Brevet FR2809195A1 — publié le 20011123

L'invention concerne une méthode de régulation de l'indice Wobbe d'un combustible gazeux. Dans les installations industrielles comportant des fours de chauffe ou fusion, on utilise en général le gaz naturel en tant que source d'énergie. Mais les gaz naturels fournis, par suite de leurs nombreuses provenances, ont des variations de pouvoir calorifique qui sont source perturbation dans les processus industriels. Une diminution de pouvoir calorifique s'accompagne souvent d'une diminution de la température du four, 'il faut compenser par un apport de gaz complémentaire. Or, les temps de réponse des chaînes de mesure sont relativement longs, ce qui peut entraîner dans les installations industrielles des cycles de température non désirables. Par ailleurs, il est possible que les boucles de temperature se mettent à osciller. En maintenant l'indice de Wobbe du combustible à une valeur constante, il est possible de garder un débit calorifique constant dans un four sans changer les ouvertures des vannes de réglage des débits de exemple, il est possible de remplacer du gaz naturel par un mélange de propane et d'air dans des proportions telles que l'indice de Wobbe mélange propane-air soit égal à l'indice de Wobbe du gaz naturel utilisé en temps normal, sans avoir à retoucher les ouvertures des vannes réglage. On rappelle que l'indice de Wobbe est le ratio entre le pouvoir calorifique supérieur de combustible (PCS) et la racine carrée de densité du gaz par rapport à l'air. II est avantageux de disposer d'un combustible à indice de Wobbe constant, car à demande énergétique constante, les ouvertures des vannes de réglage restent constantes. Les oscillations des régulations mentionnées ci-dessus sont donc ainsi évitées. Pour des gaz de composition variable, on peut réguler l'indice Wobbe du gaz naturel par une injection d'air dans le gaz. Cette méthode revient à injecter de l'air froid dans le process, ce qui peut avoir un impact négatif sur la consommation de combustible si l'air de combustion normalement utilisé est préchauffé. Une alternative est d'injecter un gaz combustible tel le propane dans le gaz naturel pour en augmenter le pouvoir calorifique et l'indice Wobbe. Ceci a pour effet d'augmenter l'indice de Wobbe du gaz naturel. Propane désigne ici un gaz de pétrole liquéfié avec une teneur en C3Ha importante commercialisé sous le nom de propane commercial. Pour déterminer la quantité de propane à injecter pour obtenir un gaz d'indice Wobbe Wconsigne, il faut résoudre l'équation Wconsigne = . PCSp + (1 - xp) . PCSGN) ! (xp . dp + xp).dGN)"2 (expression Où xp est la fraction de propane commercial dans le mélange propane gaz naturel, PCSp est PCS du propane, PCSGN est le PCS du gaz naturel, dp, dGN, sont les densités du propane et du gaz naturel. Cette équation est non linéaire, et sa résolution ne peut pas être réalisée simplement avec un automate. Le but de l'invention est de proposer des méthodes pour la régulation débit de propane à injecter dans un gaz naturel pour obtenir un combustible gazeux ayant un indice de Wobbe donné, qui ne nécessitent pas la résolution de l'expression 1, et qui peuvent être facilement implémentées dans un automate. méthodes sont basées sur la découverte d'une corrélation entre le rapport (noté xp) entre le débit de propane Qp et débit de mélange de gaz naturel et de propane Qmélange et l'indice de Wobbe WGN du gaz naturel de départ. Cette corrélation s'écrit Xp - Qp / Qmélange = a (Wconsigne) X WGN + b (Wconsigne) (expression 2) et se lit de la manière suivante : pour obtenir un gaz combustible d'indice de Wobbe Wconsigne à partir d'un gaz naturel d'indice de Wobbe WGN, il suffit d'injecter un débit de propane Qp tel que la fraction propane xp dans le mélange de propane et de gaz naturel soit égale à Xp = a (Wconsigne) X WGN + b (Wconsigne), ou a (W) et b (W) sont fonctions affines prédéterminées de l'indice de Wobbe. La manière de déterminer les fonctions a (W) et b (W) sera explicitée plus loin. L'utilisation de la corrélation n'a bien entendu de sens que si la valeur consigne de l'indice de Wobbe du mélange de gaz naturel et de propane Woonsigne est supérieure à l'indice de Wobbe WGN du gaz naturel initial, puisqu'en injectant du propane dans le gaz naturel, on ne peut qu'augmenter son indice de Wobbe. L'indice de Wobbe d'un combustible peut être mesuré par un comburimètre ou calculé à partir d'une composition mesurée du gaz naturel, exemple par un chromatographe. L'invention concerne donc une méthode de régulation de l'indice de Wobbe combustible gazeux à une valeur de consigne W,, ce combustible gazeux étant un mélange d'un gaz naturel de départ et de propane injecté dans le gaz naturel, consistant à - mesurer l'indice de Wobbe WGN du gaz naturel de départ ; - mesurer le débit volumique QGN de gaz naturel ; calculer la valeur de consigne Qp, du débit volumique de propane nécessaire pour obtenir un indice de Wobbe du mélange égal à la valeur de consigne W, par la formule (QGN + QpC) - a (WC) x WGN + b (W,) dans laquelle a (W.) et b (W,,) sont des fonctions affines préétablies l'indice Wobbe ; - réguler le débit volumique Qp de propane injecté à la valeur consigne L'invention concerne également une méthode de régulation l'indice Wobbe d'un combustible gazeux à une valeur de consigne W., ce combustible gazeux étant un mélange d'un gaz naturel de départ et de propane injecté dans le gaz naturel, consistant à - injecter un débit Qp de propane dans le gaz naturel de départ, - mesurer l'indice de Wobbe Wn, du mélange de gaz naturel de départ et de propane, - mesurer le débit volumique total de mélange QR,; - calculer l'indice de Wobbe WGN du gaz naturel de départ par la formule WGN = 1/a (Wm) x (QplQm - b(Wm)) dans laquelle a (Wm) et b (Wm) sont des fonctions affines préétablies de l'indice de Wobbe, - calculer la valeur de consigne Qp, du débit volumique de propane nécessaire pour obtenir un indice Wobbe du mélange égal à la valeur de consigne W, par la formule Qpc - (a (W.) x WGN + b (Wc)) x Qm dans laquelle a (WJ et b (W,,) sont des fonctions affines préétablies de l'indice de Wobbe, - réguler le débit volumique Qp de propane injecté à la valeur de consigne Opc. Ces deux méthodes utilisent dans les calculs des équations qui dérivent directement de manipulations mathématiques sur l'expression 2. Les valeurs de débit s'étendent en Nm3/h, avec correction éventuelle des mesures par des méthodes classiques (correction de température, de pression et de masse volumique). Pour déterminer les fonctions a(W) et b(W), les inventeurs ont procédé de la manière suivante. Les compositions de référence des gaz naturels suivants ont été considérées Gaz CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 C02 %vol. %vol %vol. %vol %vol %vol. %vol Gronin ue 83.95 3.62 0.74 0.24 0.06 10.15 1.24 Troll 82.72 12.22 2.69 0.39 0.05 0.57 1.36 Ekofisk 87.61 5.62 1.47 0.48 0.11 3.38 .33 Fos 90.69 7.88 0.82 0.12 0 0.49 0 Montoir 90.93 8.24 0.41 0.03 0 0.39 0 Lac 96.79 2.21 0.09 0.54 0 0.37 0 Russe 98.1 0.64 0.21 0.07 0.03 0.84 11 '/2 Groningue 83.335 7.92 1.715 0.315 0.055 5.36 1.3 + '/2 Troll '/2 Groningue 85.78 4.62 1.105 0.36 0.085 6.765 1.285 +'/2 Ekofisk '/2 Groningue 91.02 2.13 0.475 0.155 0.045 5.495 0.675 + Y2 Russe 1l3 Groningue 88.60 6.7 0.52 0.1 0.02 3.643 0.413 + 2I3 Montoi 1/4 Groningue 89.185 7.085 0.492 0.082 0.015 2.83 0.31 + 3/ Montoir Pour chacun de ces gaz, l'indice de Wobbe a été calculé, à partir des compositions précédentes, et des valeurs des pouvoirs calorifiques et des masses volumiques de chacun des constituants. En se donnant une valeur de l'indice de Wobbe de consigne Wconsigne , pour chacun des gaz naturels de référence (mis à part le gaz de Groningue), les fractions de propane xp - Qp I Qméiange et de gaz naturel (1 - xp) de référence ont été calculées de manière que l'indice de Wobbe du mélange soit égale à l'indice de Wobbe de consigne Wconsigne. Ceci correspond à la résolution de l'expression 1 pour les différents gaz naturels de référence, et la consigne Wconsigne. L'opération a été répétée pour plusieurs valeurs de l'indice de Wobbe de consigne Wconsigne (soit 14.4, 14.55, 14.7, 14.85, 15, 15.15, 15.3). Le graphe de la figure 1 a pu être tracé, où il apparaît que dépendance entre xp et l'indice de Wobbe du gaz naturel WON peut être approximée par une fonction affine dont les coefficients a et b dépendent de l'indice de Wobbe de consigne. Les valeurs négatives de la fraction xp de propane n'ont pas de sens physique, mais servent au calcul des régressions. L'erreur maximale sur l'approximation affine est de 0.006. On a ensuite tracé le graphe de la figure 2, des coefficients a et b en fonction de W,onsigne, où il apparaît que a(W) et b(W) sont également des fonctions affines qui s'écrivent respectivement a(W) = 0.0123 x W - 0.28248 b(W) = -0.07154 x W + 2.55703 Ces fonctions a et b peuvent être affinées si on a une meilleure connaissance des variations de l'indice de Wobbe du gaz naturel au point d'utilisation. Un historique des W peut être à cet égard précieux. Néanmoins, la méthode reste la même, et conduit à des valeurs coefficients et b proches de celles données plus haut. Ces fonctions sont très simples et peuvent être programmées dans des automates et calculateurs programmables. La mise en oeuvre méthodes de régulation décrites plus haut est alors élémentaire. Cette opération est rendue possible par le fait que le PCS du propane commercial et sa densité varient très peu avec la composition du propane : n'est pas le cas du gaz naturel. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 montre, en fonction de l'indice Wobbe de plusieurs gaz naturels, fractions xp de propane injecté pour obtenir un mélange ayant un indice de Wobbe donné; la figure 2 montre les valeurs des coefficients a et b en fonction de l'indice de Wobbe ; la figure 3 montre le schéma de principe d'une installation régulée selon la première méthode, et la figure 4 montre le schéma de principe d'une installation régulée selon la deuxième méthode. Les figures 1 et 2 ont été commentées en introduction. La figure 3 montre une installation 10 de régulation de l'indice de Wobbe W, d'un combustible gazeux délivré par un conduit 11 vers des brûleurs par exemple. Le débit Q, du combustible est la somme débit QGN de gaz naturel délivré par un conduit 12 et d'un débit Qp de propane delivré par un conduit 13. Sur le conduit 12 est monté un débitmètre 14 qui fourni à un organe de calcul 15 un signal représentatif de la valeur QGN du débit de naturel délivré par le conduit 12. Le conduit 13 comporte également un débitmètre 16 qui mesure le débit de propane et fournit à un dispositif de réglage de débit 17 un signal indicatif du débit Qp de propane. _ La référence 18 représente un chromatographe qui permet de mesurer l'indice de Wobbe WGN d'un échantillon de gaz naturel prélevé dans le conduit 12. La valeur de l'indice de Wobbe WGN est introduite, soit manuellement soit automatiquement dans l'organe de calcul 15. La valeur de l'indice de consigne à obtenir W, est également introduite dans l'organe de calcul 15. L'organe de calcul 15 est programmé pour calculer Qp,, à partir de l'équation Qpc / (QGN + Qpc) a (W.) x WGN + b (Wc) dans laquelle a (W,) et b (W,,) sont des fonctions affines de l'indice de Wobbe et qui s'écrivent respectivement a = 0.0123 x W - 0.28248 b = - 0.07154 x W + 2.55703. La valeur de consigne Qp,, issue du calcul précédent, est introduite, soit manuellement soit automatiquement dans le dispositif de réglage 17. Le dispositif de réglage 17 agit sur une vanne de réglage 19 prévue dans le conduit 13 pour réguler le débit Qp à la valeur de consigne calculée Qp, La fréquence de rafraîchissement de la valeur de consigne Qp, est fonction de la fréquence de mesure de l'indice de Wobbe WGN gaz naturel par le chromatographe 18. La figure 4 montre une deuxième installation 20 qui permet de réguler le débit Qp de propane injecté par un conduit 13 dans un debit QGN de gaz naturel délivré par un conduit 12 afin que le mélange gazeux obtenu et délivré vers des brûleurs par exemple par un conduit 11 ait un indice de Wobbe donné W, Sur conduit 12 est monté un débitmètre 14 qui fournit à un organe de calcul 15 un signal représentatif de la valeur du it du mélange Le chromatographe 18 permet de mesurer l'indice de Wobbe Wn, du mélange gazeux. Cette valeur Wm ainsi que l'indice de Wobbe de consigne sont introduits dans l'organe de calcul 15. Le programme de l'organe de calcul 15 permet de calculer indice de Wobbe du gaz naturel circulant dans le conduit 12 grace à la formule WGN = (W,) x (Qp/Qm - b (Wm)) dans laquelle a (Wm) et b (Wm) sont des fonctions affines de l'indice de Wobbe telles que définies ci-dessus. Connaissant WGN, l'organe de calcul 15 calcule Qp, à partir de l'équation Qpc (a (WI) X WGN + b (Wc)) X Qm La valeur de consigne Qp, de propane nécessaire pour obtenir un mélange ayant un indice de Wobbe W,., est introduite soit manuellement soit automatiquement dans le dispositif de réglage de débi de propane. Ce dispositif de réglage 17 reçoit d'un débitmètre 16, la mesure du débit Qp de propane circulant dans le conduit 13 et agit si nécessaire sur la vanne de réglage 19 du débit de propane. La fréquence de rafraîchissement de la valeur de consigne du débit de propane injecté est fonction de la fréquence de mesure de l'indice de Wobbe Wm du mélange gazeux. REVENDICATIONS 1. Méthode de régulation de l'indice de Wobbe d'un combustible gazeux à une valeur de consigne Wc, ce combustible gazeux étant un mélange d'un gaz naturel départ et de propane injecté dans le gaz naturel, consistant à - mesurer l'indice de Wobbe WGN du gaz naturel de départ ; - mesurer le débit volumique QGN de gaz naturel ; - calculer la valeur de consigne Qpc du débit volumique de propane nécessaire pour obtenir un indice de Wobbe du mélange égal la valeur de consigne par la formule _ Qpc / + Op,) = a (Wc) x WGN + b (W,) dans laquelle (W,) et b (Wc) sont des fonctions affines préétablies de l'indice de Wobbe ; - réguler le débit volumique Op de propane injecté à valeur de consigne OP.. 2. Méthode de régulation de l'indice de Wobbe d'un combustible gazeux à une valeur de consigne Wc, ce combustible gazeux étant un mélange d'un gaz naturel de départ et de propane injecté dans le gaz naturel, consistant à - injecter un débit Qp de propane dans le gaz naturel départ, -mesurer l'indice de Wobbe Wm du mélange de gaz naturel de départ et de propane, - mesurer le débit volumique total de mélange Qm, - calculer l'indice de Wobbe WGr, du gaz naturel de départ par la formule WGN - (Wm) x (Qp/Qm b (Wrn)) dans laquelle (Wm) et b (Wm) sont des fonctions affines préétablies de l'indice de Wobbe, - calculer la valeur de consigne Qpc du débit volumique de propane nécessaire pour obtenir un indice de Wobbe du mélange égal à la valeur de consigne Wc par la formule Qpc - (a (Wc) x WGN + b (W.)) x Q,r, dans laquelle a (W,) et b (Wc) sont des fonctions affines préétablies de l'indice de Wobbe, - réguler le débit volumique Qp de propane injecté à la valeur de consigne Qp, 3. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que l'on mesure l'indice de Wobbe du gaz naturel ou du mélange en mesurant la composition d'un prélèvement dudit gaz naturel ou dudit mélange au moyen d'un chromatographe. 4. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que l'on réalise les calculs au moyen d'un organe de calcul dans lequel les fonctions affines a (W) et b (W) sont programmées. 5. Méthode selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les fonctions a (W) et b (W) ont pour expression a (W) = 0,0123x W - 0,28248 b (W) - 0,07154 x W + 2,55703.