Brevet FR2792224A1 — publié le 20001020

L'invention concerne un procédé pour contrôler le niveau de remplissage d'un broyeur à boulets alimenté en charbon à broyer dans lequel le broyeur comprend un tambour monté rotatif sur deux paliers distants. Un tel broyeur, à tambour à enveloppe cylindrique, biconique ou autre, est plus particulièrement utilisé pour alimenter en charbon pulvérisé des brûleurs d'une chaudière à charbon pulvérisé par exemple. Il est nécessaire de s'assurer en permanence que le niveau de remplissage en charbon du broyeur reste sensiblement constant pour éviter d'une part une usure trop rapide des boulets et d'autre part pour obtenir un transport optimal du charbon pulvérisé vers les brûleurs. Il existe déjà de nombreuses méthodes pour contrôler le niveau de remplissage d'un broyeur à boulets. Une première méthode connue est basée sur la mesure de la variation de la puissance absorbée par le moteur électrique entraînant en rotation le tambour du broyeur. Une deuxième méthode connue repose sur la mesure du bruit émis par le broyeur lors de son fonctionnement. Une troisième méthode connue repose sur l'utilisation de sondes pneumatiques introduites à l'intérieur du tambour du broyeur. Enfin d'autres méthodes connues reposent sur l'utilisation de sondes à rayon gamma disposées à l'intérieur du tambour du broyeur pour détecter le niveau haut et le niveau bas de la couche de charbon dans le tambour. En général, les mesures mises en oeuvre dans ces méthodes connues sont dépendantes de la qualité du charbon à broyer et en particulier de sa granulométrie de son degré d'humidité. Elles sont aussi dépendantes de l'usure des boulets. Il vient qu'elles ne sont pas toujours fiables. Le but de l'invention est de proposer un procédé pour contrôler le niveau de remplissage d'un broyeur à boulets à l'aide d'une mesure physique directe fiable, indépendante de la qualité du charbon à broyer et en particulier de son degré d'humidité et de sa granulométrie. Un autre but de l'invention est de proposer un tel procédé de contrôle qui permet de tenir compte de façon automatique de l'usure des boulets lors du fonctionnement du broyeur et du renouvellement des boulets dans le broyeur. L'invention a donc pour objet un procédé pour contrôler le niveau de remplissage d'un broyeur à boulets alimenté en matériau à broyer, par exemple du charbon, dans lequel le broyeur comprend un tambour monté rotatif sur deux paliers distants, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer le poids du tambour à l'aide de capteurs de pesée à jauges de contrainte disposés sous les paliers 2 2792224 supportant le tambour et à comparer le poids mesuré à une valeur de consigne préétablie en vue de réguler l'alimentation du broyeur en matériau à broyer. La pesée est une mesure physique directe du niveau de remplissage en charbon du broyeur qui n'est pas influencée par l'humidité et la granulométrie de la masse broyante constituée par le mélange charbon et boulets. Il en résulte que le procédé de contrôle selon l'invention est très fiable. En plus, le poids ainsi mesuré peut facilement être corrigé par un programme d'ordinateur pour tenir compte de la composante verticale du couple d'entraînement en rotation du tambour, de l'usure des boulets dans le temps ainsi que du renouvellement des boulets dans le broyeur. Il en résulte que le procédé selon l'invention permet de contrôler très précisément le niveau de remplissage en charbon d'un broyeur à boulets. Un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention est décrit ci- après en détails et illustré sur les dessins. La figure 1 est un schéma illustrant le principe du procédé selon l'invention. La figure 2 est un organigramme illustrant les étapes de traitement d'un programme d'ordinateur mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. La figure 3 est un schéma montrant l'évolution dans le temps de certains paramètres physiques liés au fonctionnement du broyeur à boulets. La figure 4 est une vue de face très schématique d'un broyeur à boulets munis de capteurs de pesée pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 5 illustre très schématiquement un capteur de pesée utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 6 montre très schématiquement la disposition des capteurs de pesée entre deux semelles d'appui. La figure 7 montre très schématiquement la disposition des capteurs entre les deux semelles d'appui selon une configuration en triangle. Figure 1, le système de mesure 10 utilisé dans le procédé selon I'invention pour contrôler le niveau de remplissage en charbon d'un broyeur à boulets comprend un ensemble de capteurs de pesée 11 à 16 à jauge de contrainte. Ces capteurs sont disposés sous les deux paliers portant le tambour du broyeur, qui est monté rotatif autour d'un axe généralement horizontal, pour fournir des signaux électriques continus représentatifs d'une mesure du poids du tambour avec sa charge. Chaque capteur de pesée est compensé pour mesurer seulement la composante verticale de la pression qu'il subit. Comme cela apparaît sur la figure 1, on utilise deux ensembles de trois capteurs de pesée 11 à 13 et 14 à 16. Chaque ensemble de capteurs de pesée est disposé sous un des deux paliers sur lesquels s'appuie les extrémités (tourillons) du tambour du broyeur. Les signaux fournis par les capteurs 11 à 16 sont envoyés à une électronique de calcul 19 adaptée pour effectuer un tarage et pour restituer un signal électrique continu P, au standard industriel 4-20 mA par exemple, représentatif uniquement du poids de la charge (charbon et boulets) dans le tambour. On comprendra que le signal P résulte d'une somme des différents signaux fournis par les capteurs 11 à 16. Le signal P en sortie de l'électronique 19 est numérisé pour être comparé à une consigne de base 20 préétablie dans un comparateur 21 dont la sortie est appliquée à un régulateur conventionnel 22 de pilotage de l'alimenteur 23 en charbon brut 24 du broyeur. En particulier, la sortie du comparateur 21 sert à réguler la vitesse de fonctionnement de l'alimenteur et donc le débit d'alimentation du broyeur en charbon brut. La consigne de base 20 correspondant à un certain niveau de remplissage en charbon du broyeur pour obtenir un broyage optimum du charbon en fonction d'une certaine masse de boulets chargée dans le broyeur. Ce niveau de remplissage optimum est connu de l'homme du métier. Si le tambour du broyeur est entraîné en rotation par un système à engrenages incluant une couronne dentée entourant l'enveloppe du tambour coaxialement à l'axe de rotation du tambour du broyeur et un pignon moteur couplé à cette couronne, la composante verticale du couple d'entraînement en rotation du tambour agit sur le poids mesuré par les capteurs de pesée 11 à 16. Cette composante verticale peut ainsi venir s'ajouter au poids du tambour du broyeur ou au contraire venir se soustraire au poids du tambour du broyeur suivant qu'elle est dirigée vers le bas ou vers le haut. Il en résulte que le poids mesuré P ne représente pas exactement la charge dans le tambour du broyeur. Dans le procédé suivant l'invention, on corrige le poids mesuré P fournit par l'électronique de calcul 19, avant sa comparaison dans le comparateur 21, par une valeur pondérale correspondant à la composante verticale du couple d'entraînement en rotation du tambour du broyeur plutôt que de corriger la consigne 20. On maintient la consigne 20 constante pour simplifier le suivi du processus de broyage par l'opérateur. La mesure du couple d'entraînement en rotation du tambour du broyeur est relativement complexe à réaliser. Toutefois, la mesure de la puissance absorbée par le moteur d'entraînement en rotation du tambour du broyeur est directement liée à la valeur du couple d'entraînement par la relation suivante: Pabs = k. F.a.w o - Pabs est la puissance absorbée par le moteur (Watts) - k est le coefficient de transmission - F est le couple d'entraînement (Newtons) - a est la longueur du bras de levier du couple d'entraînement (mètres) - w est la vitesse de rotation du tambour (radians / seconde) Comme l'angle c entre l'axe d'application du couple d'entraînement sur la couronne dentée et la verticale est constant et que les grandeurs k,a,w peuvent également être considérées comme constantes, il vient que la composante verticale Fv du couple d'entraînement varie avec la puissance absorbée par le moteur Pabs suivant une loi linéaire qui s'établit comme suit: Fv = Pabs/K1 o K1 est une constante égale à k.a.w/cos(c) Figure 1, on voit qu'un sommateur 30 est interposé entre la sortie de l'électronique de calcul 19 et le comparateur 21 pour corriger le poids mesuré P par une valeur pondérale représentative de la composante verticale Fv du couple d'entraînement. La composante verticale Fv est fournie par un module 31 qui reçoit en entrée la constante K1 préétablie et une mesure de la puissance absorbée Pabs par le moteur du broyeur. La perte de poids de la charge dans le tambour du broyeur due à l'usure des boulets doit également être prise en compte pour contrôler avec précision le niveau de remplissage en charbon du broyeur car la densité du charbon est très faible par rapport à celle des boulets. Le taux d'usure des boulets i peut être évalué par expérimentation et servir de base pour corriger le poids mesuré P avant sa comparaison à la valeur de consigne 20 dans le comparateur 21. En particulier, figure 1, dans le procédé selon l'invention, le taux d'usure la exprimé par exemple en kilogrammes/heure de fonctionnement du broyeur est une constante préalablement préétablie qui est multipliée par le temps global de fonctionnement du broyeur (exprimé en heure) délivré par un intégrateur 50 pour fournir une valeur pondérale résultante Pb qui est soustraite, dans le sommateur 30, au poids mesuré P de sorte à ne pas compenser dans la boucle de régulation, la perte de poids des boulets par un apport en charbon. On 2792224 comprendra que l'intégrateur 50 fonctionne comme une horloge commandée par la mise en marche et l'arrêt du broyeur. Sur la figure 1, on a illustré par 51, un programme d'ordinateur qui regroupe les fonctionnalités du module 30, du module 31, du comparateur 21, du régulateur 22 et de l'intégrateur 50. Il réagit en outre en réponse à une commande manuelle 52 permettant de forcer le programme à passer dans un mode de fonctionnement particulier. Le programme 51 commande également la mise en fonctionnement ou l'extinction d'un témoin de signalisation 53 qui est lié au mode de fonctionnement particulier du programme. La figure 2 illustre le fonctionnement du programme d'ordinateur 51. A l'étape 100, le programme commence par initialiser les valeurs 20, 33, 34 et l'intégrateur 50. Comme cela apparaîtra par la suite, le mode fonctionnement particulier du programme correspond à une phase de calibrage des données liées à la prise en compte du renouvellement des boulets. Dans le programme, cette phase de calibrage est déclenchée périodiquement, par exemple toutes les 100 ou 200 heures. Le déclenchement automatique de cette phase de calibrage est surveillé par l'intermédiaire d'un compteur spécifique appelé par la suite compteur de calibrage. Ensuite à l'étape 101, le programme acquière une valeur instantanée du poids mesuré P fournie en sortie de l'électronique 19. Comme indiquée plus haut, cette valeur correspond à un échantillon du signal continu au standard 4-20mA fourni par l'électronique 19. Ensuite à l'étape 104, le programme applique sur le poids mesuré P la correction Pb liée à l'usure des boulets et à l'étape 105, la correction Fv liée à l'effet du couple d'entraînement. Après à l'étape 106, le poids mesuré corrigé est traité par un algorithme de régulation, du type proportionnel intégral et dérivé (PID) et la valeur de régulation est utilisée à l'étape 107 pour commander l'alimenteur de façon à réguler le débit de charbon en entrée du broyeur. Ensuite le programme boucle sur l'étape de traitement 101, cette boucle de traitements permettant de contrôler automatiquement le niveau de remplissage du broyeur en vue de maintenir dans le tambour du broyeur un niveau constant de charbon. Maintenant, on va décrire le mode de fonctionnement particulier du programme qui correspond à une phase de calibrage des données liées au renouvellement des boulets du broyeur. Entre les étapes 101 et 104, un test 102 est prévu pour détecter l'actionnement de la commande manuelle 52 par l'opérateur. Si l'actionnement de cette commande est détecté, le programme passe à l'étape suivante 108. Dans la négative, il passe à l'étape suivante 103. A l'étape 108, le programme commande l'actionnement du témoin de signalisation 53. Le témoin de signalisation peut par exemple être un témoin lumineux qui sert à prévenir l'opérateur qu'une phase de calibrage est en cours d'exécution. Le traitement se poursuit ensuite par l'étape 109 dans laquelle le compteur de calibrage est initialisé. Ensuite à l'étape 111, le programme commande le ralentissement de l'alimenteur du broyeur pour vider la réserve de charbon stagnante dans le tambour et à l'étape 112 l'évolution temporelle de l'amplitude de la puissance absorbée par le moteur est enregistrée aux fins de déterminer un pic d'amplitude. Plus particulièrement, en se reportant à la figure 3, la courbe P représente l'évolution temporelle de l'amplitude, la puissance absorbée par le moteur pendant la marche normale de l'alimenteur et donc du broyeur, puis pendant le ralentissement de l'alimenteur et après la reprise d'un fonctionnement normal de l'alimenteur et donc du broyeur. La courbe A montre les variations de la vitesse de l'alimenteur et la courbe O montre comment évolue le bruit émis par le broyeur pendant ces différentes phases de fonctionnement de l'alimenteur. On peut constater sur la figure 3 que la puissance absorbée par le moteur suit une courbe en forme de dôme pendant la phase de ralentissement de l'alimenteur indiquée sur la figure 3 par phase de calibrage. Le maximum de la courbe P indiqué par Ppic correspond à l'instant o la réserve de charbon stagnant dans le tambour du broyeur est complètement consommée. Ensuite à l'étape 113, le programme détermine la valeur Ppic correspondant à un extremum de la puissance absorbée par le moteur pendant la phase de calibrage. A l'étape 114, le programme détermine la perte en poids de boulets depuis la phase de calibrage précédente sur la base de la différence entre la valeur Ppic obtenue à l'étape 113 et une valeur Ppic déterminée et enregistrée lors de la phase de calibrage précédente. A l'étape 115, le programme calibre le taux d'usure en fonction de la perte en poids de boulet déterminée à l'étape1 14. A l'étape 116 il enregistre dans un registre la valeur Ppic déterminée à l'étape 113 aux fins de comparaison avec une nouvelle valeur Ppic déterminée lors d'une prochaine étape 113. A l'étape 117, le programme accélère l'alimenteur pour qu'il reprenne un fonctionnement normal et ensuite à l'étape 118, le programme commande l'extinction de la signalisation 53. Sur la courbe A de la figure 3, on voit comment varie la vitesse de I'alimenteur en fonction de l'enchaînement des étapes 111 et 117 indiquées ci-dessus. Il faut comprendre que dans ce mode de réalisation du procédé selon I'invention, les boulets sont renouvelés dans le broyeur sans arrêter le broyage. Ils sont par exemple entrés dans le broyeur par l'intermédiaire de l'alimenteur. Lors du chargement du broyeur en boulets, il est important que l'opérateur enclenche une phase de calibrage pour éviter une dérive de la prise en compte de l'usure des boulets dans la correction du poids mesuré. Entre l'étape 102 et l'étape 104, il est prévu une étape 103 dans laquelle le programme teste systématiquement le compteur de calibrage pour enclencher automatiquement une phase de calibrage. En cas de détection de la phase de calibrage, le programme poursuit le traitement à l'étape 108 comme déjà décrit plus haut. Par conséquent, les phases de calibrage sont enchaînées automatiquement même si l'opérateur ne les sollicite pas par l'intermédiaire de la commande manuelle. Ces phases de calibrage déclenchées de façon automatique prendront donc en compte l'usure normale des boulets dans le broyeur de mnière à aptimiser la correction de perte de poids de boulets par l'usure normale. La figure 4 montre de façon très schématique un broyeur à charbon ayant ici un tambour à enveloppe cylindrique 200 rotatif autour d'un axe horizontal A et qui est terminé à ses deux extrémités par des portions coniques 201 et 202 en appui respectivement sur deux paliers 203 et 204 espacés l'un de l'autre suivant l'axe A. Ce broyeur sert à préparer du charbon pulvérulent assurant l'alimentation des brûleurs d'une chaudière. L'organe d'alimentation en charbon à broyer n'est pas représenté sur la figure 4. Il faut comprendre que le charbon à broyer et un gaz de séchage sont introduits respectivement par la partie annulaire ou tourillon 201 ou 202 prolongeant chaque extrémité conique du tambour et le charbon pulvérisé dans le gaz de séchage est évacué par ces tourillons à contre courant du charbon brut. Le tambour 200 est chargé en 8 2792224 boulets métalliques ou avec d'autres élément broyants en matériau dur qui pulvérisent par écrasement ou trituration le charbon à broyer. Il est entendu que le procédé selon l'invention s'applique à un broyeur ayant un tambour à enveloppe autre que cylindrique, par exemple biconique, tronconique etc... Comme visible sur la figure 4, les capteurs de pesée 11 à 13 et 14 à 16 sont disposés sous les paliers 203, 204 pour subir tout le poids du tambour du broyeur. Plus particulièrement figure 6, les trois capteurs 11 à 13 sont disposés entre deux semelles 210,211 parallèles qui sont elles mêmes placées horizontalement entre le palier 203 et une embase 205 reposant sur le sol. Le montage est identique en ce qui concerne les capteurs 14 à 16 disposés entre le palier 202 et l'embase 206. La figure 5 montre très schématiquement un capteur de pesée tel que 11. Il s'agit donc d'un cylindre métallique 300 avec une partie centrale qui est délardée pour créer une poutre travaillant en cisaillement sous l'effet de la pression exercée sur l'étrier d'appui 301. Comme cela a été précisé ci-dessus, les capteurs utilisés sont du type compensés pour prendre en compte que la composante verticale de la pression subie par l'étrier 301. Sur la figure 7, on voit que les capteurs 11 à 13 sont disposés dans un plan sur la semelle 211 suivant une configuration en triangle. Les capteurs 14 à 16 sont disposés de façon analogue en triangle. La disposition en triangle des trois capteurs de pesée permet d'avoir une configuration symétrique par rapport à l'axe de rotation A du tambour et un centre de gravité confondu sur cet axe. Les capteurs de pesée utilisés pour la mise en oeuvre du procédé peuvent par exemple être des capteurs vendus par la société " Nobel Electronik ". 9 2792224 REVENDICATIONS 1/ Un procédé pour contrôler le niveau de remplissage d'un broyeur à boulets alimenté en matériau à broyer dans lequel le broyeur comprend un tambour (200) monté rotatif sur deux paliers distants (201,202), caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer le poids du tambour à l'aide de capteurs de pesée à jauges de contrainte (11-16) disposés sous les paliers supportant le tambour du broyeur et à comparer le poids mesuré à une valeur de consigne préétablie en vue de réguler l'alimentation du broyeur en matériau à broyer. 2/ Le procédé selon la revendication 1, dans lequel on corrige, avant l'étape de comparaison, le poids mesuré par une première valeur pondérale (Fv) représentative de la composante verticale de l'effort créé par le couple d'entraînement en rotation du tambour. 3/ Le procédé selon la revendication 2, dans lequel la première valeur pondérale est obtenue à partir d'une mesure de la puissance (Pabs) du moteur d'entraînement en rotation du tambour. 4/ Le procédé selon la revendication 1, dans lequel on corrige, avant l'étape de comparaison, le poids mesuré par une seconde valeur pondérale (Pb) représentative d'une perte en poids de boulet due à l'usure des boulets dans le temps en tenant compte de phases de renouvellement des boulets dans le broyeur. / Un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé pour contrôler le niveau de remplissage d'un broyeur à boulets alimenté en matériau à broyer selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant, sous chaque palier (203,204) portant le tambour du broyeur, trois capteurs de pesée à jauges de contraintes (11,12,13;14,15,16) disposés dans un plan suivant une configuration en triangle.