachant que le débit de gaz combustible au niveau du point d'utilisation tel qu'un brûleur, est donné par la formule ' q 2 (P - Pa). k p (273 + T) 3 et que l'air théorique nécessaire au brûleur est donné par la relation suivante: 2 (P - pa) k(273+ T (1) Air th = Va x 73 T 1013 (2) po La puissance au point d'utilisation (brûleur) est donnée par la formule: 2 (P - Pa) k x 273 + P Puissance = PC (3) Dans ces différentes formules, on a: PC: Pouvoir calorifique du gaz Kw - h/ (N) m3 P:Pression absolue du gaz (mb.) po:Densité du gaz Kg/m3 (N) (O C; 1013 mb) T:Température du gaz en oK Va:Air théorique nécessaire à la combustion du gaz (N) m d'air / (N) m3 de gaz k:constante du point d'utilisation (brûleur) Va K:constante - PC 5. Qma: débit massique d'air p: densité du gaz dans les conditions d'utilisation. On a ainsi la formule: Va = Qma /-* 23(4) 2 (P - Pa) k' 273 + w \FP 273 + T1013 Pour tous les gaz naturels, on vérifie la relation: Va = K.PC Cette relation est intéressante car, dans la pratique, les paramètres suivants: Va, PC, Pa, po, T varient en permanence et modifient la puissance au brûleur, ainsi que les excès d'air. L'installation représentée à la figure unique, permet la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Cette installation est destinée à la régulation d'un site de consommation de gaz combustible dont les points d'utilisation sont des brûleurs 1 repré- sentés par un tube muni d'un diaphragme. Ces brGleurs 1, 2... doivent recevoir une puissance réglée et, en particulier, pour chacune de leurs allures de marche, une puissance constante quelle que soit la variation des caractéristiques du gaz combus- tible les alimentant. L'installation comporte un réservoir formant un volume-tampon 3 alimentant les points d'utilisation 1, 2.. Ce réservoir 3 est lui-même alimenté en gaz combustible par une conduite 4 qui, pour assurer une alimentation commandée du réservoir 3, comporte un moyen de commande constitué d'une vanne 5 équipée d'un moteur 6. L'installation comporte également un réacteur 7 pour effectuer une combustion témoin. Ce réacteur est muni d'une isolation 8 et comporte un capteur de combustion 9 détectant l'état stoechiométrique ou non stoechiométrique de la combustion. Le capteur 9 du réacteur 7 est en général un capteur de stoechiométrie ou d'état oxydant ou réducteur, tel qu'un capteur au dioxyde de zirconium. Le volume intérieur 10 du réacteur est alimenté en gaz comburant à partir du réservoir 3 par une ligne d'alimentation 11 et en gaz comburant par une ligne d'alimentation de gaz comburant 12. Le capteur d'état de combustion 9 est relié par une ligne 13 à un circuit d'exploitation 14 comman- dant le moteur 6 de la vanne 5 par l'intermédiaire d'une ligne 15. Ce circuit d'exploitation 14 peut également être relié à la ligne d'alimentation en gaz combustible 11 par l'intermédiaire d'une ligne 16 commandant cette alimentation. Enfin, le circuit d'exploitation 14 peut être relié par une ligne 17 à la ligne d'alimentation 12 en gaz comburant (air ambiant). La sortie de la chambre de combustion 10 du réacteur de combustion témoin 7 est figurée par une ligne 18 débouchant, par exemple, à l'atmosphère. La ligne 11 comporte un filtre 19 et un diaphragme 20. La ligne d'alimentation 12 munie d'un moyen de réglage de débit pour alimenter le réacteur 7, est alimentée en air ambiant à travers un filtre 21 suivi d'une pompe 22, d'une vanne 23 de régulation de débit et d'un débitmètre 24. En général, le débitmètre 24 est un débit- mètre massique et la vanne 23 une vanne de régulation de débit massique. Toutefois, dans certains cas, le débitmètre 24 peut être un débit volumique et la vanne une vanne de régulation de débit volumique, ou encore une pompe à débit volumique fixe. Enfin, on remarque que la chambre de réaction 7 est équipée d'une résistance d'ignition.25. Selon le schéma de la figure unique, le circuit d'exploitation 14 reçoit des signaux R du capteur 9 pour exploiter ces signaux en fonction d'instructions prédéterminées pour envoyer des signaux de commande E1, E2, E3. Le signal E1 commande le moteur 6 de la vanne 5. Le signal E2 commande le fonctionnement continu ou intermittent de la ligne d'alimentation en gaz combus- tible 11. Ce signal de commande E2 peut être constitué par une électrovanne représentée, qui ouvre de manière continue ou par intermittence la conduite formant la ligne 11. Le signal E3 appliqué à la ligne d'alimentation du gaz comburant 12 a une fonction voisine du signal E2. Ce signal commande le passage du gaz comburant en fonction de l'envoi du gaz combustible. Ce signal E3 peut également fournir un gaz comburant de balayage à la chambre de réaction 10 du réacteur. Le circuit d'exploitation 14 peut également commander le débit réglé de gaz comburant fourni par la ligne 12 pour faire évoluer ce débit suivant un pro- gramme déterminé. Toutefois, ce débit constitue une valeur de référence servant à l'asservissement du moteur 6 de la vanne 5 d'alimentation en gaz combustible du réser- voir tampon 3. I1 est à remarquer que, dans le cas d'un site ou chaufferie dans lequel la température de l'air ambiant varie fortement, la valeur de référence utilisée n'est pas le débit massique mais le débit volumique constant. En effet, dans ce cas, l'air des brûleurs de la chaufferie ou plus généralement du site d'utilisation, subissent également des variations dans les mêmes proportions de débit du fait de la variation de température. Suivant une variante non représentée, la ligne d'alimentation Il en gaz combustible comporte un capteur de pression de gaz en amont du diaphragme 20 et un capteur de pression atmosphérique. Cette ligne 11 peut également comporter un capteur de température pour mesurer la température du gaz en amont du diaphragme 20. Ces différents capteurs sont reliés, par exemple, au circuit d'exploitation 14 pour permettre de calculer le rapport du débit massique d'air disponible sur le débit massique de combustible pour en déduire l'indice de combuvorité Va / Vpo Ce rapport s'obtient à une constante près. Cette constante peut être intégrée dans le calculateur au moment de l'étalonnage de celui-ci, ce qui permet un calcul exact de l'indice de combuvorité. Cet indice qui a son importance pour l'exploitation du site peut être affiché ou enregistré. Il est également à remarquer que le diaphragme peut être constitué par une succession de diaphragmes en série dans le cas de fortes pressions à l'intérieur du réservoir tampon 3. Dans le cas d'un tel montage de diaphragmes en série, les capteurs de mesure des grandeurs P et T peuvent être intercalés entre deux quelconques des diaphragmes. Suivant une autre caractéristique non repré- sentée, la ligne d'alimentation en gaz combustible 11 comporte un débitmètre massique qui permet de connaître la densité po du gaz à partir du débit massique du gaz. En utilisant la relation: Qmg KI K ' - Qm 9 indice de combuvorité le calculateur en déduit la valeur Va par la relation Va = (indice de combuvorité) xVT r.o c'est-à-dire: - Va - Qm x K' x po Le débitmètre peut également être un débit- mètre volumique qui donne Qg et permet de connaître la grandeur Va du gaz à partir des deux relations suivantes: (1) Qog =Qg 273 + T)( (2) Va Qma 1 p0 a Qog Poa po a est la densité de l'air à 0 C et sous une pression de 1013 mbar. Le calculateur permet d'en déduire la densité po du gaz par la relation: i Va Indice de combuvoritée Enfin, le dispositif décrit ci-dessus permet de déterminer la puissance en KW.h débitée dans l'instal- lation en utilisant un compteur de m3 suivant les deux relations: (1) Va = K.PC (2) Energie (KW.h) = K" x PC x volume débité REVENDICATIONS 1) Procédé de régulation d'un site de consommation de gaz combustible alimentant des points d'utilisation, procédé caractérisé en ce que: - on forme un volume-tampon de gaz combustible en amont des points d'utilisation pour alimenter les points d'utilisation, - on prélève du gaz combustible dans le volume-tampon aux conditions régnant dans le volume-tampon, - on effectue une combustion-témoin du gaz combustible prélevé dans le volume-tampon, - on alimente la combustion-témoin suivant un débit déterminé en gaz comburant, - on détecte la combustion-témoin, on asservit l'alimentation du volume-tampon en gaz combustible pour réaliser une combustion-témoin stoechiométrique. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit déterminé de gaz comburant ou ambiant est un débit massique ou un débit volumique. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la combustiontémoin est effectuée en continu. 4) Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la combustion-témoin est effectuée de manière périodique. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fixe la valeur de réglage du débit massique de gaz comburant à une valeur constante. 6) Installation de régulation d'un site de consommation de gaz combustible alimentant les points d'utilisation (brûleurs 1, 2) pour fournir aux points d'utilisation des caractéristiques d'utilisation constantes pour chaque allure de fonctionnement, quelle que soit la variation des caractéristiques du gaz combustible, installation caractérisée en ce qu'elle comprend: - un réservoir (3) formant un volume- tampon alimentant les points d'utilisation (1, 2) en gaz combus- tible, - une alimentation commandée (4, 5, 6) du réservoir (3) en gaz combustible, munie d'un moyen de commande (6), - un réacteur (7) pour effectuer une combustion-témoin avec un capteur d'état de combustion (9), - une ligne de prélèvement de gaz combustible (11) dans le réservoir (3) dans les conditions régnant dans celui-ci pour alimenter le réacteur (7), - une ligne d!alimentation du gaz comburant (12) munis d'un moyen de réglage de débit (23, 24) pour alimenter le réacteur (7), - un circuit d'exploitation (14) relié au détecteur du réacteur (9) de combustiontémoin pour commander (6) l'alimentation en gaz combustible (4) du réservoir (3) de manière que la combustion témoin dans le réacteur (7) soit stoechiométrique. ô) Installation selon la revendication G, caractérisée en ce que l'alimentation commandée du réservoir (3) se compose d'une électrovanne (6) commandée par le circuit d'exploitation (14). 9) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la ligne de prélèvement (11) de gaz combustible dans le réservoir (3) se compose d'un filtre (19) et d'un diaphragme (20). 9) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (12) en gaz comburant se compose d'un filtre (21) pour prélever du gaz comburant (notamment de l'air ambiant) d'une pompe (22) suivie d'une vanne de régulation (23) commandée par un débitmètre (24) massique ou volumique ou d'une pompe volumétrique à débit fixe.