rapport de stage chaudière
DESCRIPTION
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INTRODUCTIONINTRODUCTION
La régulation est outil primordial dans le contrôle des systèmes
notamment ceux qui demandent une grande précision et une large
gamme de rapidité d’intervention, parmi autres on trouve l’industrie
chimique dont l’activité du pole chimique de Safi fait partie.
Autant que future ingénieur (lauréat de l’école nationale des
sciences appliquées de Safi) on ait ramené à effectuer des stages au sein
des grandes entreprises dont l’OCP fait partie, afin d’enrichir les
connaissances pratiques à travers les acquis théoriques et notamment
pratiques réussis dans la formation, et ce qui est très important en fait
c’est la constitution de la carrière de l’ingénieur dans les cotés techniques
et communication managériale.
On en déduit que le sujet de stage choisit qui sert à l’étude des
chaines de régulation de la chaudière auxiliaire n’est qu’un pas vers
l’approfondissement des acquis théoriques accomplis par autres comme le
développement de la capacité d’adaptation, et la communication effective
ainsi que l’écoute active qui constituent la plate forme de tout leader.
Enfin cette période de stage au sein de l’OCP, a montrés qu’il
s’agit d’un organisme cohérent, basé sur la complémentarité et l’entente
et autant qu’ingénieur il ne s’agit pas seulement d’avoir tous ce qui est
technique mais aussi savoir gérer pour pouvoir atteindre les objectifs
visés.
Stage Ingénieur Aout 2007 1
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Partie IPartie I
Environnement du travailEnvironnement du travail
1.1. l’Office chérifien des phosphatesl’Office chérifien des phosphates
1. 1. Présentation
L’Office Chérifien du Phosphate est crée en 1920 pour but ; la production
du phosphate et ces dérivés (acide phosphorique, engrais).
L’extraction du phosphate brute se localise dans plusieurs villes
marocaines : Khouribga, Benguérir, Youssoufia, Boucraâ-Laâyoune. L’OCP
à construire également deux pôles industriels pour la production d’acide
phosphorique et les engrais : Le pôle industriel de Safi et le pôle industriel
de Jorf Lasfar.
En 1975 l’OCP devient le group OCP qui réalise aujourd’hui des
exportations très importantes grâce à ces Ports d'embarquement situés au
long de la cote Atlantide (Casablanca, Jorf Lasfar, Safi, Laâyoune).
La Production de phosphate atteint 27,25 millions de tonnes ce qui réalise
un Chiffre d'affaires à l'export de 2,055 milliards de dollars dont :
Stage Ingénieur Aout 2007 2
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/ Phosphate : 43.5%
Acide Phosphorique : 47.2%
Engrais : 9.5%.
1. 2. Organigramme
Le group OCP est la plus grande société productrice au Maroc, il a un
effectif d’emplois très important : 19 874 dont 856 ingénieurs et
équivalents.
L’organisation suivie par le group OCP est considérée si importante dans
l’amélioration de productivité de ce dernier. Cet organigramme le
montre :
Fig.1. Organigramme général de l’OCP
2. Le pole chimique de Safi
Stage Ingénieur Aout 2007 3
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/2. 1. Présentation
Le pôle industriel de Safi est le premier site chimique du Groupe OCP, il a
été démarré en 1965 pour valoriser les phosphates de Gantour
(Youssoufia).
Le complexe de Safi se compose de trois unités industrielles chacune
d’elles à sa capacité et sa spécialité :
2. 2. Maroc chimie
Sur le plan juridique, Maroc Chimie fait partie intégrante de Maroc
Phosphore depuis 1996. L’unité peut produire chaque année 400.000
tonnes P2O5 d’acide phosphorique et trois types d’engrais : 500.000
tonnes de TSP (triple super phosphate), 30.000 tonnes d’ASP (acide super
phosphate) et 250.000 tonnes de NPK. Ces deux derniers sont destinés au
marché local.
2. 3. Maroc Phosphore I et Maroc Phosphore II
Maroc Phosphore I et Maroc Phosphore II ont quant à eux une capacité
annuelle de production de 1,1 million de tonnes d’acide phosphorique
(630.000 tonnes pour la première unité et 470.000 pour la seconde) et
400.000 tonnes d’engrais MAP.
3. Division Maroc Phosphore II
3. 1. Présentation
Créée en 1981, Maroc Phosphore II est la division la plus récente du pôle
chimie Safi. Elle produit de l’acide phosphorique à partir du phosphate de
Benguérir.
Cette division comporte différents ateliers industriels et services annexes
est structurée comme suit :
Stage Ingénieur Aout 2007 4
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/MAROC PHOSPHORE II
(PCS/PM)
Service Production(PCS/PM/P)
Service Amélioration Technique
(PCS/PM/M)
Service Matériel(PCS/PM/M)
Atelier Energie et Fluides
( PCS/PM/PC)
Atelier Sulfurique( PCS/PM/PS)
Atelier Phosphorique( PCS/PM/PP)
Atelier Laverie( PCS/PT)
Contrôle du Matériel (
PCS/PM/MC)
Entretien Mécanique
(PCS/PM/MM)
MAROC PHOSPHORE II(PCS/PM)
Service Production(PCS/PM/P)
Service Amélioration Technique
(PCS/PM/M)
Service Matériel(PCS/PM/M)
Atelier Energie et Fluides
( PCS/PM/PC)
Atelier Sulfurique( PCS/PM/PS)
Atelier Phosphorique( PCS/PM/PP)
Atelier Laverie( PCS/PT)
Contrôle du Matériel (
PCS/PM/MC)
Entretien Mécanique
(PCS/PM/MM)
(PCS/LM)
(PCS/LM/P)(PCS/LM/M)
PCS/LM/MC)
(PCS/LM/M)
PCS/LM/PC)
PCS/LM/PS)
(PCS/LM/PP)
(PCS/PT)
(PCS/PM/MM)
Fig.2. Structure de la division MPII
En plus la division est divisée en deux grands secteurs chacun contient un
ensemble d’ateliers participants tous à la valorisation du phosphate :
Stage Ingénieur Aout 2007 5
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/MAROC PHOSPHORE II
(PCS/PM)
SECTEUR I SECTEUR II
Pompage eau de mer
Centrale thermique
Atelier sulfurique
TED
Laverie
Broyage
Réaction filtration
Stockage
Concentration acide
phosphorique
MAROC PHOSPHORE II(PCS/PM)
SECTEUR I SECTEUR II
Pompage eau de mer
Centrale thermique
Atelier sulfurique
TED
Laverie
Broyage
Réaction filtration
Stockage
Concentration acide
phosphorique
MAROC PHOSPHORE IIPCS/LM
MAROC PHOSPHORE II(PCS/PM)
SECTEUR I SECTEUR II
Pompage eau de mer
Centrale thermique
Atelier sulfurique
TED
Laverie
Broyage
Réaction filtration
Stockage
Concentration acide
phosphorique
MAROC PHOSPHORE II(PCS/PM)
SECTEUR I SECTEUR II
Pompage eau de mer
Centrale thermique
Atelier sulfurique
TED
Laverie
Broyage
Réaction filtration
Stockage
Concentration acide
phosphorique
MAROC PHOSPHORE IIPCS/LM
Fig.3. Structure sectorielle du MPII
3. 2. Le secteur accueillant (secteur I)
Comme on a vu ci-dessus le secteur I contient un ensemble
d’ateliers, dans ce qui suit on verra la description de chacun de
ces ateliers avec son utilité dans le procédé :
3. 2. 1. Atelier sulfurique
3. 2. 1. 1. Description
Constitué de 3 unités de production nominale de 1700 TMH/jour. Il assure
en outre, la production de la vapeur haute pression à partir de ses
chaudières de récupération et la production de l’acide sulfurique
nécessaire pour la fabrication d’acide phosphorique.
L’atelier sulfurique PS de Maroc Phosphore II comprend trois lignes
identiques A, B et C. De capacité unitaire 1750 T/j d’acide sulfurique
concentré à 98,5 % selon le procédé simple absorption de MONSANTO
ENVIRO-CHEM.
Stage Ingénieur Aout 2007 6
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3. 2. 1. 2. Procédé de fabrication
Le procédé de fabrication de l’acide sulfurique comprend en général trois
étapes qui sont :
Combustion
S + O2 SO2 + 70.96 Kcal/mol à25°C.
Conversion
SO2 + ½O2 SO3 + 23.6 Kcal/mol à25°C.
Absorption
SO3 + H2O H2SO4 + 32.8 Kcal/mol à25°C
Le schéma synoptique expliquant les étapes du procédé est le suivant :
Stage Ingénieur Aout 2007 7
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Fig.4. schéma synoptique du sulfurique
3. 2. 2. TED
La centrale TED produit de l’eau industrielle pour répondre aux besoins de
chaque atelier de fabrication en eau : filtré, déminéralisée, désiliez et
potable ; pour cela l’eau subit les traitements suivants :
Décantation et filtration.
Déminéralisation primaire et finale.
Javellisation.
L’installation TED est composée de :
Deux décanteurs et leurs auxiliaires.
8 filtres à sable gravitaire.
3 chaînes de désilication.
Une station de production de l’eau potable.
Des bacs de stockage et de distribution d’eau alimentaire.
Stage Ingénieur Aout 2007 8
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Fig.5. Synoptique du traitement des eaux
3. 2. 2. La centrale thermique
La centrale est dotée d’un ensemble de dispositifs, matériels et de
potentiel humain qui lui permet de produire l’énergie électrique et la
vapeur d’eau nécessaire pour le bon fonctionnement de MPII. Elle est
composée essentiellement de :
Deux groupes turboalternateurs de capacité unitaire 16.4mw,
assurant l’alimentation du complexe en énergie électrique.
D’une chaudière auxiliaire (lieu de la boucle de régulation
concernée voir détail technique dans la partie III) à fuel de 50t/h,
assurant l’appoint en vapeur lors d’arrêt d’une et de deux unités
sulfurique ou bien le démarrage du complexe à froid.
D’une station d’aire comprimée.
D’une unité d’eau alimentaire.
Stage Ingénieur Aout 2007 9
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/Synthèse
On pourra résumer le fonctionnement des différents ateliers en dressant
les liens fonctionnels qui les relient dans le schéma fonctionnel suivant
Fig.6. Digramme bloc de production
Partie IIPartie II La régulationLa régulation
1. Généralités
1. 1. Notion de la régulation
Stage Ingénieur Aout 2007 10
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/Pour avoir une bonne marche de production, certains paramètre doivent
rester constantes exemple : débit, pressions, température, niveau cela
dans le but d’attribuer à ces paramètres les valeurs dérivées qui ont
appliqué à des différents principes de régulation.
La régulation est donc l’action de régler, c'est-à-dire maintenir la sortie ou
une grandeur d’état d’un système à une valeur constante quelque soit la
perturbation, cette valeur prescrite on l’appelle par suite consigne.
1. 2. Notion d’une boucle de régulation
Faire une contre-réaction ou un « feedback » : réagir en fonction de ce
qui est réalisé, connaissant ce qui est demandé. Ce principe nous
l’utilisons tous les jours dans la plupart de nos actions. Pour conduire, nous
devons regarder la route et sans cesse corriger la direction de la voiture
même s’il n’y a pas de virages.
Un système est en boucle ouverte lorsque la commande est élaborée sans l’aide
de la connaissance des grandeurs de sortie : il n’y a pas de feedback.
Dans le cas contraire, le système est dit en boucle fermée. La commande est
alors fonction de la consigne (la valeur souhaitée en sortie) et de la sortie. Pour
observer les grandeurs de sortie, on utilise des capteurs. C’est l’information de
ces capteurs qui va permettre d’´elaborer la commande.
Perturbations
Fig.7.a. Schéma d’un système en Boucle Ouverte
Fig.7.b. Schéma d’un système en Boucle fermée
Stage Ingénieur Aout 2007 11
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/La technique d'automatisation la plus répandue est le contrôle en boucle
fermée. Un système est dit en boucle fermée lorsque la sortie du procédé
est prise en compte pour calculer l'entrée. Généralement le contrôleur
effectue une action en fonction de l’erreur entre la mesure et la consigne
désirée. Le schéma classique d'un système linéaire pourvu d'un régulateur
linéaire en boucle fermée est le suivant :
Fig.8. Schéma détaillé d’une boucle de régulation
La boucle ouverte du système est composée du procédé et du correcteur.
La fonction de transfert de ce système en boucle ouverte est donc:
Avec cette architecture on peut recalculer une nouvelle fonction de
transfert du système : la fonction de transfert en boucle fermée à l'aide
des relations entre les différentes variables:
e(s) = r(s) − y(s)
On obtient alors :
Stage Ingénieur Aout 2007 12
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La fonction représente la fonction de transfert
en boucle fermée. On peut remarquer que : c’est
la formule de Black qui permet de passer d’une fonction de transfert en
boucle ouverte à une fonction de transfert en boucle fermée.
1. 3. Stabilité des boucles de régulation
Pour s'assurer que le système asservi est stable il faut considérer le
produit C.H et vérifier qu'il existe une marge suffisante entre C.H et -1.
Dans la majorité des applications il est nécessaire de corriger C en
ajoutant une fonction de transfert dans l'électronique de commande. La
fonction à insérer porte le nom de correcteur du système asservi.
La stabilité du système est d'autant plus grande que C.H est différent de -
1. Il s'agit donc de respecter une marge sur le module ou le gain de C.H et
sur sa phase par rapport à -1. L'expérience montre qu'une marge de 45° à
65° sur la phase ou bien une marge de 8 à 10dB sur le gain assurent une
stabilité satisfaisante.
La marge de phase = + Arg(C.H) pour la pulsation qui donne Gain = 0
En fait + Arg(C.H)= Arg(C.H)-(- ) et la deuxième condition sur le gain
a pour but la conformité complexe :
Fig.9. La marge de phase pour un système
Stage Ingénieur Aout 2007 13
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/ La marge de gain est égale à 20 log| C.H | pour la pulsation qui permet d'obtenir
arg(C.H) = -
Fig.10.La marge de gain pour un système
2. Eléments d’une boucle de régulation
Une boucle de régulation doit comporter au minimum les éléments
suivants :
Un capteur de mesure
Un transformateur souvent intégré
Un régulateur
Un actionneur
Elle est souvent complétée par :
Un enregistreur
Des convertisseurs
Des sécurités ou asservissements
2. 1. Les capteurs
2. 1. 1. Approche
C'est un dispositif qui transforme une grandeur physique en une grandeur
exploitable, souvent de nature électrique. Le choix de l'énergie électrique
Stage Ingénieur Aout 2007 14
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/vient du fait qu'un signal électrique se prête facilement à de nombreuses
transformations difficiles à réaliser avec d'autres types de signaux.
CapteurGrandeurphysique àmesurer
GrandeurGrandeurphysique physique ààmesurermesurer
Grandeur d’influence
SignalÉlectrique de mesure
SignalSignalÉÉlectrique lectrique de mesurede mesure
CapteurGrandeurphysique àmesurer
GrandeurGrandeurphysique physique ààmesurermesurer
Grandeur d’influence
SignalÉlectrique de mesure
SignalSignalÉÉlectrique lectrique de mesurede mesure
Fig.11.Les entrés/sorties capteur
2. 1. 2. Constitution d’un capteur
Corps d’preuve Transducteur Transmetteur
Grandeur physique àmesurer
RéactionSignal de
sortie électrique
Signal de mesure transmis
Corps d’preuve Transducteur Transmetteur
Grandeur physique àmesurer
RéactionSignal de
sortie électrique
Signal de mesure transmis
Fig.12. Structure d’un capteur
Corps d'épreuve : élément mécanique qui réagit sélectivement à la
grandeur à mesurer. Il transforme la grandeur à mesurer en une autre
grandeur physique dite mesurable.
Transducteur : il traduit les réactions du corps d'épreuve en une
grandeur électrique constituant le signal de sortie.
Transmetteur : mise en forme, amplification, filtrage, mise à niveau du
signal de sortie pour sa transmission à distance. Il peut être incorporé
ou non au capteur proprement dit.
Remarque :
Dans l’industrie on trouve plusieurs types des capteurs :
Capteurs de débit
Les débitmètres à organe dipromogène (diaphragme, venturi, tuyère).
Stage Ingénieur Aout 2007 15
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/ Les débitmètres à effet vortex Les débitmètres à tube de Pitot Les débitmètres électromagnétiques.
Capteurs de niveau Les radars
Les flotteurs
2. 2. Le transmetteur
Le transmetteur est chargé de mettre en forme normalisée le signal S qui
va transporter l’information. Ce transmetteur est aussi appelé
conditionneur, C’est un instrument qui transmet le signal reçu au près du
capteur en signal compréhensible par le régulateur.
Fig.13. Structure d’un transmetteur
2. 3. Régulateur
C’est un instrument qui a pour rôle de maintenir une valeur bien
déterminée de grandeur a réglée (débit, pression, niveau…etc.), en
faisant la comparaison entre la mesure du capteur et la consigne et en
agissant sur l’organe de réglage de telle façon à tendre l’écart vers zéro.
∑=C-M≈0
Stage Ingénieur Aout 2007 16
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Fig.14. Structure d’un régulateur
2. 4. Actionneur (vanne)
2. 4. 1. Approche
C’est l’instrument esclave de la chaîne de régulation, il est commandé par
le régulateur a fin de réduire la différence entre la consigne et la mesure.
Dans le cas de notre boucle de régulation, il s’agit d’une vanne, alors
allons définir c’est quoi précisément un vanne, sa structure…etc.
2. 4. 2. Description et schématisation
La vanne est un dispositif de réglage constituant un élément terminal d’un
système de commande industriel il se compose :
Le corps : qui contenant des organes internes capable de faire
varier le débit du fluide passant dans le corps
Le servomoteur : le servomoteur est utilisé pour la commande de la
vanne en entraînant un déplacement de l’axe de la vanne.
Le positionneur : le positionneur est un appareil complémentaire
des servomoteurs qui assure des fonctions suivant :
Régulateur de servomoteur pneumatique
Eliminer immédiatement les erreurs de
positionnement de servomoteur
Stage Ingénieur Aout 2007 17
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/ Augmenter la force de positionnement d’un
servomoteur par ce que le signal de commande n’est
pas suffisant
Obtenir un positionnement de servomoteur
Vanne Vanne manuelle Electrovanne
Vanne pneumatique
Vanne pneumatique avec positionneur
Vanne Vanne manuelle Electrovanne
Vanne pneumatique
Vanne pneumatique avec positionneur
Fig.15. Schématisation des vannes
2. 4. 3. Constitution de la vanne de réglage
La vanne (coupe fig.15) est constituée de deux éléments principaux :
Le servomoteur : c'est l'élément qui assure la conversion du signal
de commande en mouvement de la vanne ;
Le corps de vanne : c'est l'élément qui assure le réglage du débit.
Stage Ingénieur Aout 2007 18
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Fig.16. Vue en coupe d'une vanne de régulation pneumatique
Et aussi d'un certain nombre d'éléments auxiliaires :
Un contacteur de début et de fin de course ;
Une recopie de la position ;
Un filtre détendeur ;
Un positionneur : il régule l'ouverture de la vanne en accord avec le
signal de commande.
Fig.17. Positionneur de la vanne
2. 4. 4. Caractéristiques intrinsèque des vannes de régulation
C'est la loi entre le débit Q et le signal de commande de la vanne Y, la
pression différentielle P aux bornes de la vanne étant maintenue
constante.
Stage Ingénieur Aout 2007 19
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/On distingue essentiellement trois types de caractéristiques intrinsèques
de débit :
Débit linéaire PL :
Le débit évolue linéairement en fonction du signal. La caractéristique est
une droite. Des accroissements égaux du signal vanne provoquent des
accroissements égaux de débit.
Fig.18. Caractéristique linéaire
Débit égal en pourcentage EQP:
Le débit évolue linéairement en fonction du signal. La caractéristique est
une droite. Des accroissements égaux du signal vanne provoquent des
accroissements égaux de débit.
Fig.19. Caractéristique égal pourcentage
Débit tout ou rien PT:
Stage Ingénieur Aout 2007 20
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/Cette caractéristique présente une augmentation rapide du débit en début
de course pour atteindre alors environ 80% du débit maximum.
Fig.20. Caractéristique tout ou rien
3. Le dilemme précision stabilité
3. 1. Introduction
L'erreur sur la sortie d'un système asservi est s = lim w0 |S / H|. Pour
améliorer la précision il suffit d'augmenter |H| de H0 quand w -> 0. Mais la
marge de phase se réduit et la stabilité du système se dégrade :
Fig.21. Dilemme stabilité précision
Rares sont les applications où il suffit d'augmenter le gain pour obtenir
une précision convenable tout en conservant un bon niveau de stabilité. Il
faut en général faire une correction plus sophistiquée qui évolue en
fonction de la pulsation.
Stage Ingénieur Aout 2007 21
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/3. 2. Correction d’un système
L’analyse du type processus à corriger et des spécifications de la
régulation permet en général de choisir le type de correcteur à implanter.
Il est important pour la conception de la commande de savoir si le
processus est stable ou non en boucle ouverte. Une autre caractéristique
importante est la présence d’un retard pur, qui a tendance à déstabiliser
le système lorsque l’on ferme la boucle et peut exiger des méthodes de
synthèse adaptées. La présence ou non d’intégrateurs dans le système
amène à choisir combien le régulateur doit en comporter. Ces
considérations permettent d’obtenir une structure de régulateur.
La connaissance de la fonction de transfert en boucle ouverte du
processus permet de calculer la fonction de transfert en boucle fermée,
dont les propriétés les plus importantes sont liées à son polynôme
caractéristique. On peut déterminer les paramètres du régulateur pour
obtenir un polynôme caractéristique désiré, ou encore une fonction de
transfert désirée en boucle fermée.
3. 2. 1. Régulateur proportionnel
L’action proportionnelle permet de faire varier la correction issue du
régulateur proportionnellement à l’écart mesure - consigne. Son rôle est
de stabiliser la mesure. On note :
AP=GR×(M−C )
GR est le gain du régulateur (sans unité)
AP est l’action proportionnelle exprimée en %
Sur la plupart des régulateurs, on règle la Bande Proportionnelle au lieu de
régler le gain du régulateur :
BP(% )=100GR
Stage Ingénieur Aout 2007 22
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/Réponse de l'action proportionnelle à une variation de l'écart Mesure Consigne :
Fig.22. Action proportionnel
Pour généraliser Le signal de correction issu du régulateur s’écrit de la
façon suivante lorsque le régulateur est simplement proportionnel :
S=S0±GR×(M−C )
S0 est la valeur centrale du signal en %
+ ou - est le sens d’action
Lorsque le procédé fonctionne hors des conditions de régime nominal
(quasiment tout le temps), la grandeur réglée est stabilisée par l’action
proportionnelle mais n’est pas égale à la valeur de consigne, il subsiste un
écart résiduel qui dépend de l’écart par rapport aux conditions nominales
et de la valeur du gain du régulateur.
Pour diminuer cet écart résiduel, on peut augmenter le gain du régulateur
mais on risque de déstabiliser le système.
Stage Ingénieur Aout 2007 23
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/La solution la plus simple consiste à modifier la loi de commande en
rajoutant une deuxième action : l'action intégrale. Son rôle sera de
ramener la mesure à sa valeur de consigne.
3. 2. 2. Régulateur P-Intégral
L’action intégrale permet de tenir compte du passé de la régulation en
effectuant au cours du temps l’intégrale de la variation de l’écart mesure -
consigne. Son rôle est d’éliminer l’écart résiduel.
L'intégrale est une opération mathématique qui accumule l'écart Mesure -
Consigne pour l'intégrer à la correction.
AI= 1T I
∫(M−C )dt
L’action intégrale notée AI est exprimée en %. Un paramètre noté T I
permet de donner à l'action intégrale un poids plus ou moins important.
On le nomme le temps d’intégrale (homogène à un temps, en minutes en
général ou seconde).
Contrairement au gain qui augmente le poids de l'action proportionnelle
lorsqu'on l'augmente, l'augmentation du temps d'intégrale diminue le
poids de l'action intégrale. Donc si l'on double le temps d'intégrale, on
divise par deux le poids de l'action intégrale.
Dans ce cas, le paramètre ponctuant l'action :
Proportionnelle : GR
Intégrale : 1 / Ti
Stage Ingénieur Aout 2007 24
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Fig.23. Action intégrale
L’action intégrale permet de ramener la mesure à sa valeur de consigne
quelles que soient les conditions de fonctionnement. Elle supprime donc
l’écart résiduel.
3. 2. 3. Régulateur PI-Dérivé
L’action dérivée permet de tenir compte des variations brutales de l’écart
Mesure- Consigne, en effet le poids de cette action est d’autant plus
important que la variation de M-C est brutale.
L'action dérivée constitue donc un accélérateur de correction et intervient
dans les moments d'urgence (variation rapide de la mesure par rapport à
la consigne).
Cette action est moins fondamentale que les deux précédentes.
L’action dérivée notée AD est exprimée en %. Un paramètre noté Td
permet de donner à l'action dérivée un poids plus ou moins important. On
le nomme le temps de dérivée (homogène à un temps, en minutes en
général ou seconde).
Comme pour le gain qui augmente le poids de l'action proportionnelle
lorsqu'on l'augmente, l'augmentation du temps de dérivée augmente le
Stage Ingénieur Aout 2007 25
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/poids de l'action dérivée. Donc si l'on double le temps de dérivée, on
multiplie par deux le poids de l'action dérivée
Fig.24. Action dérivée
On combine les deux types de corrections précédentes : un Proportionnel
Dérivateur permet d’avancer la phase aux hautes fréquences ; un
Proportionnel Intégral garantit la précision en agissant aux basses
fréquences pour ne pas retarder la phase de la zone critique
Synthèse
Tous les régulateurs actuels peuvent fonctionner en P seul, en PI ou
en PID.
Il faut connaître la structure (série, parallèle, mixte) du régulateur
pour pouvoir identifier parfaitement la loi de commande.
Pour adapter le fonctionnement des régulateurs au procédé sur
lequel on développe la boucle de régulation, il faut :
o Déterminer la loi de commande P, PI ou PID qui permet
d’effectuer la meilleure correction possible
Stage Ingénieur Aout 2007 26
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/o Régler les paramètres nécessaires GR, Ti et Td.
Partie IIIPartie III Etude de la partie1 du sujetEtude de la partie1 du sujet
Stage Ingénieur Aout 2007 27
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/1. Présentation de la partie1
La régulation est devenue de plus en plus un atout primordial à incorporer
dans n’importe quel système pour pouvoir le faire fonctionner en
répondant aux exigences, c’est à ce niveau que se situe mon sujet de
stage qui se résume en :
Une étude détaillée de la boucle de régulation du débit vapeur HP, à
la centrale thermique.
Etablir un modèle simplifié décrivant les asservissements mis en
place.
Définir les conditions du démarrage et d’arrêt de la chaudière
auxiliaire.
Dresser l’utilité du passage de l’ancienne approche, vers l’utilisation
des API
Pour cela il faut passer par détailler la structure et le fonctionnement de la
chaudière auxiliaires.
2. Etude de la chaudière auxiliaire (CA)
2. 1. Généralités
Les chaudières produisent de l'eau chaude ou de la vapeur qui est utilisée
par les procédés industriels ou qui sert au chauffage des locaux et de
l'eau. Un large éventail de types et de tailles de chaudières permet de
répondre aux besoins variés des installations industrielles ou autres La
plupart des chaudières renferment trois composants principaux : un
brûleur qui convertit le combustible en chaleur, un échangeur de chaleur
qui transfère la chaleur à de l'eau ou de la vapeur, et un récipient qui
renferme l'eau à chauffer. Une cheminée permet d'évacuer les sous-
produits de combustion (gaz de combustion) et l'eau chaude ou la vapeur
est acheminée par un système de distribution aux points d'utilisation. Un
schéma du processus de combustion est présenté à la figure 24.
Le gaz naturel et le mazout sont les combustibles les plus couramment
utilisés dans les chaudières mais on utilise également le propane,
Stage Ingénieur Aout 2007 28
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/l'électricité, le charbon et la biomasse. On se sert généralement de
chaudières électriques lorsque les risques d'incendie associés aux
chaudières à combustion constituent un danger pour la sécurité et lorsqu'il
est important de réduire la pollution atmosphérique.
Fig.25. Schéma d’une chaudière
Remarque :
La durée de vie d'une chaudière est d'environ 25 ans; il est donc essentiel
de tenir compte des coûts du combustible et des frais d'entretien à long
terme, ainsi que des coûts d'achat ou de modernisation. Dans le cas d'un
nouveau modèle à rendement élevé, les coûts du combustible peuvent
être jusqu'à 40 p. 100 moins élevés que ceux d'un modèle classique, ce
qui, sur 25 ans, peut représenter des économies considérables. Dans de
nombreux cas, le simple fait de moderniser une chaudière peut en
améliorer le rendement d'au moins 20 p. 100.
2. 2. La chaudière auxiliaire BWII
2. 2. 1. Approche
Il s’agit d’un générateur de vapeur, c’est un équipement destiné à
transformer l'eau en vapeur à une température et pression bien
déterminées en fonction des besoins. L'apport calorifique vient de la
Stage Ingénieur Aout 2007 29
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/combustion d'un fluide en circulation qui cède l'énergie thermique à l'eau
et la vapeur.
La centrale MC possède une chaudière auxiliaire prévue pour la production
de la vapeur nécessaire pour le fonctionnement des turbines ainsi que les
ateliers sulfuriques phosphorique et les engrais en consommation
d'énergie.
La chaudière fonctionne dans les cas suivants :
Lorsque l’atelier sulfurique ne produit pas la vapeur HP suffisante.
Au démarrage du complexe après un arrêt à froid.
Pour satisfaire les CAP en cas d’arrêt d’une ligne sulfurique.
Déclenchement des lignes sulfurique et non redémarrage à volet.
Au démarrage à froid de la chaudière, on utilise le fuel domestique, et en
exploitation normale on utilise le fuel lourd.
2. 2. 2. Structure de la chaudière BWII
La chaudière (50t/h, 59bar, 500°C) est composée essentiellement de :
Chambre de combustion.
Elément vaporisateurs.
Ballon (inférieur et supérieur).
Foyer.
Economiseur.
Deux bruleurs (inférieur et supérieur)
Surchauffeurs.
Désurchauffeurs.
La cheminée.
Ramoneur.
Ventilateur.
Le schéma synoptique suivant permet d’identifier les différents
composants cités ci-contre :
Les éléments assurant sa communication avec l’extérieur son :
Deux pompes alimentaires (70m3/h, PA=2bar, PR=81.2bar)
Ballon des purges.
Ventilateur de soufflage (75000 Kg/h d’air à 950 mbar).
Stage Ingénieur Aout 2007 30
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/ L’installation des carburants (fuel et gasoil).
Bâche alimentaireFuel
Ventilateur d’air
Brûleurs
Surchauffeur 1
Surchauffeur 2
Ballon inférieur
Ballon supérieur
Cheminée
Pompe fuel Evaporateur Economiseur
Réchauffeur air
Silencieux
Vapeur haute pression
Vers utilisation
Bâche alimentaireFuel
Ventilateur d’air
Brûleurs
Surchauffeur 1
Surchauffeur 2
Ballon inférieur
Ballon supérieur
Cheminée
Pompe fuel Evaporateur Economiseur
Réchauffeur air
Silencieux
Vapeur haute pression
Vers utilisation
Fig.26. Synoptique de la chaudière
2. 2. 3. éléments de la chaudière
La chambre de combustion (foyer) :
C’est la chambre ou se déroule la conversion de l’énergie potentielle
contenue dans le combustible (pouvoir calorifique) en gaz chauds et en
rayonnement (la masse gazeuse).
Le ballon supérieur :
Le ballon supérieur constitue une enceinte de mélange dans laquelle se
trouve la phase liquide et la phase vapeur, ce ballon constitue une réserve
d’eau pouvant palier dans une certaine mesure à toute variation brutale
de production de vapeur. A l’intérieur du ballon on trouve le préchauffeur
d’eau.
Le préchauffeur :
Il est constitué par des serpentins dont le but est de préchauffage se situe
à l’intérieur du ballon supérieur.
Le ballon inferieur :
Stage Ingénieur Aout 2007 31
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/Le ballon est également en construction modérée, à un diamètre intérieur
de 323.9, ce réservoir constitue le pied de la chaudière.
Echangeur de chaleur :
Les échangeurs (économiseur, évaporateur, surchauffeur, réchauffeur
d’air) sont constitués par des faisceaux de tubes qui assurent l’échange
thermique entre la masse gazeuse et l’eau ou la vapeur.
L’économiseur :
Son but est de réchauffer l’eau alimentaire en récupérant autant que
possible de la chaleur restant dans les fumées.
Les vaporisateurs :
Ils assurent la fin de l’échauffement de l’eau et la production de la vapeur.
Ils sont constitués de 692 tubes formant 54 éléments ils sont situés entre
l’économiseur et surchauffeur.
Les surchauffeurs :
Se sont les premiers éléments attaqués par la masse gazeuse qui ont pour
objectif la production d’une vapeur sèche à une température de 490°C,
constitué d’un 1er et un 2éme surchauffeur.
Le système de désurchauffe :
Il est destiné à refroidir et à moduler la température de la vapeur
surchauffée.il est commandé par une vanne régulatrice qui reçoit un signal
d’ouverture/fermeture selon la température de sortie du 2éme surchauffeur.
2. 2. 4. Fonctionnement
Circuit eau alimentaire:
L'eau dégazée qui alimente la chaudière provient de la bâche alimentaire
sous pression de 100bar et avec une température de 120°C. Elle pénètre
dans le préchauffeur à épingle situé dans le ballon supérieur et sort à
180°C elle se dirige vers la 1ère surchauffeur puis le deuxième qui tapisse
la chambre de combustion. Celui-ci est soumit au rayonnement de la
flamme. La combustion est assurée par deux bruleurs superposés passant
alternativement du fuel domestique au moment de démarrage. Au fuel
Stage Ingénieur Aout 2007 32
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/lourd en exploitation, la quantité de vapeur à 500°C dépend de la valeur
de consigne du débit de combustion affiché en salle de contrôle.
Après augmentation de la température dans la première surchauffeur il y a
une injection d'eau au niveau du désurchauffeur dans le cas où la
température dépasse la valeur consignée 450°C.
Étant donné que la quantité de vapeur produite est liée directement au
débit du combustible il est important d’étudier le système d’allumage et la
régulation de combustion, qui est le sujet de la 4éme partie (sujet 2)
3. La boucle de régulation étudiée
3. 1. Notion de débit
On détermine le plus souvent le débit volumique c'est à dire le volume de
fluide qui s'écoule par unité de temps dans la canalisation considérée,
tandis que le débit massique exprime la masse de fluide écoulé pendant
cette même unité de temps. Ainsi Qm = Qv si l'on appelle la masse
volumique du fluide.
Précisons que si, à température constante, les liquides peuvent être
considérés comme incompressibles et donc de volume indépendant de la
pression, il n'en est pas de même pour les fluides à l'état gazeux. Ainsi,
pour un gaz un débitmètre volumique ne donnera une indication
significative que si l'on connait simultanément la température et la
pression, alors que pour un liquide seul la température sera utile et qu'en
outre elle pourra varier légèrement sans que la plupart du temps cela
affecte de manière significative la précision de la mesure. Il serait souvent
préférable de mesurer le débit massique, mais c'est plus difficile.
Une autre difficulté provient de ce que l'on appelle les pertes de charge,
c'est à dire la diminution de la pression le long d'une canalisation qui varie
avec le débit, la section et la nature du fluide.
Stage Ingénieur Aout 2007 33
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/3. 2. La boucle de régulation du débit vapeur
3. 2. 1. Utilité de la chaine
L’utilité de cette régulation est montrée par absurde c’est à dire en
supposant qu’elle n’existe pas et en remarquant les conséquences grave
qui peuvent résulter de la variation du niveau ballon, ce niveau est
conditionner par les variations de la charge (demande plus importante de
vapeur), le maintien d'un niveau normal en chaudière doit être la
préoccupation principale de l’operateur.
La sécurité du matériel et du personnel en dépend en grande partie. Il ne
doit pas y avoir de doute sur le niveau exact du ballon, quel que soit le
moyen de contrôle.
Le dépassement des niveaux limites de l'eau dans une chaudière, peut
avoir de très graves conséquences, surtout lorsque ce dépassement
concerne la limite inférieure de niveau, le niveau doit se maintenir dans
les limites de niveau haut et bas.
En général, il est maintenu légèrement au dessus du plan diamétral; du
ballon pour les chandelières à ballon.
Dans les montures à glace, le niveau doit apparaître légèrement mobile;
se méfier d'un niveau parfaitement stable, ce pourrait être l'indice que
l'une des communications de la monture avec la chaudière est obstruée
Dans les deux cas, le niveau peut varier brusquement sans qu'il y ait
anomalie:
Appel brusque de vapeur : le niveau monte (gonflement).
Arrêt brusque de l'appel de vapeur: Le niveau descend
(entassement).
Dans les deux cas, le niveau normal s'établit assez rapidement.
3. 2. 2. Description de la chaine
Comme on cité ci-dessus le but de cette chaine est de maintenir un certain
niveau dans le ballon quelque soit la charge de la chaudière. Pour cela, et
Stage Ingénieur Aout 2007 34
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/à chaque instant, il faut que le débit de vapeur produit soit compensé par
débit équivalent d’eau alimentaire.
C’est une chaîne à trois éléments qui fait appel à :
Une chaîne ouverte mesurant la grandeur perturbatrice Qv (débit
vapeur).
Une chaîne fermée qui mesure le niveau ballon après comparaison
à une valeur de consigne afin d’en déterminer l’écarte.
Une chaîne d’asservissement mesurant la grandeur réglant Qe
(débit eau alimentaire).
Les schémas qui suivent vont expliqués profondément le fonctionnement
de toutes les chaines constructives ainsi que la logique utilisée pour la
sécurité.
Stage Ingénieur Aout 2007 35
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/
FT
FT
Ballon chaudière
LT-
+
LICCI
FIC
HY
Sélecteur 1/ 3
éléments
Vapeur
Eau alimentaire
Niveau
FTFT
FTFT
Ballon chaudière
LTLT-
+
LICLICCI
FICFIC
HYHY
Sélecteur 1/ 3
éléments
Vapeur
Eau alimentaire
Niveau
Fig.27. Schéma synoptique de la chaine
Ce schéma est très représentatif de la chaine trois éléments et le rôle de
chacun des composants y figurent sera détaillé par la suite, le schéma
suivant est dit pneumatique permet de savoir l’ancienne approche
pneumatique avec les sorties alarmes et sorties sécurité.
3. 2. 3. Fonctionnement
Le rôle principal de la chaine est de maintenir le niveau ballon de la
chaudière constant, en réglant le débit d’eau alimentaire en fonction du
débit vapeur, il s’agit d’une régulation par anticipation dans laquelle on
anticipe afin de prévoir une éventuelle défiance en entrée ou en sortie, le
niveau h doit être hmin(=40 % )≤h (=50 % )≤hmax(=60 % )
Comme il est cité auparavant, le niveau h dépend de deux paramètres :
Débit eau alimentaire entrée Qe.
Débit vapeur HP finale sortie, Qs tel que : le niveau h= f (Qe-Qs)
On contrôle instantanément le débit « Qe », mais suivant la consigne de «
Qs » ; cette consigne pouvant varier d’un moment à l’autre suivant les
besoins de la production. Lorsque les variations de Qs sont importantes, il
est nécessaire d’intercaler un système de régulation plus précis et plus
rapide. Dans le cas contraire, cette extrême rapidité est aléatoire.
Stage Ingénieur Aout 2007 36
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/Pour réaliser le but préconisé, on utilise une chaîne de régulation à
« 3 éléments ».
Cette chaîne en cascade permet la comparaison instantanée de tous les
paramètres qui entrent en jeu : débit eau entrée, débit vapeur HP venant
des deux transmetteurs FT1 et FT2, du type pression différentielle (voir
partie suivante) prend la mesure sur le diaphragme, et niveau ballon ;
grâce à la combinaison particulière des chaînes de mesure appliquées
chacune sur un paramètre variant.
L’équation h=f (Qe – Qs), nécessite alors dans ce cas un opérateur de
combinaisons, ce dernier est pratiquement un «Additionneur» dont la
sortie est T=MFT1 + SLT-50% avec :
T : signal de consigne externe de débit d’eau (sortie additionneur).
MFT1 : Mesure du transmetteur 1 du débit vapeur
SLT : Signal du régulateur de niveau ballon.
50% : Décalage à régler de telle façon que T= MFT1 lorsque SLT= 50%. Ce
décalage Sert à centrer la plage de correction du régulateur de niveau.
Cette sortie, c’est la consigne externe du régulateur de débit FIC eau qui
la compare à la mesure venant de transmetteur FT, du type pression
différentielle prend la mesure de débit sur le diaphragme FE. A la suite de
cette comparaison, le régulateur de débit agit sur la vanne pour répondre
à la consigne : corriger le niveau et égaliser le débit vapeur en masse par
unité de temps.
3. 3. Asservissements liés à la boucle
Le signal fournit par le transmetteur est exploité en deux vois :
En régulation comme des mesures ou des consignes (cas de cascade).
En assurant le fonctionnement, par des signaux alarme est une logique
détection et de protection en cas d’absence de l’un des paramètres, les
suivant schémas vont approchés les notions tout en respectant
l’originale version des logigrammes, et des schémas de dépannages
pneumatiques :
Au début la technologie a été basé sur tous ce qui est pneumatique, donc
le signal retourné par le transmetteur l’est aussi, et par suit l’installation
des pressostats permet de détecter les seuils de niveau (bas, très bas et
Stage Ingénieur Aout 2007 37
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/haut), chaque niveau donne au superviseur une alarme de sécurité selon
le principe suivant :
Unitéd’alarme Unitéde sécurité
CE
CI
V
M
T
AConsigne externe
Vers entrée x
AB
T
CE
CI
V
M
T
A
Entrée x
Sélecteur
Niveau
Vapeur MP Qv
Vanne
LIC 059
FIC 077
Eau alimentaire Qe
Capteur
Transmetteur
Unitéd’alarme Unitéde sécurité
CE
CI
V
M
T
AConsigne externe
Vers entrée x
AB
T
CE
CI
V
M
T
A
Entrée x
Sélecteur
Niveau
Vapeur MP Qv
Vanne
LIC 059
FIC 077
Eau alimentaire Qe
Unitéd’alarme Unitéde sécurité
CE
CI
V
M
T
A
CE
CI
V
M
T
AConsigne externe
Vers entrée x
AB
T
CE
CI
V
M
T
A
CE
CI
V
M
T
A
Entrée x
Sélecteur
Niveau
Vapeur MP Qv
Vanne
LIC 059
FIC 077
Eau alimentaire Qe
Capteur
Transmetteur
Fig.28. schéma pneumatique de la boucle
Stage Ingénieur Aout 2007 38
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/
(0.2-1bar)
0.2 bar
0.4 bar
0.8 bar
Carte télémécanique
C1
C2
C3
MMoteur
PK
I002Unitéde sécurité
Voyant moteur
Pressostat Très basse pression
basse pression
haute pression
(0.2-1bar)
0.2 bar
0.4 bar
0.8 bar
Carte télémécanique
C1
C2
C3
MMoteur
PK
I002Unitéde sécurité
Voyant moteur
Pressostat Très basse pression
basse pression
haute pression
(0.2-1bar)
0.2 bar
0.4 bar
0.8 bar
Carte télémécanique
C1
C2
C3
MMMoteur
PK
I002Unitéde sécurité
Voyant moteur
Pressostat Très basse pression
basse pression
haute pression
Fig.29. Ancienne unité d’alarme
Selon les seuils réglés dans les pressostats ces derniers génèrent des
contacts, ces derniers abordent la carte télémécanique qui permet une
adaptation avec les voyants, ce qui donne aux superviseurs la possibilité
de suivre le niveau ballon en alarme.
Mais jusqu’à maintenant on a assuré que l’alarme en cas des
perturbations du niveau, il faut asservir le système afin de déclencher la
chaudière si il y a un dépassement ou diminution brutal du niveau (cas
critiques), donc les mêmes contacts (c1, c2, c3 et c4) entament la logique
d’asservissement :
Stage Ingénieur Aout 2007 39
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/
&qi
qi
&qi
qi
Pk M
LSL
LSH A
A
a
b
c
&qi
qi
ZE
ZE
registre sup.d
e
S1
registre inf.
1..... SedcbaS
LUS
HS
LSLL
Niveau magnétique
Niveau pneumatique
poussoir
A
A
A
A
1
1
& qi
qiqi
qi
S1=(f+x).(g+y)
f
g
x
y
S1= Niveau bas + shunt
&qi
qi
&qi
qi
Pk M
LSL
LSH A
A
a
b
c
&qi
qi
ZE
ZE
registre sup.d
e
S1
registre inf.
1..... SedcbaS
LUS
HS
LSLL
Niveau magnétique
Niveau pneumatique
poussoir
A
A
A
A
1
1
& qi
qiqi
qi
S1=(f+x).(g+y)
f
g
x
y
S1= Niveau bas + shunt
&qi
qi
&qi
qi
Pk M
LSL
LSH A
A
a
b
c
&qi
qi
ZE
ZE
registre sup.d
e
S1
registre inf.
1..... SedcbaS
&qi
qi
&qi
qiqi
&qi
qi
&qi
qiqi
Pk M
LSL
LSH A
A
a
b
c
&qi
qi
&qi
qiqi
ZEZE
ZEZE
registre sup.d
e
S1
registre inf.
1..... SedcbaS
LUS
HS
LSLL
Niveau magnétique
Niveau pneumatique
poussoir
A
A
A
A
1
1
& qi
qiqi
qi
S1=(f+x).(g+y)
f
g
x
y
LUS
HS
LSLL
Niveau magnétique
Niveau pneumatique
poussoir
A
A
A
A
11
11
& qi
qi
& qi
qiqiqi
qi
S1=(f+x).(g+y)
f
g
x
y
S1= Niveau bas + shunt
Fig.30. Logique d’asservissements
Analyse :
La fonction de sortie S est l’information sur le niveau donc si S=1 le
niveau est bien stable et il n’ya pas de niveaux critiques.
On voit que le niveau très bas est détecté à l’aide de deux façons
(pneumatique et magnétique) ce qui explique le danger qui peut
résulter de ce niveau critique, en donnant la possibilité de shunter l’un
des deux en jouant sur le sélecteur xy.
Le moteur ventilo pk01 doit aussi être en marche, pour pouvoir fournir
de l’air nécessaire à la combustion.
Enfin un bon niveau n’est détecté que si les deux registre soient dans
l’état haut, cela signifie que les circuits de fuel doivent être ouverts.
Remarque :
Tous les asservissements sont maintenant gérés par l’automate SIMATIC
PCS 7(voir annexe)
Stage Ingénieur Aout 2007 40
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/ La technologie pneumatique est changée par celle électrique, donc les
transmetteurs envoient maintenant des signaux directement électriques
sur les modules d’entrée de l’automate contenant des seuils pré
configurés, et générant vers la sortie les signaux demandés.
Les différents éléments de la chaine seront détaillés la partie qui suit.
(4-20mA)
Moduled’entrée
MMoteur
PK 01
Bornes
Systèmesupervision
E.01 S.13
Module traitement
Logique de sécurité
AutomateAutomate
Modulede sortie
(4-20mA)
Moduled’entrée
MMMoteur
PK 01
Bornes
Systèmesupervision
E.01 S.13
Module traitement
Logique de sécurité
AutomateAutomate
Modulede sortie
Fig.31. La nouvelle approche
4. Eléments de la chaine
L’approche que vous trouvez détaillée ci-dessous est celle de base qui est
intégrée par la suite dans le système, La régulation est assurée par :
Trois transmetteurs de pression différentielle :
Stage Ingénieur Aout 2007 41
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/ un pour transmission de débit eau alimentaire Qe.
Un pour transmission de débit vapeur Qv.
Un pour transmission le niveau dans le ballon.
Deux extracteurs de racine carrés.
Un additionneur / soustracteur.
Un relais d’alarme.
Un régulateur numérique.
Vanne régulatrice d’eau alimentaire.
4. 1. Transmetteur de pression différentielle:
4. 1. 1. Mesure du niveau ballon
Pour mesurer le niveau ballon on procède par exploiter l’équation de
Bernoulli qui relie le niveau à la perte de charge (pression différentielle).
Mais comment peut-on créer une perte de charge dans une canalisation ?
La réponse est illustrée dans le schéma suivant :
Eau alimentaire
P
Pot de condensat
4 - 20mA
P0P1
P h H
h0h0
Vapeur HP
Eau alimentaire
PP
Pot de condensat
4 - 20mA
P0P1
P h H
h0h0
Vapeur HP
Fig.32. Principe de mesure
Remarque :
Pour calculer la pression différentielle il fait que le liquide (eau) dans les
deux tuyaux, soit identique pour éviter les risques d’erreurs causés par
condensation, ou par remplissage intégral du réservoir.
Stage Ingénieur Aout 2007 42
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/ La chaudière est équipée par le pot de condensât pour éviter le passage
de la vapeur au transmetteur.
Les vannes sont placées pour isoler le transmetteur ou le pot en cas de
problème, d’où le nom vanne d’isolation.
Les calculs qui suivent vont seulement montrer l’utilité du montage, dans
le calcul de la pression différentielle : prenant les deux lignes de champs
décrites par ta tuyère :
On a la pression au niveau bas (1ère ligne Z = h0+h) :
Avec : Pv est la pression de la vapeur.
Et la pression au niveau haut (2éme ligne Z = h+H):
L’image du niveau est envoyée par le transmetteur sous forme d’un
courant à valeur connue (entre 4 et 20 mA).
4. 1. 2. Mesure du débit
Le même transmetteur est utilisé aussi dans la mesure du débit vapeur ou eau alimentaire en
exploitant la relation reliant le débit à la perte de charge, la même question se pose comme
avant mais cette fois la relation est donnée par : utilisation d’un diaphragme.
En effet, On place dans la canalisation un disque percé d'un trou de
diamètre inférieur à celui de la canalisation qui crée une pression
différentielle de part et d'autre du diaphragme. C'est le dispositif le plus
simple.
Stage Ingénieur Aout 2007 43
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/
Fig.33. Diaphragme utilisé
La relation qui relie le débit à la perte de charge est données par :
Avec
K= C
√1−β4επ4d2 √ 2
ρ
Dans cette relation est la densité du fluide en amont du diaphragme, d le
diamètre du diaphragme, =d/D le rapport des diamètres, C est le
coefficient empirique d'écoulement et le facteur d'expansion. Les
coefficients C et sont donnés, pour une géométrie donnée.
Remarque :
Il est claire que la relation reliant le débit est la perte de charge n’est
pas linéaire donc il faut passer par un circuit permet d’extraire la
racine carrée de P d’où le nom du circuit.
Dans la nouvelle approche des transmetteurs, le choix du mode
linéaire ou en racine carrée est intégré au transmetteur sous un
module indépendant, donc il suffit de choisir dans la configuration le
mode racine carrée pour extraire la racine.
4. 2. L’additionneur
C’est une appareille conçu pour réaliser l’addition et la soustraction
algébrique de deux à cinq signaux analogique d’entrée. Il délivre un signal
de sortie 4 à 20 mA correspondant au résultat de l’opération effectuée.
T=A+B-K Avec:
T : signal de consigne de débit d'eau
Stage Ingénieur Aout 2007 44
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/A : signal de mesure de débit vapeur
B : signal du régulateur de niveau ballon
K : Décalage à régler de telle façon que T=A lorsque B=50%(600 mbar).ce
décalage sert à « centrer » la plage de correction du régulateur de niveau.
4. 3. Le régulateur
Suivant la configuration choisie, le régulateur 53MC5112 permet le
contrôle et la commande d’une ou deux boucles de régulation PID.
Pour chacune des boucles, le régulateur comparé un signal d’entrée en
tension ou en courant contenu, appelé mesure, à une valeur de consigne
indiquée par l’opérateur en face avant «Mode consigne local» ou
correspondant à un deuxième signal d’entrée en tension ou en courant
continu «mode consigne distance». L’écart résultant de cette
comparaison, associé à un algorithme mathématique dont les paramètres
PID sont réglables manuellement ou automatiquement, produit un signal
de sortie en courant continu afin de piloter élément de contrôle final
(vanne automatique). Une commande par bouton-poussoir permet à
l’utilisateur de contrôler manuellement «Mode manuel» la sortie du
régulateur. Le passage de ce mode au mode automatique s’effectue sans
à coups et sans équilibrage.
Les différentes fonctionnalités que propose le régulateur 53MCC5112
permettent à l’utilisateur d’associer à ce différent algorithme des
opérations de calcul, logique ou analogique.
La mesure, la consigne et la sortie, ainsi que l’ensemble des paramètres
logiques et analogiques du régulateur peuvent être affichées (voir Annexe).
4. 4. Actionneur (vanne)
4. 4. 1. Approche
La vanne de réglage est un organe d’exécution pour but de faire varier,
par l’impulsion d’un positionneur la section de passage de fluide dans une
conduite et la variation pouvant aller de l’ouverture à la fermeture totale.
Stage Ingénieur Aout 2007 45
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/
4. 4. 2. Structure de la vanne
La vanne est constituée de deux éléments principaux :
Le servomoteur : c'est l'élément qui assure la conversion du signal de
commande en une force de valeur telle qu’elle peut déplacer des
charges d’une position définie à une autre position.
Le corps: c'est l'élément qui assure le réglage du débit.
Fig.34. Vanne de réglage
Et aussi d'un certain nombre d'éléments auxiliaires :
• Une recopie de la position ;
• Un filtre détendeur.
• Un positionneur, il régule l'ouverture de la vanne en accord avec le
signal de commande.
4. 4. 3. Positionneur électropneumatique
Schéma de principe
Le positionneur électropneumatique détermine une position bien précise
de la vanne correspondant au signal de commande :
Stage Ingénieur Aout 2007 46
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/
Fig.35. le positionneur et son schéma de principe
Fonctionnement :
Le positionneur électropneumatique détermine une position bien précise
de la vanne (grandeur réglée) par rapport au signal de commande
électrique (grandeur directrice). L’appareil compare le signal provenant
d’un dispositif de réglage électrique avec la course de la vanne de réglage
et émet comme grandeur de sortie une pression d’air. Il se compose d’un
convertisseur électropneumatique (21) et d’une partie pneumatique avec
levier (1), axe (1.1) et ressort de mesure (6), ainsi que d’un système
pneumatique buse-palette-amplificateur.
Le signal courant continu, par exemple 4 à 20 mA, provenant d’un
dispositif de réglage ou de commande électrique, est transmis au
convertisseur électropneumatique i/p. Il est ensuite transformé en un
signal de pression proportionnel pe. Des variations du courant d’entrée
modifient également proportionnellement la pression de commande pe
amenée au système pneumatique.
La pression pe produit sur la membrane de mesure (8) une force qui est
comparée avec celle du ressort de mesure (6). Le déplacement de la
membrane de mesure (8) est transmis à la palette (10.2) et à la buse
(10.1) par l’intermédiaire du poussoir (9.1). Des variations du signal de
pression pe ou de la position de vanne entraînent une modification de
pression en amont et en aval de l’amplificateur (12). La pression de sortie
pst provenant de l’amplificateur (12) positionne la tige de clapet en
fonction de la grandeur directrice.
Stage Ingénieur Aout 2007 47
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/Les restrictions réglables Xp (13) et de débit (14) servent au réglage
optimum des boucles de positionnement.
Le choix du ressort de mesure (6) interchangeable dépend de la course
nominale de la vanne et de la plage de la grandeur directrice.
4. 4. 4. Convertisseur électropneumatique
Schéma :
Le convertisseur électropneumatique sert à convertir le signal électrique
(4-20mA) en signal pneumatique (0.2-1bar) pour actionner l’organe de
réglage.
Fig.36. Schéma et principe du convertisseur i/p
1 : Aiment permanent 2 : Bobine3 : Fléau avec masse d’inertie4 : Soufflet d’asservissement
5 : Ressort de maintien 6 : Buse7 : Palette8 : Amplificateur
Fonctionnement :
Le convertisseur électropneumatique travaille d’après le principe de la
balance de force. Le courant d’entrée produit, par l’intermédiaire du
système de bobine plongeante+ circuit permanent une force qui est
transmise par un système de levier sans frottement, grâce à la prise
pneumatique, au soufflet d’asservissement. Cette force est convertie en
Stage Ingénieur Aout 2007 48
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plongeante.
Synthèse
L’étude de cette chaine de régulation a montré l’importance de la
régulation par anticipation, tels que elle est conçue sensiblement à sentir
une éventuelle perturbation, il s’agit en fait d’un contrôle multi yeux très
efficace.
Partie IVPartie IV Etude de la partie2 du sujet Etude de la partie2 du sujet
Stage Ingénieur Aout 2007 49
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1. Présentation de la partie2
La deuxième partie du sujet qui est destinée à l’étude de la chaine de
régulation de combustion, touche un coté très important c’est le
démarrage de la chaudière ainsi que les asservissements associé.
Avant d’aborder l’étude il intéressant de rappeler les paramètres de
marche de la chaudière auxiliaires BWII.
2. Paramètres de marche de la chaudière
Les paramètres à contrôler pour assurer le fonctionnement de la chaudière
sont les suivants dont certains sont abordés dans l’étude de la boucle de
régulation du niveau ballon (partie1 du sujet) :
Débit du combustible
Débit d’air de combustion
Rapport air/fuel (réglage à l’excès d’aire)
Débit d’eau alimentaire
Débit de vapeur produite(HP)
Niveau d’eau dans le ballon
Température du fuel en amont des bruleurs (pour la marche
du fuel lourd)
Pression fuel en amont de la vanne de réglage de débit
combustible
Pression différentielle fuel/vapeur de pulvérisation.
Température de la vapeur surchauffée.
Température de l’eau alimentaire en amont économiseur.
Qualité d’eau en chaudière.
3. Système d’allumage
3. 1. Présentation
Stage Ingénieur Aout 2007 50
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/Pour sécuriser le bon allumage de la chaudière certaines conditions
doivent être vérifiées donc il faut que:
Le niveau ballon soit normal
Le moteur ventilo soit en service
Le débit d’air soit supérieur à 10%et inférieur ou égal à 25%.
La pression du fluide de pulvérisation soit supérieure à 5 bars.
Les robinets d’isolement du fuel des bruleurs 1et 2 soient
fermés.
Les deux registres d’aire soient ouverts.
Le commutateur Marche/Arrêt/Démarrage soit en position de
démarrage.
3. 2. Organigramme du système d’allumage
Stage Ingénieur Aout 2007 51
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Conditions initiales
Autorisation de démarrage
Prébalayage 80%
3 min Prébalayage 25%
Autorisation d’allumage
5 min
Allumage et ouverture de la vanne de propane
30s Flamme non détectée
Flamme détectée
Relâche bouton allumage ouverture vanne fuel
15 s
Fermeture vanne propaneFlamme non détectée Flamme détectée
Fermeture de la vanne fuel
Allumage 2éme bruleurs
MARCHE
Conditions initiales
Autorisation de démarrage
Prébalayage 80%
3 min Prébalayage 25%
Autorisation d’allumage
5 min
Allumage et ouverture de la vanne de propane
30s Flamme non détectée
Flamme détectée
Relâche bouton allumage ouverture vanne fuel
15 s
Fermeture vanne propaneFlamme non détectée Flamme détectée
Fermeture de la vanne fuel
Allumage 2éme bruleurs
MARCHE
Fig.37. Allumage de la chaudière
Stage Ingénieur Aout 2007 52
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2. 3. Explication
Si toutes les conditions initiales sont réalisées, les lampes 242 HL152 et 42
HL 152 s’allument et annonceront l’autorisation de démarrage. En
appuyant sur le bouton 042 HS 124 le pré balayage commencera avec un
débit d’air de 80% pendant 3min .Après cette temporisation le débit d’air
tombera à 25% et les lampes 142 HL 152 et 42 HL 152(autorisation
d’allumage) s’allumeront laissant à l’opérateur une durée de 5 min pour
allumer. Si ce temps s’écoule sans allumage il faut recommencer le cycle.
Après l’autorisation d’allumage, en appuyant sur le bouton 042 HS 063 on
met sous tension le transformateur d’allumage et l’électrovanne de
propane.
Si au bout de 30s la lampe de détection de la flamme ne s’allume pas il
faut reprendre à nouveau, après détection de la flamme en relâche le
bouton 42 HS 063. La vanne automatique de sécurité fuel s’ouvre et on
ouvre manuellement et progressivement la vanne d’isolement de fuel.
Après 15s l’électrovanne de propane se ferme. A ce moment deux cas
peuvent se présenter :
Si la flamme n’est pas détectée la lampe 42 HL 152 s’éteint et la
vanne de sécurité fuel se ferme et il faut fermer la vanne d’isolement
et recommencer depuis le début.
Si la flamme est détectée, la lampe 42 HL 152 reste allumée
annonçant l’allumage normal, et on peut allumer le deuxième
brûleur. On passe le commutateur 42 HS 152 en position marche et
le débit d’air est asservi au fuel.
2. 4. Etude de la chaine de régulation de chauffe
La régulation de chauffe de la chaudière auxiliaire se fait selon le schéma
de principe suivant :
Stage Ingénieur Aout 2007 53
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Vanne de fuel
Sélecteur Régulateur de pression fuel
Régulateur de débit fuel
Consigne de chauffe
Consigne de rapport air/ fuel
Consigne de l’interlock
Régulateur Air/ fuel
SélecteurConsigne de l’interlock
Régulateur de débit d’air
Vanne d’air
Débit fuel
Pression fuelDébit fuel
Fig.38. Schéma de principe de la chaine de chauffe
2. 5. Explication
La régulation du fuel est assurée par une boucle comprenant un débit
mètre à turbine comptabilisant le débit du fuel sur un totaliseur. A travers
un convertisseur courant pression la mesure du débit fuel est transmit
vers le régulateur FIC088 sur lequel le l’opérateur choisit l’allure du
chauffe. Ce régulateur commande automatiquement la vanne de fuel à
travers un sélecteur de signal haut recevant d’autre part le signal de sortie
Stage Ingénieur Aout 2007 54
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/du régulateur de pression du fuel bruleur PIC146 qui prend la propriété de
commander la vanne au moment de démarrage ou au minimum technique
du bruleur. Sa consigne externe est générer par les stations et envoyer
par l’intermédiaire de l’électrovanne qui est commandée par l’interlock. La
sortie du sélecteur est envoyée sur l’entrée de contre réaction des deux
régulateurs, ce qui permet le passage sans manifestation d’à coup sur
l’organe de réglage lors de la communication d’un mode de régulation à
l’autre.
La régulation d’air est une boucle dont le capteur mesure le débit (débit
mètre différentielle) entre l’entée et la sortie du préchauffeur d’air. Un
extracteur de racine carrée pour la linéarisation de la mesure allant au
régulateur FIC 124 qui reçoit sa consigne externe à travers l’électrovanne,
soit du régulateur de rapport air/fuel, soit du mini démarrage 25%, ou de
la consigne de pré balayage à travers une autre électrovanne commandée
par l’interlock I002.
Le signal de sortie est de la forme :
Sa=Sf+(C-Cf)/B avec :
Sa : signal de sortie vers le régulateur d’air
Sf : signal provenant du régulateur air/fuel
B : bande proportionnelle du régulateur de rapport
Consigne du régulateur du rapport air/fuel.
Synthèse
L’importance de l’allumage de la chaudière impose ses conditions afin de
sécuriser et d’assurer un fonctionnement normal.
Stage Ingénieur Aout 2007 55
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ConclusionConclusion
On conclut de cette étude que les régulations et les
asservissements associées de la chaudière auxiliaire, rend sont
fonctionnement (en cas de besoins) très précis soit au niveau pression ou
bien au niveau température ce qui garanti une grande sécurité de la
production.
Le nouveau système automatisé intégrés a rendu les choses de
plus en plus facile à exploiter notamment au niveau des interventions qui
devienne maintenant déterminée en lieu instantanément (pas la peine de
lire tout le logigramme), pourtant l’ancienne approche d’automatisme
Stage Ingénieur Aout 2007 56
http://rapport-stage-ocp.blogspot.com/reste basique et celle elle-même qui est programmée aux CPU des
automates.
Parmi les régulations qui existent à la chaudière le niveau
ballon reste le paramètre déterministe de son fonctionnement et sa
réalisation l’est même pour son démarrage.
Stage Ingénieur Aout 2007 57