Brevet FR3016806A1 — publié le 20150731

La présente invention se rapporte à un procédé de réduction des émissions de NOx dans une centrale thermique à charbon. INTRODUCTION ET ETAT DE L'ART L'objectif de diminution des rejets de NOx est affirmé par des directives européennes (la dernière, IED - Industriel Emissions Directive - adoptée en novembre 2011) à travers des plafonds d'émission nationaux. Les principales sources d'émission NOx sont les installations de combustion (centrales thermiques de production d'électricité, fours industriels, etc.) et les véhicules automobiles. Une centrale thermique classique fonctionne grâce à la combustion de gaz naturel, de fuel ou de charbon pulvérisé dans une chaudière transformant l'eau en vapeur. Ces centrales font l'objet de plusieurs travaux d'optimisation de la combustion, en revoyant la disposition des brûleurs et la géométrie de la chaudière, les caractéristiques du combustible, voire les procédures d'exploitation. La plupart des systèmes de combustion conçus pour réduire les émissions de NOx utilisent des brûleurs bas-NOx en combinaison avec les injecteurs d'air secondaire de manière à réduire la quantité d'oxygène disponible dans la zone primaire de combustion [Lan05, Ric06]. 2 0 C'est aussi le cas du procédé « Minox » utilisé dans les tours de précalcination des cimenteries et qui applique un étagement de l'air de combustion créant une longue zone réductrice de NO [Pa101]. La technique du « Reburning » (ou combustion étagée) dans laquelle une partie du combustible est injectée au-delà de la zone primaire de combustion provoquant la génération 2 5 de radicaux hydrocarbonés qui réagissent avec le NOx est aussi largement répandue [Che89, Dus95, Smo98]. Dans la plupart des cas, ces transformations bas-NOx ont été suivies par des difficultés opératoires essentiellement au niveau de l'augmentation de la concentration des autres polluants (CO, poussières), la corrosion de la chambre de combustion, les dommages 30 causés par la surchauffe, l'encrassement des brûleurs, et une augmentation des imbrûlés dans les cendres volantes dans les centrales à charbon [Lan05]. La quasi totalité des NOx dans les chaudières des centrales thermiques se forment pendant le processus de combustion suite à deux mécanismes d'oxydation: la réaction de l'azote de l'air à haute température en présence d'oxygène en excès (NOx d'origine thermique) et celle de l'azote du combustible indépendamment de la température (NOx d'origine combustible). Pour une combustion de charbon, la proportion des NOx « combustibles » atteint 75% contre 25% pour les NOx « thermiques ». Par suite, beaucoup de techniques de réduction de NOx proposées dans l'état de l'art (recirculation des fumées, limitation de l'excès d'air, baisse de la température de l'air de combustion, réduction de la température de la flamme, etc.) performants dans le cas du gaz et du fuel s'avèrent peu efficaces dans le cas d'une combustion au charbon. Le recours aux systèmes de réduction des polluants en aval de la chaudière (SCR 10 acronyme de «Selective Catalytic Reduction » et SNCR acronyme de «Selective Non Catalytic Reduction ») reste donc obligatoire [Wu05]. Toutes ces méthodes font appel à des modifications matérielles des systèmes de combustion et/ou une application de procédures particulières d'exploitation d'une manière générale. Elles ne tiennent pas compte de l'impact variable que les principaux facteurs 15 d'influence évoluant dans le temps induisent sur les émissions. Depuis quelques années, de nouvelles techniques basées sur l'intelligence artificielle sont développées afin de réduire les émissions en fonction des configurations de la chaudière et ceci par l'ajustement de certains paramètres liés à la combustion [Woj07]. Etant donné la difficulté de modélisation des émissions de NOx en fonction des 2 0 autres paramètres de la tranche et de la chaudière en particulier, la plupart des optimiseurs sont basés sur des modèles empiriques (« trial and error ») [Dha96] ou des réseaux de « neurones » [Rad00]. Tandis que les optimisations séquentielles empiriques mettent un temps relativement long pour converger vers une solution optimale locale, les réseaux de neurones se basent sur 2 5 des modèles constants et ne prennent pas en compte les divergences et les modifications que peut subir la chaudière avec le temps [Mor01]. Certains sont alors réajustés suite à la récupération de nouvelles données historiques de longue durée durant laquelle l'optimiseur est en « stand by ». Par suite, ces techniques se limitent au calcul de tendances optimales de direction à 3 0 suivre par les paramètres concernés et ne peuvent être implémentées pour un pilotage automatique et en temps-réel. De plus, les émissions étant fortement corrélées à la charge [Bir08], aucune utilisation de ces algorithmes ne peut être envisagée dans le contexte d'un suivi de réseau respectant les dynamiques transitoires de la tranche [Woj07]. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé 5 adaptatif pour la réduction continue des émissions de NOx dans une centrale thermique à charbon, capable d'évoluer en régimes statiques et transitoires (suivi de réseau). Ce procédé, basé sur une régulation dynamique des décalages d'alimentation en charbon des différents broyeurs calculés en fonction de la sensibilité des émissions de NOx vis-à-vis des facteurs d'influence, optimise en temps-réel la configuration de combustion tout 10 en préservant les performances dynamiques de la chaudière. L'ajustement continu des paramètres de l'optimiseur est assuré par une estimation paramétrique adaptative du modèle statistique des NOx. PRINCIPE DE L'INVENTION 15 Les émissions de NOx dans une centrale thermique à charbon sont sensibles d'une manière plus ou moins significative à plusieurs facteurs liés à la combustion, à savoir la répartition des débits de charbon pulvérisé sur les différents étages de broyeurs, l'excès d'air, la pression aux caissons, l'inclinaison des brûleurs ou la répartition de l'air secondaire dans 2 0 la chaudière. Certains de ces facteurs sont strictement contrôlés pour le conditionnement de la chaudière tandis que d'autres constituent des degrés de liberté dans le sens d'une régulation automatique. C'est le cas de la répartition des débits de charbon entre les différents broyeurs, 25 désignée dans la suite du document par la « hauteur de feu » et qui décrit, en quelque sorte, la hauteur du barycentre de la flamme dans la chaudière. Le pilotage de la hauteur de feu se fait par le contrôle du décalage entre les débits de charbon alimentant chacun des différents broyeurs mis en service pour une configuration donnée. 3 0 Ainsi, la présente invention se rapporte à un procédé de réduction des émissions de NOx dans une centrale thermique à charbon qui comprend une quantité X de broyeurs de charbon répartis en trois étages respectivement supérieur, médian et inférieur, caractérisé par le fait qu'il comprend : - une étape consistant à calculer en temps-réel la "hauteur de feu", cette "hauteur de feu" dite Hf représentant l'écart normalisé entre les débits de charbon des différents broyeurs et étant définie par la relation suivante : Hf = 2(CalimE Va limE C crlim FV alim F) 2(Calim A Va lim A ± alim 13V a lim 13) ECa lim X Va lim X où Vahmx et Cahmx sont respectivement la vitesse d'alimentation en charbon et la capacité en débit de charbon d'un broyeur X, tandis que E et F désignent les broyeurs de l'étage supérieur et A et B désignent les broyeurs de l'étage inférieur ; - une étape consistant à calculer en temps réel la consigne optimale de ladite "hauteur de feu" permettant de réduire les émissions de NOx dans l'état détecté de la 10 centrale et en fonction des sensibilités des émissions de NOx vis-à-vis des facteurs d'influence ; - ainsi qu'une étape consistant à réguler en boucle fermée et en temps réel l'alimentation des différents broyeurs en fonction de l'écart entre la mesure de Hf et sa consigne, ceci en maintenant inchangée la quantité de charbon totale acceptée dans 15 l'ensemble des broyeurs. Les sensibilités des émissions de NOx vis-à-vis des différents facteurs d'influence ne sont pas constantes. Elles dépendent du point de fonctionnement du facteur concerné ainsi que des valeurs des autres facteurs à l'instant t. Configurer la hauteur de feu d'une manière statique ne suffit donc pas pour réduire les émissions sur une longue durée et quelques soit 20 les caractéristiques de la tranche. Une évaluation analytique de ces sensibilités est très complexe, vu le manque de modèles précis décrivant l'évolution des émissions de NOx en fonction de l'état de la tranche et de tous les paramètres combinés pouvant les influencer. Toutefois, une estimation approximative des sensibilités vis-à-vis d'un nombre limité de facteurs peut être réalisée par l'intermédiaire d'un modèle statistique élaboré à partir de 25 données enregistrées sur une fenêtre de temps conséquente, décrivant une multitude de conditions de fonctionnement. Ce modèle exprime les émissions de NOx en fonction des facteurs de combustion et de leurs combinaisons par une régression bilinéaire multifactorielle. Bien que ce modèle ne puisse représenter avec exactitude l'évolution des NOx à 30 chaque instant et pour toutes les configurations, il permet d'estimer une valeur approximative des sensibilités à un état donné nous permettant d'initialiser correctement l'algorithme adaptatif qui sera décrit dans la suite. En suivant en temps-réel l'évolution des sensibilités vis-à-vis du signal de commande Hf , cette hauteur de feu sera dynamiquement optimisée afin qu'elle agisse à chaque instant dans le sens d'une réduction des émissions de NOx. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention : on augmente l'alimentation des broyeurs de l'étage supérieur et on diminue l'alimentation des broyeurs de l'étage inférieur.pour augmenter Hf - on diminue l'alimentation des broyeurs de l'étage supérieur et on augmente l'alimentation des broyeurs de l'étage inférieur pour baisser Hf - à tout moment, la répartition des débits de charbon sur les différents broyeurs vérifie l'égalité suivante : Q 'f = N ,Q, + NmQm + NSQs où N. Q, Nm Q', NS, et es, sont respectivement le nombre et le débit de charbon des broyeurs en service situés selon trois étages inférieurs, médian et supérieur. - la hauteur de feu minimale étant obtenue en appliquant le débit maximal aux broyeurs inférieurs et le débit minimal aux broyeurs supérieurs tandis que la hauteur de feu maximale est obtenue en appliquant l'inverse, le débit des broyeurs médians est ajusté afin que la 2 0 somme des débits soit égale à Q'f et on définit deux valeurs des débits totaux qui garantissent les valeurs optimales de Hf par : Q = N ,Q . + N Q + N »,[Q ,» min ; Qinimax]min Q+ NiQimin + NsQsmax + N mmin ; Qn,..] en considérant que pour une consigne optimale Hf op, = Hf min: si Qref est supérieur au max de Q-, le débit des broyeurs supérieurs doit être augmenté 2 5 pour vérifier l'égalité, remontant ainsi Hf min , si Qref est inférieur au min de Q-, le débit des broyeurs inférieurs doit être réduit pour vérifier l'égalité, remontant ainsi Hf min , tandis que pour une consigne Hfop, = H.Îmax : si Q'f est supérieur au max de Q+ 4 le débit des broyeurs inférieurs doit être augmenté 3 0 pour vérifier l'égalité, baissant ainsi Hfmax . si Q'f est inférieur au min de Q+ 4 le débit des broyeurs supérieurs doit être réduit pour vérifier l'égalité, baissant ainsi Hf.. - le procédé comporte une phase de modélisation statistique adaptative des émissions de NOx - la répartition de l'air primaire est calculée en fonction des débits d'air primaire inséré par 5 broyeur et s'exprime par : E Qapx où Q apx est le débit d'air primaire par le broyeur X. - la répartition de l'air secondaire est calculée en fonction des ouvertures de vantelles 10 réparties par étage et est représentée par : Has =(F0011+ F0012+ F0013+ F0014)- (F0031 + F0032 + F0033 + F0034) E F00,1 où F00,/ est le signal représentant l'état d'ouverture (valeur 1) ou de fermeture (valeur 0) de la vantelle j située à l'étage i. 15 La présente invention concerne également un système de réduction des émissions de NOx dans une centrale thermique à charbon qui comprend une quantité X de broyeurs de charbon répartis en trois étages respectivement supérieur, médian et inférieur, caractérisé par le fait qu'il comprend : - des moyens adaptés pour calculer en temps réel la "hauteur de feu", cette "hauteur 2 0 de feu" dite Hf représentant l'écart normalisé entre les débits de charbon des différents broyeurs et étant définie par la relation suivante : 2(CalimE Va E + C a lim FV alim F) 2(Ca lim A Va lim A + Ca lim BV alim B) Hf = où Vahmx et Ceinix sont respectivement la vitesse d'alimentation en charbon et la capacité en débit de charbon d'un broyeur X, tandis que E et F désignent les broyeurs de 2 5 l'étage supérieur et A et B désignent les broyeurs de l'étage inférieur ; - des moyens adaptés pour calculer en temps réel la consigne optimale de ladite "hauteur de feu" permettant de réduire les émissions de NOx dans l'état détecté de la centrale et en fonction des sensibilités des émissions de NOx vis-à-vis des différents facteurs d' influence ; 2(QapE QapF) 2(Q apA + apB Hap = alim XV a lim X - et des moyens adaptés pour réguler en boucle fermée et en temps réel l'alimentation des différents broyeurs en fonction de l'écart entre la mesure de Hf et sa consigne, ceci en maintenant inchangée la quantité de charbon totale acceptée dans l'ensemble des broyeurs. Selon un mode de réalisation avantageux le système comprend un régulateur de Hf qui calcule en boucle fermée une commande à appliquer aux broyeurs en fonction de l'écart entre une consigne optimale de la hauteur de feu et sa valeur calculée à partir des mesures de vitesses d'alimentation, laquelle commande est ensuite appliquée sur le système réel sous forme de consignes de décalage des vitesses d'alimentation des broyeurs, en la dupliquant sur les broyeurs supérieurs et inférieurs avec des signes opposés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique du procédé selon l'invention ; la figure 2 est un graphique de comparaison entre les valeurs des émissions de NOx mesurées et estimées par régression des données mesurées sur 250 jours et moyennées au pas de 30 minutes ; la figure 3 est un graphique de comparaison entre les valeurs des émissions de NOx mesurées et estimées par régression des données mesurées sur 15 jours, moyennées au pas d'une minute et filtrées sur 30 minutes ; 2 0 la figure 4 représente les émissions de NOx en fonction d'Hf selon le modèle quadratique, pour trois configurations différentes des facteurs d'influence (courbes supérieure, intermédiaire et inférieure), les sensibilités pouvant changer de signe d'une courbe à l'autre ; la figure 5 est une représentation de la loi de décision sur la consigne optimale 2 5 par cycle d'optimisation ; la figure 6 est une représentation d'un exemple des limites Hf.',, et Hfmax en fonction de Qref pour une configuration de broyeurs de type ACDE ; la figure 7 est un schéma représentatif de la régulation de Hf agissant en parallèle de la régulation préexistante du débit total de charbon (représentée en 3 0 partie inférieure) ; la figure 8 est formée de trois schémas montrant la réponse du débit total de charbon et de la hauteur de feu suite à deux variations en échelon de leurs références (de 250 à 180 t/h et de -0.7 à 0 respectivement) pour un exemple de configuration de type (ABCE) avec en;, = 34 t/h et Qinax = 68 t/h pour les 4 broyeurs ; la figure 9 est un graphique montrant la comparaison entre la sensibilité « réelle » des NOx vis-à-vis de Hf (référence) et la sensibilité estimée par PAA en utilisant des valeurs de NOx calculées par le modèle statistique, le cycle de l'estimateur étant fixé à un pas d'une minute, et les données de NOx et des facteurs d'influence étant moyennées sur des pas d'une minute ; la figure 10 est un graphique de comparaison entre la sensibilité estimée des émissions de NOx vis-à-vis de Hf (référence) en utilisant les vrais mesures de NOx et la sensibilité calculée par le modèle statistique élaboré à partir des données relevées sur les 15 jours. Les données de NOx et des facteurs d'influence sont moyennées sur des pas d'une minute et filtrées avec AT = 0,5h, et le cycle de l'estimateur est fixé à un pas d'une minute ; la figure 11 est un graphique de comparaison entre la sensibilité estimée des émissions de NOx vis-à-vis de Hf (référence) en utilisant les vraies mesures de NOx et la sensibilité calculée par le modèle statistique élaboré à partir des données relevées sur les 30 jours (les 15 jours de simulation + les 15 jours les précédant). Les données de NOx et des facteurs d'influence sont moyennées sur des pas d'une minute et filtrées avec AT = 0,5h. Le cycle de l'estimateur est 2 0 fixé à un pas d'une minute ; la figure 12 est un schéma de comparaison entre les valeurs de la hauteur de feu initiale mesurée sur les 15 jours au pas d'une minute et celle optimisée et régulée par le présent procédé ; la figure 13 est un zoom sur les valeurs de hauteur de feu sur une fenêtre de 3 2 5 heures lors d'un changement de consigne ; la figure 14 est un schéma de comparaison entre les valeurs des émissions de NOx initiales mesurées sur les 15 jours au pas d'une minute et les valeurs des émissions de NOx en fonction de la hauteur de feu optimisée (calculées en se basant sur le modèle statistique). 30 La figure 1 schématise le procédé de l'invention dans son ensemble. Sur cette figure 1 o-Hf (ri) représente la sensibilité des émissions vis-à-vis de la hauteur de feu dont la consigne optimale est exprimée par Hf op, . Sur cette figure, les références numériques ci-dessous identifient les éléments suivants : chaudière : 1 ; tubes de chaudière : 10 ; broyeurs : 2 ; stock de charbon : 3 ; entrée d'air : 4. Les mesures des émissions de NOx et des facteurs d'influence sont utilisées à chaque cycle pour affiner les coefficients du modèle, tandis que la mesure de la référence de charge est intégrée à l'optimiseur pour adapter les consignes aux régimes transitoires de la tranche avant de calculer les commandes dynamiques des broyeurs en temps-réel en sortie du régulateur. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 1. Modélisation statistique initiale des émissions de NOx L'objectif de cette modélisation est d'analyser et de quantifier l'impact des différents facteurs d'influence sur les émissions de NOx, ou, exprimé en d'autres termes, les valeurs 2 0 des sensibilités des émissions vis-à-vis des variations de chacun des facteurs. Bien qu'un modèle physique de combustion représente plus précisément l'évolution des NOx, il est très difficile, voire impossible d'exprimer cette dernière en fonction de tous les paramètres qui y agissent réellement. L'élaboration d'un modèle statistique se présente donc comme une méthode 25 simplifiée permettant d'estimer un modèle approximatif des NOx en fonction d'un certain nombre de facteurs et limité au comportement statique (modèle polynomial non différentiel). Ces différents facteurs d'influence (expression valable dans l'ensemble de la demande, y compris les revendications) sont des facteurs intégrés au modèle. Ils sont cités dans la liste suivante et déterminés par une expertise qualitative affinée 3 0 par une analyse de corrélation avec les émissions de NOx : La hauteur de feu La répartition de l'air primaire La répartition de l'air secondaire Le débit total du charbon Le débit total de l'air primaire Le débit total de l'air secondaire L'inclinaison des brûleurs L'excès d' air La pression dans les caissons où s'accumulent les gaz chauds Le débit d'eau d'injection de désurchauffe Les caractéristiques du charbon (PCS, humidité, Azote) De la même manière que la hauteur de feu, la répartition de l'air primaire est calculée en fonction des débits d'air primaire inséré par broyeur et s'exprime par : Hap=2(QapE +QapF)-2(QapA+Q'B) EQapx où Qapx est le débit d'air primaire par le broyeur X. La répartition de l'air secondaire quant à elle est calculée en fonction des ouvertures des vantelles réparties par étage et est représentée par : Has =(F0011+ F0012+ F0013+ F0014)- (F0031 + F0032 + F0033 + F0034) EFOO, où FOOu est le signal représentant l'état d'ouverture (valeur 1) ou de fermeture (valeur 0) de la vantelle j située à l'étage i. Le modèle statistique est élaboré à partir d'une régression multifactorielle des différentes variables explicatives et s'écrit sous la forme bilinéaire quadratique suivante : N N fo+Ea,n, 1=1 i=1 j=1 2 0 où ri sont les N variables explicatives. Les coefficients fo , a, et by sont estimés par la méthode de moindres carrés qui tend à réduire la somme des erreurs au carrés entre les sorties du modèle et les mesures réelles enregistrées. En utilisant ce modèle, la sensibilité des émissions de NOx par rapport au facteur ri, s'écrit par : N o-,(ri)= a, +E2buri j=1 25 Il est important de préciser que l'efficacité de l'estimation dépend fortement des données statistiques utilisées en entrée, de leur nombre, de leur cohérence et de leur prétraitement. Ainsi, il est d'autant plus difficile de caler le modèle pour un grand nombre de données et pour des situations radicalement différentes d'une période à l'autre. De plus, il faut préciser que cette approche repose sur un certain nombre d'hypothèses qui doivent être respectées afin d'estimer correctement les paramètres, notamment les hypothèses de non colinéarité des variables explicatives, de non corrélation et de normalité des résidus du modèle. Enfin, il faut tenir compte du fait que plusieurs paramètres de combustion sont omis. Par suite, leurs effets sur les émissions de NOx sont amalgamés avec les actions des facteurs d'influence modélisés (l'hypothèse d'exogénéité est compromise). Toutes ces hypothèses rendent la modélisation statistique par régression, une tâche complexe. Un prétraitement des données (moyennes, extrapolation des données manquantes, filtrage pour la réduction du niveau du bruit, suppression des valeurs aberrantes, etc.) est indispensable afin d'améliorer d'une part, la capacité de reconstitution du modèle sur l'intervalle de temps étudié et d'autre part, la capacité de prédiction du modèle sur d'autres périodes à partir des mesures des facteurs d'influence. Pour cela, il faut que le modèle reconstruise non seulement les valeurs des émissions fNox 07) "Nox (7) ) mais aussi les paramètres de sensibilité ( o-, (ri) d, (ri)) avec une fiabilité suffisante. Les variables explicatives considérées dans le modèle statistique sont souvent corrélées entre elles. C'est particulièrement le cas de la hauteur de feu et de la répartition de l'air primaire automatiquement asservie en fonction de la première. Par suite, une décorrélation des variables explicatives s'impose par une orthonormalisation de la base. Cette décorrélation permet non seulement de garantir la stabilité de la régression statistique (coefficients constants d'un échantillon à l'autre) mais aussi d'exprimer les émissions et leurs sensibilités en fonction des composantes principales de la chaudière construites par des combinaisons des différents paramètres, ce qui est plus représentatif de la réalité d'exploitation. Ainsi, à titre d'exemple, une prédiction du comportement des émissions en fonction d'une variation de la hauteur de feu prendra en compte aussi la variation associée de la répartition de l'air primaire. Dans le sens inverse, une consigne d'action sur la hauteur de feu suppose aussi une action associée sur la répartition d'air primaire. Comme représenté à la figure 2, un modèle des émissions de NOx estimé à partir de données réelles de 250 jours (8,5 mois) relevées sur une centrale thermique à charbon et moyennées au pas de 30 minutes affiche un écart-type d'erreur de 38 mg/Nm3. Or, le fait de rétrécir la période d'analyse à environ 15 jours permet d'avoir des 5 caractéristiques globales de la tranche peu variables et améliore la précision du modèle qui affiche dans ce cas un écart-type de 19 mg/Nm3 (comme représenté à la figure 3). Le modèle estimé sur une courte période (15 jours) est suffisamment précis pour permettre d'élaborer des décisions optimales sur le court terme. Néanmoins, les performances sont susceptibles de se dégrader au long terme à cause 10 des modifications des caractéristiques de fonctionnement et des propriétés intrinsèques de la tranche. Ces modifications ont pour effet de faire diverger le modèle estimé par rapport à la réalité réactualisée ce qui résulte en une mauvaise déduction des sensibilités calculées à partir des coefficients initiaux. Afin de pérenniser la méthodologie de l'optimisation, un estimateur adaptatif des 15 coefficients du modèle est utilisé en temps-réel après initialisation par les valeurs du modèle statistique, permettant la mise à jour continue des paramètres de sensibilité. 2. Optimisation et régulation de la hauteur de feu 2 0 Le modèle quadratique élaboré par régression statistique permet d'obtenir, comme montré à la figure 4, une courbe concave des émissions de NOx en fonction de la hauteur de feu et ceci quelque soit la configuration des autres paramètres d'influence. Par suite, une des deux extrémités de la courbe constitue la valeur optimale globale dans le sens de la minimisation des émissions, tandis que l'autre extrémité constitue une 2 5 valeur optimale locale. Afin de réduire la complexité de l'algorithme, la consigne optimale locale de Hf est appliquée à chaque cycle de calcul en fonction du signe de la sensibilité mesurée des NOx vis-à-vis de Hf , notée o-Hf . Cette loi de décision se résume par : si o- Hf > 0 = Hf'p, = Hf ''n si a 'f Les valeurs de Hf.. et Hfo.i. sont calculées à chaque cycle d'optimisation en fonction de la configuration des broyeurs, de leurs capacités en débits de charbon, des limites minimale et maximale de leur fonctionnement ainsi que de la référence du débit total de charbon Qref - A tout moment, la répartition des débits de charbon sur les différents broyeurs doit vérifier l'égalité suivante : Qref =NiQi +Ninan+ N,Q, où N., Q, N. Q. Ns et Qs sont respectivement le nombre et le débit de charbon des broyeurs en service situés selon trois étages inférieurs, médian et supérieur. D'une manière intuitive, la hauteur de feu minimale est obtenue en appliquant le 2 0 débit maximal aux broyeurs inférieurs et le débit minimal aux broyeurs supérieurs tandis que la hauteur de feu maximale est obtenue en appliquant l'inverse. Le débit des broyeurs médians est quant à lui ajusté afin que la somme des débits soit égale à Qref On définit alors les deux valeurs des débits totaux qui garantissent les valeurs 25 optimales de Hf par : Q- =N1Q;max+Q,s min N',[Q,''on;Q...] Q+ =N,Q, min Ns Qs max Nm[Qm min ; Qm max Toutefois, pour une consigne optimale Hfop, = Hfoon: Si Qref est supérieur au max de Q-, le débit des broyeurs supérieurs doit être augmenté pour vérifier l'égalité, remontant ainsi Hfinin Si Qref est inférieur au min de Q-, le débit des broyeurs inférieurs doit être réduit pour vérifier l'égalité, remontant ainsi Hf min . En suivant le même raisonnement, pour une consigne Hfop, = Hf : Si Q'f est supérieur au max de Q+ 3 le débit des broyeurs inférieurs doit être augmenté pour vérifier l'égalité, baissant ainsi Hf. . Si Q'f est inférieur au min de Q÷ 4 le débit des broyeurs supérieurs doit être réduit pour vérifier l'égalité, baissant ainsi Hfm . Par suite, les valeurs de Hf min et Hf,. sont déduites par les expressions suivantes : N Q min - IV + Qref Ns Qs max - Ni Qi min Hfmax -2 Qre, -Q Q+ Hf min 2 Qrel La figure 6 annexée trace graphiquement les limites Hfnlin et Hf m. en fonction de Q',f. , pour l'exemple d'une configuration broyeurs de type (ACDE), c'est-à-dire un broyeur inférieur, deux broyeurs médian et un broyeur supérieur. Dans cet exemple correspondant à une centrale thermique à charbon, la capacité en débit charbon du broyeur A est de 67t/h (tonne/heure), celle des broyeurs C, D et E est de 85t/h et les limites de fonctionnement sont fixées à 40% au minimum et 80% au maximum. Le choix du pas de temps entre deux optimisations successives dépend de la 2 0 dynamique de la référence de charbon. En effet, si gef varie rapidement par rapport au cycle d'optimisation, Hfop, calculé lors du dernier pas risque de devenir incohérent. En fonctionnement en suivi de réseau, la dynamique de Q'I est sensiblement comparable aux variations transitoires de la référence de puissance définies par k .Af et NPr. . Si le réglage secondaire NPr est considéré comme un transitoire relativement lent, le réglage primaire k.Af est beaucoup plus difficile à généraliser tant en termes de fréquences qu'en amplitudes. A titre d'exemple, pour un scénario critique supposant une variation de fréquence 5 de 50 mHz en 10 secondes, des variations de Q'., d'environ 15t/h peuvent être observées sur ce même intervalle de temps. Une fois la consigne calculée, Hf op, est transmise comme référence à suivre pour le pas en cours. La régulation dynamique de Hf s'effectue par l'intermédiaire du signal de 10 commande u qui décrit le décalage à appliquer dans l'alimentation des broyeurs supérieurs et inférieurs par rapport à leurs consignes initiales. Une commande u positive implique une augmentation des vitesses d'alimentation des broyeurs supérieurs et une réduction de celle des broyeurs inférieurs (inversement pour u négatif). 15 Cette régulation est implémentée en parallèle au régulateur du débit total de charbon. En étant désactivée, la valeur de u est nulle et on retrouve la répartition d'origine des alimentations sans contrôle de Hf . Le schéma de régulation parallèle de Hf est représenté à la figure 7. Le régulateur de Hf calcule en boucle fermée la « commande » à appliquer aux 2 0 broyeurs en fonction de l'écart entre la consigne optimale de la hauteur de feu et sa valeur calculée à partir des mesures de vitesses d'alimentation. Cette commande est ensuite appliquée sur le système réel sous forme de consignes de décalage des vitesses d'alimentation des broyeurs, en la dupliquant sur les broyeurs supérieurs et inférieurs avec des signes opposés. 2 5 Le régulateur de la hauteur de feu est de type PID (c'est-à-dire « proportionnel intégral dérive », de sorte que sa structure est non limitative) dont les coefficients sont ajustés de telle sorte que la dynamique de Hf en boucle fermée soit plus lente que celle du débit charbon total Qcharhon et ceci pour plusieurs raisons : - Limiter les sollicitations dynamiques des broyeurs au dessous de la norme 3 0 fixée par leur régulation initiale. Ne pas impacter la dynamique de suivi de Qref par le charbon total, indispensable aux performances dynamiques de la tranche par rapport aux services réseau. D'autant plus qu'une dynamique très rapide de la hauteur de feu ne présente aucun intérêt vu que les effets de l'optimisation ne sont perçus que sur le long terme. Garantir une convergence vers un Hf cohérent avec le Qcharbon considéré dans le calcul d'optimisation et égal à Q'f . Réduire l'effet des perturbations générées par les éventuelles saturations des broyeurs (à en. et Qmax ) sur le comportement du débit de charbon total. Ces saturations peuvent résulter de la régulation de la hauteur de feu vers Hf nim et Hfin. en cas de faible limitation de la consigne (voir figure 5). La figure 8 montre un exemple du comportement des deux variables Qcharbon et Hf suite à deux variations en échelon de leurs références. On constate une dynamique intacte du Qcharbon vis-à-vis de l'asservissement de la hauteur de feu bien qu'ils soient actionnés par les mêmes alimentateurs. 3. Adaptation des paramètres de sensibilités Le modèle initialement élaboré par régression statistique risque de diverger avec le 2 0 temps, dégradant ainsi les performances de l'optimisation. Cette divergence peut résulter d'une multitude de raisons, allant des modifications matérielles majeures aux variations intrinsèques des propriétés de la tranche, en passant par les non-linéarités non modélisées et les facteurs d'influence négligés (qui peuvent se manifester plus visiblement dans certaines situations). 2 5 Deux solutions sont envisageables : la réitération de la modélisation statistique à une fréquence fixe ou l'estimation adaptative continue du modèle des NOx et par suite des paramètres de sensibilité. La première solution est moins satisfaisante en termes de temps de calcul. En effet, ce dernier dépend du nombre des paramètres d'influence pris en compte et peut atteindre la 30 minute (entre le prétraitement des données et l'élaboration du modèle), obligeant d'accroître par la suite l'intervalle de temps entre deux cycles d'optimisation. De plus, les données nécessaires à l'élaboration du modèle ne sont pas toujours disponibles et présentent souvent de grandes lacunes. Il s'ensuit une version moins précise du modèle initial, voire même une absence de la mise à jour. Pour ces raisons, un estimateur paramétrique adaptatif (PAA - « Parametric 5 Adaptation Algorithm ») est proposé. Il présente l'avantage de s'adapter en temps-réel au fonctionnement variable de la tranche avec une précision améliorée du court terme. L'estimateur fonctionnant en continu, il ne nécessite à chaque cycle que les dernières mesures enregistrées et consomme un temps de calcul court et adapté au cycle d'optimisation fixé en cohérence avec la dynamique de gef . 10 De plus, il permet non seulement de suivre l'évolution des paramètres de sensibilité, mais aussi de corriger les erreurs du modèle initial. Le principe de l'estimateur PAA consiste à affiner en temps-réel les coefficients fo, a, et bu du modèle quadratique bilinéaire des NOx en se basant sur la méthode des moindres carrées qui minimise la somme des erreurs au carré entre les sorties du modèle 15 estimé et les mesures réelles des NOx. Il requiert en entrée les mesures des NOx et des différents facteurs d'influence mais aussi les interactions bilinéaires de ces derniers, notés vif. En effet, le modèle quadratique bilinéaire à estimer qui s'exprime par : N N iSisOX = fo +Eâil-h+EIbun,ni 1=1 j=1 2 0 peut être décrit comme un modèle linéaire en fonction des entrées I (vecteur unitaire constant), n, et lm, dont les coefficients fo , â, et b'/ sont les gains à estimer. /10x représente la sortie du modèle estimé. A chaque cycle k, les coefficients sont ajustés par la loi adaptative suivante : Ck = êk-1 + Fkk'Ek 2 5 où Ck et 11//k représentent les vecteurs comportant respectivement l'ensemble des coefficients estimés et des entrées mesurées au cycle k, tandis que Ek est l'erreur observée entre NOx mesuré au cycle k et NOx calculé à partir des coefficients estimés au pas k-1. Fk, appelé « gain d'adaptation » est recalculé à chaque cycle par l'expression suivante : 1 Fk-iMkMkT Fk-1 Fk = [Pk_i Mkr Fk-1 Mk où Al décrit un facteur d'oubli. Pour 2i =1, l'effet du bruit est réduit mais l'estimateur ne convient qu'aux cas de paramètres constants. En réduisant la valeur de À1 (généralement entre 1 et 0,95), l'estimation est étendue aux cas de paramètres lentement variables avec le temps. Pour garantir la stabilité des gains d'adaptation variables, nous considérons des paramètres Al et À2 variables, mais tel que leur rapport ( Â1/ À2) garantisse : trace(Fk) = trace(Fk_i)= trace(F0) = a a est ajusté d'une telle sorte à aboutir à un compromis entre la rapidité de convergence, la stabilité de l'estimation et la réduction de l'effet du bruit sur la variabilité des coefficients estimés [Lan97]. Une fois â, et j'y estimés, les paramètres de sensibilité sont déduites à chaque cycle par : ( N (i âi+E2iuri k Les performances de l'estimateur dépendent de l'initialisation de son algorithme, du bruit présent dans les mesures et de la rapidité de variation des coefficients. Hormis les modifications matérielles majeures des systèmes (nécessitant une réinitialisation du modèle statistique), les variations des coefficients du modèle en fonction des propriétés de la tranche, des régimes de fonctionnement et des facteurs négligés sont 2 0 souvent suffisamment lentes ou de faibles amplitudes. L'algorithme PAA est donc parfaitement capable de les suivre. Le niveau de bruit présent dans les mesures est quant à lui réduit en filtrant les données d'entrée sur un intervalle de temps AT . Notons toutefois que pour AT très large, il y a filtrage non seulement du bruit 25 mais aussi des composantes fréquentielles des signaux utiles pour l'accélération de la convergence. De plus, un tel filtrage induit un décalage temporel qui peut devenir important par rapport aux variations brusques des coefficients réels. Enfin, les coefficients du modèle adaptatif sont initialisés aux valeurs calculées par la modélisation statistique sur le court terme précédent son démarrage (par exemple les 15 derniers jours). 4. Résultats de simulation Des simulations pour évaluer la réduction des émissions de NOx par le présent procédé ont été réalisées sur MATLAB/SIMULINK. Les mesures des émissions et des facteurs d'influence correspondant à 15 jours de fonctionnement ont été extraites puis moyennées sur des pas d'une minute et filtrées sur des 10 intervalles d'une demi-heure. Ces mesures ont été utilisées pour la construction du modèle statistique initiale des émissions de NOx par régression multifactorielle, avant d'être utilisées en tant que données d'entrées pour les simulations dynamiques. La première phase avait pour objectif de valider l'estimation adaptative du modèle 15 des NOx et des paramètres de sensibilité. Or, il n'existe pas de mesures réelles de sensibilités supposées représenter les valeurs de référence pour les comparer aux estimations adaptatives, pas plus qu'un modèle physique pour en élaborer par calcul (le modèle statistique devant lui-même être validé avant de constituer une référence). Pour cela, nous considérons, dans un premier temps, le modèle statistique comme 2 0 modèle « réel » des NOx et les sensibilités « réelles » celles déduites par ses coefficients fo , a, et bu . Les coefficients fo , a, et bu du modèle à estimer sont quant à eux initialisés à 0. Bien que cette simulation ne représente qu'un cas idéal où les « mesures » ne contiennent pas de bruit et proviennent d'un modèle théorique parfait dont les coefficients 2 5 sont constants, elle permet de se prononcer sur la stabilité et la capacité de convergence de l'algorithme adaptatif. La comparaison entre la sensibilité des émissions de NOx vis-à-vis de la hauteur de feu et celle estimée par l'algorithme adaptatif est affichée à la figure 9, montrant une convergence au bout de quelques jours (5) suivie d'une reconstitution parfaite en continu. 3 0 Le cycle de l'estimateur est fixé à un pas d'une minute. Les données de NOx et des facteurs d'influence sont moyennées sur des pas d'une minute. La « confiance » accordée au PAA suite aux résultats précédents nous permet de considérer les sensibilités estimées comme les valeurs de références pour le reste des simulations. Ainsi, dans la deuxième phase de tests, nous comparons ces dernières, élaborées en utilisant les vraies mesures de NOx, aux sensibilités calculées par le modèle statistique afin de mesurer la précision de ce dernier. Les résultats sont affichés à la figure 10. Les données de NOx et des facteurs d'influence sont moyennées sur des pas d'une minute et filtrées avec AT = 0,5h . Le cycle de l'estimateur est fixé à un pas d'une minute. La convergence de l'algorithme adaptatif dans ce cas « bruité » peut être considérée à partir du 8ème jour. On constate qu'après une certaine période dédiée à la convergence du PAA, la sensibilité calculée par le modèle statistique (à partir des coefficients initiaux a, et bu ) est sensiblement identique à la sensibilité estimée en temps-réel. Ceci est moins vrai dans le cas d'un modèle statistique élaboré à partir des données d'un mois (à la place de 15 jours), beaucoup plus erroné, comme on le voit sur la figure 11. Ces observations justifient une fois de plus l'intérêt d'adapter le modèle d'une manière continue. Suite à la validation de l'estimateur et de la modélisation statistique initiale, une simulation de l'optimiseur et du régulateur des NOx est effectuée. L'objectif étant de mesurer la réduction possible des émissions par le pilotage de 2 0 Hf La hauteur de feu optimisée et les émissions de NOx qui en résultent sont affichées aux figures 12, 13 et 14. Sur la période simulée, la moyenne des NOx passe de 918 mg/Nm3 à 880 mg/Nm3 suite à l'utilisation du présent procédé, ce qui se traduit par une réduction moyenne des émissions de NOx d'environ 40 mg/Nm3. Ainsi, à la figure 12, on remarque des passages de la valeur optimale entre Hfmjn 2 5 et Hf inax . A la figure 13, on remarque la dynamique de suivi de consigne de Hf ajusté à une constante de temps d'environ 20 minutes. La présente invention propose donc un procédé d'optimisation dynamique et de régulation en temps-réel de la répartition des alimentations des broyeurs afin de réduire en 30 continu les émissions de NOx en amont de la SCR. L'objectif étant d'assurer le maintien des performances des systèmes SCR et d'anticiper les futures directives réglementaires de 2016 sur les émissions de polluants. Références [Lan97] I.D. Landau, R. Lozano, M. M'Saad, "Adaptive Control", Springer, London, 1997 [Pa101] M. Paliard, « Installation et procédé de précalcination de matières minérales quelconques », Brevet européen n° 9206579, 2001. [Dus95] D. Dusome, « Staged combustion for NOX control at the calaveras tehachapi plant », World Cernent, 1995. [Riz98] R. Rizzi et al., « Towards an effective reduction of emissions in boilers via combustion control », Ansaldo Energia, 1998. [Mor01] C. Moreno, "Comparison of two well known Methods for Optimizing Power Plant Operations", 44th Annual ISA Power Industry Division Conference, Orlando, USA, 2001 [Dha96] N. Dharmarajan and P. 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Procédé de réduction des émissions de NOx dans une centrale thermique à charbon qui comprend une quantité X de broyeurs de charbon répartis en trois étages respectivement supérieur, médian et inférieur, caractérisé par le fait qu'il comprend : - une étape consistant à calculer en temps réel la "hauteur de feu", cette "hauteur de feu" dite Hf représentant l'écart normalisé entre les débits de charbon des différents broyeurs et étant définie par la relation suivante : Hf =2 (C affin E V a lim E C a lim F V a F - 2(C, A V a lim A ± C a lim B V a lim B ) où Vailmx et Caliinx sont respectivement la vitesse d'alimentation en charbon et la capacité en débit de charbon d'un broyeur X, tandis que E et F désignent les broyeurs de l'étage supérieur et A et B désignent les broyeurs de l'étage inférieur ; - une étape consistant à calculer en temps réel la consigne optimale de ladite "hauteur de feu" permettant de réduire les émissions de NOx dans l'état détecté de la 15 centrale et en fonction des sensibilités des émissions de NOx ; - ainsi qu'une étape consistant à réguler en boucle fermée et en temps réel l'alimentation des différents broyeurs en fonction de l'écart entre la mesure de Hf et sa consigne, ceci en maintenant inchangée la quantité de charbon totale acceptée dans l'ensemble des broyeurs. 20 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on augmente l'alimentation des broyeurs de l'étage supérieur et qu'on diminue l'alimentation des broyeurs de l'étage inférieur pour augmenter Hf. 25 3. Procédé selon la revendicationl, caractérisé par le fait qu'on diminue l'alimentation des broyeurs de l'étage supérieur et qu'on augmente l'alimentation des broyeurs de l'étage inférieur pour baisser Hf. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que, à tout 30 moment, la répartition des débits de charbon sur les différents broyeurs vérifie l'égalité suivante : Qref = N ,Q, + NmQm + N sQ, C a lim XV a lim xoù N. Q. N. Q. Ns et Qs sont respectivement le nombre et le débit de charbon des broyeurs en service situés selon trois étages inférieurs, médian et supérieur. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la hauteur de feu minimale étant obtenue en appliquant le débit maximal aux broyeurs inférieurs et le débit minimal aux broyeurs supérieurs tandis que la hauteur de feu maximale est obtenue en appliquant l'inverse, le débit des broyeurs médians est ajusté afin que la somme des débits soit égale à Qref et on définit deux valeurs des débits totaux qui garantissent les valeurs 10 optimales de Hf par : Q =N,Qima,c +NsQs min + N ,n[Q In min ; Qm max Q+ = N, i min + N,Q,.+N',[Q,n min ; ni maxi en considérant que pour une consigne optimale Hf = Si Qref est supérieur au max de Q-, le débit des broyeurs supérieurs doit être augmenté pour vérifier l'égalité, remontant ainsi Hf m. , 15 Si Qref est inférieur au min de Q-, le débit des broyeurs inférieurs doit être réduit pour vérifier l'égalité, remontant ainsi Hffnin , Tandis que pour une consigne H. fopt = Hf Si Qref est supérieur au max de Q+ 4 le débit des broyeurs inférieurs doit être augmenté pour vérifier l'égalité, baissant ainsi Hf. . 2 G Si Qref est inférieur au min de Q+ 4 le débit des broyeurs supérieurs doit être réduit pour vérifier l'égalité, baissant ainsi Hfma . 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une phase de modélisation statistique adaptative des émissions de NOx. 25 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la répartition de l'air primaire est calculée en fonction des débits d'air primaire inséré par broyeur et s'exprime par :2(Q,P E F) - 2(QapA + Q.,,B) Hap = LQapX où Q apx est le débit d'air primaire par le broyeur X. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait la répartition de 5 l'air secondaire est calculée en fonction des ouvertures de vantelles réparties par étage et est représentée par : Has =(F0011+ F0012+ F0013+ F0014)- (F0031 + F0032 + F0033 + F0034) EFOO' où FOO, est le signal représentant l'état d'ouverture (valeur 1) ou de fermeture (valeur 0) de la vantelle j située à l'étage i. 10 9. Système de réduction des émissions de NOx dans une centrale thermique à charbon qui comprend une quantité X de broyeurs de charbon répartis en trois étages respectivement supérieur, médian et inférieur, caractérisé par le fait qu'il comprend : - des moyens adaptés pour calculer en temps réel la "hauteur de feu", cette "hauteur 15 de feu" dite Hf représentant l'écart normalisé entre les débits de charbon des différents broyeurs et étant définie par la relation suivante : ECalmi X Va hm X OÙ ValiniX et Cah',x sont respectivement la vitesse d'alimentation en charbon et la capacité en débit de charbon d'un broyeur X, tandis que E et F désignent les broyeurs de 20 l'étage supérieur et A et B désignent les broyeurs de l'étage inférieur ; - des moyens adaptés pour calculer en temps réel la consigne optimale de ladite "hauteur de feu" permettant de réduire les émissions de NOx dans l'état détecté de la centrale et en fonction des sensibilités des émissions de NOx ; - et des moyens adaptés pour réguler en boucle fermée et en temps réel l'alimentation 25 des différents broyeurs en fonction de l'écart entre la mesure de Hf et sa consigne, ceci en maintenant inchangée la quantité de charbon totale acceptée dans l'ensemble des broyeurs. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un régulateur de Hf qui calcule en boucle fermée une commande à appliquer aux broyeurs en 2(C a EV a lim E C a lim FV alim F) 2(C AV alim A C a lim BV a lim B) Hf =fonction de l'écart entre une consigne optimale de la hauteur de feu et sa valeur calculée à partir des mesures de vitesses d'alimentation, laquelle commande est ensuite appliquée sur le système réel sous forme de consignes de décalage des vitesses d'alimentation des broyeurs, en la dupliquant sur les broyeurs supérieurs et inférieurs avec des signes opposés.5