FR2900248A1 - Dispositif de commande et d'optimisation de l'efficacite energetique d'une installation de production thermique fonctionnant au gaz, et installation comportant un tel dispositif. - Google Patents

Abstract

Dispositif de commande d'une installation de production thermique comprenant au moins un équipement principal (1) fonctionnant au gaz et au moins un équipement auxiliaire (D) comportant une chaudière auxiliaire (2) pouvant fonctionner avec un combustible de recours et/ou une cogénération (G), avec possibilité de réduction du régime. Le dispositif comprend un automate (33) relié à différents compteurs, capteurs et moyens de réglage, cet automate comportant une mémoire interne (34) dans laquelle est stockée, parmi les paramètres, une courbe de consommation générale admissible de gaz pour l'installation sur une période de temps donnée ; un moyen de calcul (35) pour établir, à partir de la consommation générale réelle à un instant donné, une consommation générale estimée en fin de période déterminée ; un moyen de comparaison (36) de la consommation générale estimée en fin de période déterminée et de la consommation générale admissible en fin de période déterminée, et un moyen de commande (37) sensible au résultat de la comparaison pour assurer au mieux la production thermique sans dépasser la consommation générale admissible de gaz

Description

DISPOSITIF DE COMMANDE ET D'OPTIMISATION DE L'EFFICACITE ENERGETIQUE D'UNE

INSTALLATION DE PRODUCTION THERMIQUE FONCTIONNANT AU GAZ, ET INSTALLATION COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF.

L'invention est relative à un dispositif de commande et d'optimisation de l'efficacité énergétique d'une installation de production thermique comprenant au moins un équipement principal fonctionnant au gaz (chaudière ou cogénération) et au moins un équipement auxiliaire comportant une chaudière pouvant fonctionner avec un combustible de recours et/ou une cogénération avec possibilité de réduction du régime, l'installation comportant, pour les éléments consommateurs, des compteurs de consommation de gaz, et des moyens de réglage de la puissance gaz consommée.

Le marché du gaz, notamment en France, s'ouvre progressivement aux consommateurs de gaz qui pourront choisir entre plusieurs fournisseurs, et opter pour des contrats de fourniture de gaz dérégulés à la place des contrats régulés. Les contrats dérégulés permettent de bénéficier d'un meilleur prix du gaz mais nécessitent une souscription du consommateur qui s'engage à ne pas dépasser un volume consommé pour une période donnée, généralement une journée gazière (de 06h00 jour J, à 06h00 jour J+1). En cas de dépassement, de fortes pénalités sont facturées. De surcroît, en cas de sous-consommation, le consommateur est pénalisé par cette dernière (surévaluation de la souscription). Dans un contexte où l'énergie primaire a fortement augmenté, l'efficacité énergétique revêt une importance toute particulière, voire primordiale. De plus, dans le cas de contrats régulés, le prix du gaz peut dans certains cas, être plus élevé, ce qui réduit leur intérêt pour de gros consommateurs, entre autre pour les sociétés de services en efficacité enrgétique (SSEE) qui achètent des volumes importants de gaz pour transformer cette énergie primaire en énergies utiles, dans des installations de production thermique.

La prévision de la consommation de gaz pour assurer une production thermique est difficile. Traditionnellement et en raison de cette difficulté les contrats dérégulés se voient rattachés à des souscriptions journalières et horaires surdimensionnées.

Ces souscriptions, pouvant être majorées historiquement par rapport aux consommations maximales observées sur les installations, permettent certes d'assurer le non dépassement des seuils et donc d'éviter tout risque de pénalité. Mais cette majoration occasionne un investissement financier annuel très important. En effet la partie fixe du contrat gaz dérégulé est généralement directement proportionnelle à la souscription journalière choisie. Les pénalités liées à la surconsommation, journalière ou horaire, de gaz par rapport à la consommation contractuelle journalière ou horaire souscrite sont généralement établies comme suit : • Les pénalités journalières sont calculées par rapport à la quantité de gaz consommée sur la journée gazière officielle : de 6h00 jour J à 6h00 jour J+1. • Les pénalités horaires sont calculées par rapport à la consommation moyenne de gaz relevée sur les quatre dernières heures.

L'invention a pour but, notamment, de fournir un dispositif fiable pour sécuriser les sites de production thermique contre les pénalités. Plus généralement, l'invention a également pour but d'exploiter et de consommer de manière optimale un volume de gaz alloué sur une période déterminée pour une production thermique.

L'invention vise ainsi en premier à : o Maîtriser le pilotage des consommations de gaz pour éviter les pénalités importantes, et optimiser ce pilotage pour consommer le maximum du gaz acheté, o Arbitrer les combustibles disponibles sur un site (gaz 25 naturel, fioul, électricité, biomasse, énergies renouvelables) en fonction de leurs coûts et du respect de l'environnement, o Piloter les outils de production disponibles pour garantir le respect des engagements de consommations contractuels tout en maintenant le service ou la fourniture au client (ex : fourniture d'énergie 30 utile sous forme de vapeur). L'invention vise également à : o Constituer un historique des consommations d'énergie primaire pour anticiper les consommations à venir et pour optimiser annuellement les consommations contractuelles souscrites, 35 o Suivre et piloter en temps réel les consommations des installations à distance, o Permettre l'installation de l'outil sur un site en fonctionnement, donc, fonctionnant de manière indépendante.

o Intégrer une souplesse d'évolution pour suivre les développements des marchés dérégulés (ex : nominations journalières). L'invention développée permet notamment de : o Assurer le non dépassement des seuils de souscriptions journaliers et horaires o Baisser les seuils de souscriptions en vue de dégager des économies annuelles d'exploitation importantes. Selon l'invention, un dispositif de commande d'une installation de production thermique comprenant au moins une chaudière principale au gaz et au moins un équipement auxiliaire comportant une chaudière auxiliaire pouvant fonctionner avec un combustible de recours et/ou une cogénération, avec possibilité de réduction du régime, assurant une production d'électricité et une production thermique complémentaire, l'installation comportant pour les éléments consommateurs des compteurs de consommation de gaz, des capteurs de paramètres de fonctionnement et des moyens de réglage de la puissance consommée, est caractérisé en ce qu'il comprend un automate relié aux différents compteurs, capteurs et moyens de réglage, lequel automate comporte : une mémoire interne dans laquelle est stockée, parmi les 20 paramètres, une courbe de consommation générale admissible de gaz pour l'installation sur une période de temps donnée, un moyen de calcul pour établir, à partir de la consommation générale réelle à un instant donné, une consommation générale estimée en fin de période déterminée ; 25 - un moyen de comparaison de la consommation générale estimée en fin de période déterminée et de la consommation générale admissible en fin de période déterminée, - un moyen de commande sensible au résultat de la comparaison pour assurer au mieux la production thermique sans dépasser la consommation 30 générale admissible de gaz , ce moyen de commande fournissant, lorsque la consommation générale estimée de gaz dépasse la consommation générale admissible, une information pour réduire la consommation de gaz en faisant intervenir la chaudière auxiliaire avec combustible de recours, et/ou réduire la consommation de gaz par la cogénération au bénéfice de la chaudière 35 principale . Avantageusement, la courbe de consommation générale admissible de gaz mise en mémoire décrit un profil de la consommation générale de gaz

cumulée dans un scénario critique et passe par le seuil de souscription pour la période considérée. De préférence, l'automate fournit un signal de sortie pour appliquer des consignes données par l'automate à des régulateurs de puissance de l'installation selon deux types de fonctionnement possibles: • Automatique, lorsque le signal est raccordé aux régulateurs et agit automatiquement soit en réduction de puissance des chaudières gaz, soit en baisse de régime cogénération. • Manuel: le signal n'étant pas raccordé, l'automate ne réalise que de l'affichage sur une interface graphique pour qu'un opérateur sur site applique les consignes manuellement sur l'installation. Le moyen de calcul peut déterminer des seuils de déclenchement d'alerte . De préférence, le moyen de calcul détermine un premier seuil d'alerte (SA1) égal au seuil de souscription (SJ) majoré de X % soit [SA1= SJx (1+X%)], X étant une tolérance, qui permet de régler le déclenchement d' une alerte (niveau 1), intégrée dans les paramètres de l'automate, et l'automate demande une réduction de puissance des chaudières gaz ,ou une réduction du régime de la cogénération, l'automate calculant : - la puissance maximale autorisée pour les chaudières gaz afin de compenser le dépassement sur le temps restant (TR) de la période, selon la formule : Puissance max (MWh PCS) = (SJ - Pc) / TR, dans laquelle Pc est la consommation estimée pour la cogénération en fin de période, - l'engagement maximum autorisé sur la cogénération afin de compenser le dépassement sur le temps restant (TR) de la période, selon la formule : Régime max (%) = [ (Pc - CRg) - (SJ -Pc) x rendement chaudières / (rendement chaudières -- rendement cogénération) ] / Puissance nominale cogénération, CRg étant la consommation réelle mesurée pour la cogénération à un instant donné. Généralement, le moyen de calcul détermine un deuxième seuil d'alerte (SA2) égal au seuil de souscription (SJ) minoré de Y' %, soit [SA2= SJx (1-Y%)], Y étant une tolérance, qui permet de régler le déclenchement d'une alerte (niveau 2), intégrée dans les paramètres de l'automate, lequel demande, en cas de cette alerte, la coupure des chaudières gaz , et force le régime de la

cogénération à un minimum technique déclaré au niveau des paramètres de l'automate. Le moyen de calcul détermine aussi un troisième seuil d'alerte (SA3) égal au seuil de souscription (SJ) minoré de Z %, soit [SA3 = SJ x (1- Z%)], Z étant une tolérance qui permet de régler le déclenchement d'une alerte (niveau 3), intégrée dans les paramètres de l'automate, lequel demande, en cas de cette alerte, la coupure de tout ce qui consomme du gaz. Le comptage de gaz en temps réel peut être effectué, pour chaque élément consommateur de gaz, selon une périodicité inférieure à vingt minutes.

L'automate comporte, parmi les paramètres stockés dans sa mémoire interne, une entrée pour introduire la valeur du PCS (pouvoir calorifique supérieur) du gaz consommé et le moyen de calcul convertit le volume de gaz consommé en énergie consomrnée MWH PCS (Mégawattheures PCS).

Le moyen de calcul peut effectuer une nouvelle prévision de consommation globale estimée en fin de période à chaque dernière mesure. La période considérée est en général la journée gazière. Une période horaire peut également être considérée, et le moyen de calcul détermine la consommation admissible pour une heure à venir en retranchant à un seuil concernant une période de N heures la consommation des N - 1 heures précédentes. Le dispositif comporte avantageusement un raccordement à un moyen de transmission d'informations à distance pour une connexion à distance. Le dispositif peut être raccordé à un superviseur distant accessible, avec adresse sécurisée. De préférence, le superviseur est programmé pour se connecter périodiquement, pour rapatrier les données stockées dans l'automate. Le dispositif est avantageusement prévu pour envoyer sur un téléphone d'astreinte du site un message en cas d'alerte ou de défaut.

L'invention est également relative à une installation de production thermique comprenant au moins un équipement principal fonctionnant au gaz (chaudière ou cogénération) et au moins un équipement auxiliaire comportant une chaudière auxiliaire pouvant fonctionner avec un combustible de recours et/ou une cogénération, avec possibilité de réduction du régime, assurant une production d'électricité et une production thermique complémentaire, l'installation comportant pour les éléments consommateurs des compteurs de consommation de gaz, des capteurs de paramètres de fonctionnement et des

moyens de réglage de la puissance consommée, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de commande tel que défini précédemment. L'automate peut fonctionner sur la base d'un seuil de nomination quotidien en lieu et place du seuil de souscription du contrat gaz dérégulé.

Dans ce cas de figure le seuil de nomination lui est transmis la veille pour activation au lendemain 6h00. Le dispositif de commande est de préférence prévu pour envoyer sur un téléphone d'astreinte du site un message, notamment SMS, en cas d'alerte ou de défaut. La mise en place du dispositif de l'invention permet de choisir une souscription dimensionnée sur la consommation maximale observée sur le site (sans aucun surdimensionnement), voire inférieure à cette consommation maximale observée.

L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig.1 est un schéma d'une installation de production thermique avec dispositif de commande selon l'invention. Fig.2 est un graphe illustrant un fonctionnement de l'installation sans déclenchement d'alerte ; le temps exprimé en heure est porté en abscisse tandis que la consommation d'énergie exprimée en MWNh est portée en ordonnée. Fig.3 est un graphe, semblable à celui de Fig.2, pour le cas d'une alerte de niveau 1. Fig.4 est un graphe semblable à celui de Fig.3 illustrant le cas d'une alerte de niveau 2.

Fig.5 est un graphe illustrant, semblablement à Fig.4, une alerte de niveau 3. Fig.6 illustre schématiquement un écran de visualisation et Fig.7 est un logigramme du fonctionnement du dispositif de commande.

En se reportant à Fig.1, on peut voir un dispositif de commande A d'une installation B de production thermique. Cette production thermique consiste, dans l'exemple considéré, en une fourniture de vapeur d'eau surchauffée sous pression délivrée par une canalisation de sortie S. La

production thermique n'est pas limitée à cet exemple ; notamment, le fluide caloporteur pressurisé pourrait être différent de la vapeur d'eau. L'installation B comprend au moins un équipement principal fonctionnant au gaz (cogénération G ou chaudière 1) et au moins un équipement auxiliaire (chaudière 2 pouvant fonctionner sur un combustible de recours ou cogénération G avec possibilité de réduction de régime). Selon le schéma de Fig.1, l'équipement auxiliaire D comporte une chaudière auxiliaire 2 pouvant fonctionner avec un combustible de recours, du fioul dans l'exemple considéré. La chaudière auxiliaire 2 est avantageusement de type mixte pouvant fonctionner soit au gaz soit au fioul. Le gaz arrive par une entrée 3. Le volume total de gaz consommé par l'installation B est mesuré par un compteur 4 disposé immédiatement en aval de l'entrée 3. Une canalisation de branchement 5, en aval du compteur 4 permet d'assurer par deux autres branchements en parallèle 6, 7 l'alimentation en gaz du ou des brûleurs des chaudières 1, 2. La canalisation 5 est équipée en amont des deux branchements 6, 7 d'un compteur de gaz 8 qui permet de mesurer le volume de gaz consommé par les deux chaudières 1, 2. L'admission de gaz aux chaudières 1, 2 est contrôlé par un régulateur de puissance sous forme d'une électrovanne 9, 10 montée respectivement sur les canalisations 6, 7. Le fioul est délivré à une entrée 11 reliée par une canalisation 12 au brûleur de la chaudière auxiliaire 2. La canalisation 12 est munie d'une électrovanne 13 qui permet de contrôler le débit de fioul et de réguler la puissance.

Les chaudières 1 et 2 sont équipées de moyens d'allumage des combustibles non représentés. L'équipement auxiliaire D, selon l'exemple de Fig.1, comprend en outre une cogénération G qui permet d'assurer: - une production d'électricité envoyée par une ligne 14, munie d'un 30 compteur d'énergie électrique 14a, sur le réseau électrique, et - une production thermique complémentaire dans une chambre 15 qui comporte un échangeur de chaleur 16 pour produire de la vapeur à partir de la chaleur de gaz brûlés. La chambre 15 peut en outre comporter un dispositif 17 de post-combustion alimenté en gaz par une canalisation 18 munie d'une 35 électrovanne 19. La cogénération G comporte un moyen moteur schématisé par une turbine à gaz 20 selon Fig.1. Un moteur à gaz pourrait remplacer la turbine. L'arbre de sortie 21 de la turbine entraîne un alternateur 22 qui débite sur la

ligne électrique de sortie 14. La turbine 20 est alimentée en gaz par une conduite 23 munie d'un régulateur de puissance sous forme d'une électrovanne 24. L'air de combustion pour la turbine est fourni par une alimentation 25. Les gaz brûlés sortant de la turbine 20 sont dirigés par une conduite 26 dans la chambre 15 et l'échangeur 16 permet de récupérer la chaleur des gaz brûlés. Un compteur de gaz 27 est disposé en aval du branchement 5 et en amont des deux conduites 23, 18 afin de mesurer le volume de gaz consommé par la turbine 20 et la post-combustion 17. Une partie de l'énergie du gaz, dans la cogénération, étant transformée en énergie électrique, la production de vapeur d'eau par la cogénération, fournie sur une conduite de sortie 28 présente un rendement thermique inférieur à celui des chaudières 1 et 2. Ces chaudières 1, 2 délivrent la vapeur d'eau dans des conduites respectives 29, 30 qui se rejoignent selon une conduite 31, laquelle rejoint la conduite 28 pour fournir la sortie S. Des compteurs 28a, 31a, des volumes de vapeur d'eau produits sont disposés respectivement sur les conduites 28 et 31. Un compteur 32 du volume total de vapeur d'eau produite est disposé sur la conduite S. La cogénération G peut fonctionner selon un régime réduit auquel correspond une production d'électricité inférieure à celle prévue, mais une telle baisse de production n'entraîne pas de pénalités.

Bien que l'équipement auxiliaire ait été représenté avec une chaudière auxiliaire 2 et une cogénération G, l'installation peut ne comporter que l'un ou l'autre de ces éléments consommateurs. L'installation comporte en outre des capteurs de paramètres de fonctionnement tels que sondes de température, sondes de pression équipant les chaudières et la cogénération, qui ne sont pas représentées. Les différentes électrovannes 9, 10, 19, 24 correspondent à des représentations schématiques des moyens de réglage de la puissance consommée par chaque élément de l'installation, traditionnellement ces électrovannes sont actionnées par des régulateurs qui eux-mêmes peuvent être commandés par le signal de sortie de l'automate. Le dispositif A de commande de l'installation comprend un automate 33 comportant des entrées reliées aux différents compteurs 4, 8, 27, 32, aux différents capteurs de paramètres de fonctionnement, et des sorties reliées aux moyens de réglage 9, 10, 19, 24 de la puissance consommée par chaque élément. L'automate 33 comporte une mémoire interne 34 dans laquelle est stockée, parmi les paramètres, une courbe type aT (Fig.2) qui décrit le profil de la consommation journalière cumulée dans un scénario critique, c'est-à-dire que

la courbe aT passe par le seuil de souscription journalier SJ à la fin de la journée gazière. Cette courbe aT est tracée sur Fig.2 avec, en abscisse, le temps exprimé en heures, le temps 0 correspond au début de la journée gazière à 6 heures du matin au jour J et le temps 24 correspond à la fin de la journée gazière à 6h du matin le jour J+1. En ordonnée sont portées les valeurs cumulées de consommation de gaz exprimées en mégawatts heures MWh. L'automate 33 comporte un moyen de calcul 35 pour établir, à partir de la consommation générale réelle de gaz à un instant donné CRg, une consommation générale estimée Pg, ou prévision générale de gaz, en fin de période déterminée. Un moyen de comparaison 36 reçoit en entrée la consommation générale estimée en fin de période Pg et la consommation générale admissible SJ en fin de période, et fournit en sortie le résultat de la comparaison sous forme d'un signal adressé à un moyen de commande 37 cornportant des sorties reliées aux moyens de réglage 9, 10, 19, 24 de l'installation. Comme expliqué plus loin, le moyen de commande 37 agit, lorsque la consommation générale estimée de gaz Pg dépasse la consommation générale admissible Sg en fin de période, pour faire intervenir la chaudière auxiliaire 2 avec combustible de recours et/ou réduire la consommation de gaz par la cogénération G au bénéfice de la chaudière principale 1 dont le rendement en production de vapeur est supérieur à celui de la cogénération G. Pour faciliter les explications, l'automate 33 a été représenté schématiquement sur Fig.1 avec des blocs, 34 pour la mémoire, 35 pour le moyen de calcul, 36 pour le moyen de comparaison et 37 pour le moyen de commande. Tous ces moyens sont constitués par des circuits logiques électroniques et l'automate 33 est avantageusement réalisé sous la forme d'un microprocesseur ou microordinateur programmé pour assurer les fonctions en question. L'automate 33 est prévu pour permettre une connexion à distance par exemple par raccordement à une ligne téléphonique 38 à un superviseur (ordinateur) distant 39 muni d'une interface 40 (généralement un modem) adaptée à l'automate 33, et équipé d'une console de visualisation 41. Le moyen de calcul 35 est prévu pour calculer l'énergie consommée à partir du volume de gaz consommé, mesuré par les compteurs, multiplié par le pouvoir calorifique supérieur PCS du gaz. La valeur du PCS est fournie périodiquement au moyen de calcul 35. Cette valeur du PCS réelle du site peut être injectée à distance à une fréquence journalière, notamment à partir du superviseur 39.

Le superviseur 39 permet une connexion à distance avec les automates de plusieurs installations. Ce superviseur est accessible depuis tout poste informatique muni d'un accès Internet à une adresse déterminée. L'accès à ce portail Internet est bien entendu sécurisé par un identifiant et un mot de passe. Le superviseur 39 est programmé pour se connecter tous les jours, par exemple à 6h30, à l'automate 33 et rapatrier toutes les données stockées dans sa mémoire interne. II est également possible de connecter manuellement le superviseur 10 à toute heure de la journée pour bénéficier des dernières informations. Le superviseur est doté des fonctionnalités suivantes : - visualisation des alertes et défauts en cours -visualisation des mesures de consommation en cours - visualisation des mesures de l'ensemble des compteurs raccordés 15 - bilan énergétique du site modification des paramètres - injection journalière du dernier PCS en vigueur sur l'automate du site - historique de consommation de l'ensemble des compteurs raccordés, des alertes et défauts déclenchés et des consignes données par l'automate depuis 20 la mise en fonctionnement du système. Cet historique est notamment exportable en format usuel. L'automate du dispositif de l'invention permet d'optimiser la consommation de gaz sur un site afin de respecter les seuils de souscription journaliers et/ou horaire. Pour ce faire il mesure en temps réel la consommation 25 de gaz, anticipe les dépassements et prévient le personnel en charge du site au moyen d'alertes (expliquées dans les parties suivantes de la description). Les automates de l'invention sont de formes identiques, intégrés dans une armoire électrique standard comprenant : -les protections électriques, 30 - un automate servant à la réalisation des calculs et jouant également le rôle de transmetteur d'alarme, - une interface graphique tactile qui permet l'affichage des mesures et consignes, l'affichage de l'historique de la consommation générale de gaz, la modification des paramètres 35 - en option un gyrophare et une sirène en cas d'alerte Le dispositif de l'invention permet de gérer simultanément les périodes journalières et horaires.

Le fonctionnement d'un dispositif de commande selon l'invention et l'exploitation de l'installation sont décrits en détail ci-après. Dans un premier temps sera expliquée la logique de fonctionnement journalière. La gestion horaire sera ensuite expliquée. Fonctionnement sur la période journalière

Toutes les explications de cette partie seront illustrées par une courbe (Fig.2) des consommations sur la journée gazière, cette courbe est 10 construite de la manière suivante : • En abscisse : la journée gazière officielle de 24 heures, • En ordonnée : les cumuls de consommation en MWh PCS (Mégawattheures Pouvoir Calorifique Supérieur) (unité officielle de comptage des volumes de gaz). 15 Le compteur général 4 de gaz et le compteur 27 cle gaz cogénération sont tous deux raccordés à l'automate 33. Réel général : L'automate 33 compte en temps réel (une mesure toutes les 10 minutes) le volume de gaz général cumulé sur la journée gazière en Nm3, il transforme ensuite ce volume en MWH PCS grâce à la valeur de 20 PCS saisie au niveau des paramètres entrés dans l'automate. Réel cogénération : de la même manière l'automate 33 compte le volume de gaz consommé par la ou les cogénérations G. Courbe type : cette courbe aT (Fig.2) est paramétrée dans la mémoire 34 de l'automate 33. Elle décrit le profil de la consommation générale 25 de gaz cumulée dans un scénario critique, et passe par le seuil de souscription journalier SJ à la fin de la journée gazière. Tant que la consommation réelle générale CRg évolue sous cette courbe type, il n'y aura pas de dépassement possible du seuil de souscription. Prévision générale : en fonction de la consommation réelle générale 30 CRg atteinte à la dernière mesure, l'automate 33 calcule la prévision générale de consommation en fin de journée Pg. Cette prévision Pg est calculée en maintenant un écart constant Ah (voir Fig.2) entre la consommation réelle générale et la courbe type. Cet écart Ah est déterminé au moment d'une mesure par différence entre l'ordonnée du 35 point de la courbe aT ayant même abscisse que la mesure CRg, et cette mesure CRg. La prévision Pg donne une idée du volume total de gaz qui sera consommé à la fin de la journée gazière.5

Tant que cette prévision reste inférieure au seuil de souscription SJ, il n'y a pas de dépassement possible. La puissance maximale des chaudières fonctionnent au gaz est maintenue égale à leur puissance nominale, et le régime de la cogénération est maintenu à son régime nominal.

Prévision cogénération : de la même manière, l'automate 33 calcule une prévision de consommation de gaz Pc par la cogénération G. Cette prévision donne une idée de la consommation générale atteinte en fin de journée si on alimente uniquement la cogénération sur le restant de la journée gazière.

Cette prévision est calculée en maintenant une consommation de cogénération constante et égale à celle calculée entre les deux dernières mesures. Tant que cette prévision reste inférieure au seuil de souscription SJ, il reste suffisamment de gaz disponible pour alimenter la cogénération G sur la fin de la journée gazière. Le régime maximal de la cogénération est égal à 100%. Lorsque la consommation réelle générale CRg passe au-dessus de la courbe type (cas des Fig. 3 à 5), l'automate 33 prévoit que le seuil de souscription en fin de journée SJ va être dépassé. Son but est alors de trouver une solution pour réduire la consommation de gaz du site, tout en maintenant autant que possible le débit massique de vapeur sur la sortie S. Pour ce faire l'automate 33 dispose de deux leviers d'action : 1) Réduire la consommation de gaz par la chaudière principale 1, et éventuellement la chaudière auxiliaire 2 si elle fonctionnait au gaz, et compenser avec le combustible de recours, fioul dans le cas présent, arrivant par la canalisation 12 ; la chaudière 2 fonctionne alors exclusivement au fioul. La puissance des chaudières gaz est ainsi réduite. 2) Réduire le régime de la cogénération G, ce qui entraîne une diminution de la production d'électricité, mais permet de disposer de davantage de gaz pour les chaudières et pour la productionthermique de vapeur sur la sortie S. Le rendement thermique de production de vapeur par les chaudières 1 ou 2 est supérieur au rendement de production de vapeur par la cogénération G (qui utilise une partie de l'énergie pour la production d'électricité). Il est ainsi possible de maintenir la production de vapeur, malgré une baisse du débit de gaz consommé, grâce à la compensation obtenue par engagement supérieur des chaudières gaz.

Déclenchement des alertes : L'automate 33 dispose de trois niveaux d'alertes en cas de prévision de dépassement. Plus le niveau augmente (de 1 à 3) plus l'alerte est critique et 5 le risque de dépassement élevé. Ces alertes sont réparties en deux catégories : les alertes journalières ou horaires. Une alerte horaire signifie qu'il y a un risque de dépassement sur la période horaire, idem pour l'alerte journalière sur la période journalière. 10 Ces six alertes différentes sont dès leur apparition affichées sur l'interface graphique 33a de l'automate et diffusées vers un fax et/ou un téléphone (SMS ou message vocal).

Alerte de niveau 1 û Fig.3 : 15 La consommation réelle générale CRg passe au-dessus de la courbe type îT, la prévision de consommation générale Pg devient alors supérieure au seuil d'alerte 1. L'automate prévoit de dépasser le seuil de souscription. • Le seuil d'alerte 1, désigné par SA1, est égal au seuil de 20 souscription majoré de X % soit SA 1= SJx (1+X%) • X est une tolérance qui permet de régler le déclenchement de l'alerte de niveau 1, intégrée dans les paramètres de l'automate

Suivant le levier d'action paramétré pour l'installation l'automate va 25 demander une réduction de puissance des chaudières gaz 1, 2, ou une réduction du régime de la cogénération G.

Réduction de puissance des chaudières gaz : - L'automate calcule la puissance maximale autorisée pour 30 les chaudières gaz afin de compenser le dépassement sur le temps restant TR de la période. : Puissance max (MWh PCS) = (SJ û Pc) / T'R

Réduction de réqime cogénération : 35 - L'automate calcule l'engagement maximum autorisé sur la cogénération afin de compenser le dépassement sur le temps restant TR de la période :

Régime max (%) = [ (Pc - CRg) - (SJ -Pc) x rendement chaudières / (rendement chaudières - rendement cogénération) ] / Puissance nominale cogénération Alerte de niveau 2 - Fig.4 : La prévision cogénération Pc approche le seuil de souscription SJ. La prévision de consommation générale de gaz Pg devient alors supérieure au seuil d'alerte 2. Le gaz restant ne suffit qu'à couvrir les besoins de la cogénération sur la fin de la journée gazière. • Le seuil d'alerte 2, désigné par SA2, est égal au seuil de souscription SJ minoré de Y %, soit SA2= SJx (1-Y%) • Y est une tolérance qui permet de régler le déclenchement de l'alerte de niveau 2 intégrée dans les paramètres de l'automate 15 Réduction de puissance des chaudières gaz : L'automate demande la coupure des chaudières gaz 1,2

Réduction de régime cogénération : 20 L'automate force le régime de la cogénération G à son minimum technique déclaré au niveau des paramètres de l'automate 33. Régime max. cogénération = Puissance mini. cogénération / Puissance nominale cogénération [ % ]

25 Alerte de niveau 3 - Fig.5: La consommation réelle générale de gaz CRg approche le seuil de souscription SJ. CRg devient alors supérieure au seuil d'alerte 3. Il ne reste plus de gaz, cette fois, dans la limite souscrite. Si l'installation continue à fonctionner le seuil de souscription sera dépassé ! 30 • Le seuil d'alerte 3, désigné par SA3, est égal au seuil de souscription SJ minoré de Z %, soit SA3 = SJ x (1- Z%) • Z est une tolérance qui permet de régler le déclenchement de l'alerte de niveau 3, intégrée dans les paramètres de l'automate. 35 Réduction de puissance chaudières gaz et réduction de régime cogénération

L'automate 33 demande la coupure de tout ce qui consomme du gaz. Comme les chaudières fonctionnant au gaz sont déjà arrêtées, l'automate demande la coupure de la cogénération G.

Fonctionnement sur la période horaire Pour les sites raccordés au réseau de transport de gaz, des pénalités sont appliquées si la consommation générale de gaz cumulée sur les 4 dernières heures dépasse le quadruple du seuil de souscription horaire (seuil quadri horaire).

L'automate 33 est programmé pour calculer une consommation autorisée pour l'heure à venir en retranchant au seuil quadri horaire le cumul de consommation gaz sur les 3 dernières heures. L'automate 33 recalcule pour chaque nouvelle heure, les seuils de déclenchement des alertes 1, 2 et 3 en fonction de cette consommation autorisée pour l'heure à venir. Le reste de la logique de fonctionnement est identique à celle illustrée dans les parties précédentes pour la période journalière y compris le déclenchement des alertes 1, 2 et 3.

En résumé, l'automate 33 dispose de six alertes distinctes: • Alerte 1 horaire • Alerte 1 journalière • Alerte 2 horaire • Alerte 2 journalière • Alerte 3 horaire • Alerte 3 journalière

Chaque niveau d'alerte engendre un impact sur l'installation technique, or il est possible de se trouver simultanément en alerte horaire et journalière. Dans un tel cas l'automate 33 prendra systématiquement en compte les consignes les plus restrictives.

Paramètres introduits dans l'automate nécessaires aux calculs - Courbe type aT : elle est composée de 24 points (un par heure) et représente la consommation de gaz générale cumulée sur la35

journée gazière dans un scénario critique : c'est-à-dire lorsqu'on passe par le seuil de souscription journalier SJ en fin de période. - Seuils de consommation journalier et horaire - PCS : c'est le PCS employé pour que l'automate 33 puisse convertir les Nm3 de gaz relevés aux compteurs en MWh PCS - Puissance nominale chaudières gaz: utilisée dans le cas d'une réduction de puissance des chaudières gaz, c'est la puissance nominale consommée en MW PCS de l'ensemble des chaudières gaz utilisées dans le contrat dérégulé du site. - Puissance nominale cogénération : utilisée dans le cas d'une baisse de régime de la cogénération, c'est la puissance nominale consommée en MW PCS de l'ensemble des cogénérations (hors post combustion) utilisées dans le contrat gaz dérégulé. - Puissance minimale cogénération : utilisée dans le cas d'une baisse de régime de la cogénération, c'est la puissance minimale autorisée en MW PCS de l'ensemble des cogénérations (hors post combustion) utilisées dans le contrat gaz dérégulé. Si l'on descend en dessous de cette puissance l'automate 33 demandera l'arrêt de la cogénération G. - Rendement thermique cogénération Rendement thermique chaudières gaz - Tolérance X de déclenchement de l'alerte 1 journalière Tolérance Xhoraire de déclenchement de l'alerte 1 horaire - Tolérance Y de déclenchement de l'alerte 2 Tolérance Z de déclenchement de l'alerte 3

Fig.6 illustre un exemple d'écran qu'il est possible de faire apparaître sur l'interface graphique, cet écran recense l'ensemble des paramètres nécessaires au fonctionnement de l'automate. Dans la partie haute, sur la gauche, est tracée la courbe type de consommation admissible, avec mention de valeurs numériques et indication des seuils journalier et horaire. A droite de cette courbe figure un tableau donnant les tolérances d'alertes. Dans la partie inférieure de l'écran figure un tableau de Paramètres thermiques , pour la cascade de chaudières, et la cogénération. Ce tableau cornporte une colonne rendement thermique avec valeurs affichées montrant que le rendement thermique de la cogénération 51.3% est inférieur à celui 90% des chaudières ; une colonne puissance nominale , une colonne puissance minimum et

une colonne autorisation d'arrêt avec instructions. La valeur du PCS est affichée à droite, 11.5 kWh/Nm3 dans le cas présent. Fig.7 est un logigramme ou schéma synoptique résumant le fonctionnement du dispositif de commande de l'invention. Une première zone verticale regroupe les seuils d'alertes désignés par SA1, SA2, SA3. Une deuxième zone verticale Déclenchement des alertes résume les comparaisons effectuées par le moyen de comparaison 34. Selon la réponse, oui ou non , à la comparaison, il y a déclenchement ou non d'une alerte. La dernière zone verticale, sur la droite, Consignes de limitation de puissance affiche les consignes correspondant aux différentes alertes, et à Aucune alerte .

Intérêts du dispositif de commande de l'invention La logique de calcul employée permet non seulement de ne pas dépasser les seuils de souscriptions mais également de consommer le maximum du gaz disponible.

Le principe de calcul de l'automate 33 est basé sur l'intégration, sur le temps restant TR à fonctionner de la journée gazière, de l'énergie gaz disponible. Cela permet d'obtenir des consignes très stables et d'éviter les phénomènes d'oscillation de puissance des installations techniques. Tous les automates tels que 33 sont munis d'un signal de sortie 0 ù 10V.

Ce signal permet d'appliquer automatiquement les consignes données par l'automate sur les régulateurs, notamment électrovannes 9, 10, 19, 24 des installations techniques. II y a donc deux types de fonctionnement possibles: • Automatique : le signal 0 ù 10V est raccordé aux régulateurs des installations techniques et agit automatiquement soit en réduction de puissance des chaudières gaz, soit en baisse de régime cogénération. • Manuel : le signal 0 ù 10V n'est pas raccordé, l'automate ne réalise que de l'affichage sur son interface graphique 33a, c'est aux opérateurs sur site d'appliquer les consignes manuellement sur les installations techniques.

Comme déjà exposé, l'automate 33 permet une connexion à distance via son raccordement à une ligne téléphonique 38. Il est donc possible de développer une interface sur le superviseur distant 39 pour consulter les calculs en temps réel, l'historique des consommations stocké dans sa mémoire interne ou modifier des paramètres. Cette passerelle permet également d'injecter à distance à une fréquence journalière le PCS réel du site.

Hormis les compteurs, tels que 4, 8, 27, indispensables au bon fonctionnement de la logique de calcul (gaz général et gaz cogénération), 10 l'automate 33 permet un raccordement aux compteurs ou capteurs suivants : - sonde de température extérieure - production thermique générale 32 -production thermique cogénération 28a production électrique cogénération 14a 15 L'historique de tous les compteurs ou capteurs raccordés est stocké dans la mémoire interne de l'automate 33 et relevé toutes les 10 minutes. Cet historique peut également être consulté à distance via la liaison téléphonique 38, ce qui permet de réaliser les bilans énergétiques des sites et de contribuer 20 à la gestion des nominations et des quotas de CO2. On rappelle qu'une nomination consiste à annoncer à un fournisseur de gaz une prévision de consommation pour une période future, par exemple pour le lendemain.

Le dispositif peut être modifié en fonction de l'évolution et des 25 contrats d'achat d'énergie, et des contraintes légales, juridiques, nouvelle loi ou directive européenne. Le dispositif de l'invention présente un intérêt direct pour les nouvelles problématiques énergétiques suivantes : o La gestion des nominations : définition la veille pour le 30 lendemain des consommations d'énergie primaire. On peut en effet envisager d'introduire la quantité nominée comme seuil de souscription de l'automate 33. Ce dernier assurera alors le respect de cette quantité. o Suivi des quantités de CO2 produites : l'historique de consommation des combustibles primaires donné par l'automate permet 35 de déterminer de manière journalière la quantité de CO2 émise

Descriptif d' une installation type L'installation produit de la vapeur surchauffée à 21 bars et 250 C, elle alimente : - une usine pour son process industriel - des locaux d'habitation HLM : chauffage de 800 logements des bureaux : maintien des locaux hors gel

L'installation technique est composée des éléments suivants, dont une partie apparaît sur Fig.1 : - une cogénération turbine G de 5MW électrique - une chaudière gaz naturel de 16th (tonnes/heure) vapeur (chaudière principale 1) - une chaudière mixte gaz naturel / fioul domestique de 16th vapeur (chaudière auxiliaire 2) - une chaudière gaz naturel de 12th vapeur (chaudière 3) non représentée sur Fig.1

Le site bénéfice d'une présence de personnel de 8h à 17h en semaine et de 8h à midi en fin de semaine. 20 Ce site, raccordé au réseau de transport de gaz, est assujetti à des pénalités horaires et journalières : - seuil de souscription journalier : 800MWh PCS - seuil de souscription horaire : 40MWh PCS

25 Fonctionnement d'un automate qui serait installé

Sur ce site un automate 33 utiliserait les deux leviers d'action pour maîtriser la consommation de gaz : En présence de personnel sur site : réduction de la puissance des 30 chaudières gaz (chaudières 1 et 3) et compensation par engagement supplémentaire de la chaudière 2 (bloquée en fonctionnement fioul). Cette opération sera réalisée manuellement par le personnel sur site qui agira directement sur la chaufferie en fonction de la consigne de puissance maximale pouvant être engagée sur les chaudières gaz, donnée par l'automate. 35 Hors présence du personnel: réduction du régime de la cogénération et compensation par engagement supplémentaire des chaudières gaz (chaudières 1 et 3) 10 15

Cette opération est réalisée automatiquement par l'automate 33 dont le signal 0-10V à été raccordé au régulateur du régime de la cogénération G. L'affichage du régime maximal pouvant être engagé sur la cogénération est tout de même réalisé sur l'interface graphique de l'automate 33. Un écran est réalisé sur l'interface graphique pour l'affichage des mesures réalisées par l'automate et des consignes à appliquer sur l'installation. La forme de cet écran est la même quelque soit le site. Dès apparition d'une alerte, un SMS décrivant le type d'alerte est envoyé sur le téléphone portable d'astreinte du site et prévient donc le personnel. Un SMS est également envoyé par le même moyen en cas de défaut de l'automate : - défaut d'alimentation électrique - défaut de la batterie de secours défaut du programme de calcul - défaut de l'autotest journalier vérifiant le bon fonctionnement de la ligne téléphonique et des raccordements avec les compteurs d'entrée.

La visualisation de l'historique de la consommation générale de gaz stockée dans la mémoire interne de l'automate peut se faire via un tableau ou une courbe développée sur l'interface graphique. Les paramètres insérés dans l'automate peuvent être consultés et modifiés via un écran développé sur l'interface graphique (figure 6), cet écran étant également similaire quelque soit le site équipé.

Raccordement de l'automate Les entrées : - compteur général gaz 4 -compteur gaz cogénération 27 - compteur de production thermique cogénération 28a - compteur de production électrique cogénération 14a -sonde de température extérieure (non représentée sur Fig.1) - ligne téléphonique analogique 38 pour diffusion des alertes et consultation à distance de l'automate .

Tous les compteurs sont repris par mode impulsionnel. L'automate calcule ensuite la consommation cumulée à partir de la différence d'index entre la première et la dernière mesure.

Les sorties : - signal 0 û 10V pour la réduction automatique du régime cogénération câblé sur le régulateur de la turbine 20. Ce signal est inversement proportionnel au régime autorisé sur la cogénération : -Signal= OV régime maximal 100% - OV < Signal < 10V régime inversement proportionnel variant entre 100% et 80% (minimum technique de la cogénération) - Signal = 10V arrêt de la turbine, régime := 0% Les vues développées sur ce site sont exploitables pour tout site équipé d'un automate. Les domaines d'application de l'invention ne sont pas limités : l'invention s'applique aussi bien à des sites dérégulés et régulés, bien que l'intérêt économique le plus important se trouve sur les sites dérégulés.

L'invention ne comporte pas de limite de puissance thermique. L'installation doit être alimentée en gaz et comporter au minimum un combustible de recours, ou une cogénération avec possibilité de réduction du régime. L'invention concerne toutes les technologies de production thermique dont les points suivants non exhaustifs : o Cogénération (turbine, moteur) o Cycle combiné, o Chaufferie conventionnelle o Site de production thermique alimenté par tous combustibles (fuel, gaz, électricité, biomasse, ...)

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de commande et d'optimisation de l'efficacité énergétique d'une installation de production thermique comprenant au moins un équipement principal fonctionnant au gaz (chaudière (1) ou cogénération) et au moins un équipement auxiliaire (D) comportant une chaudière auxiliaire (2) pouvant fonctionner avec un combustible de recours et/ou une cogénération (G), avec possibilité de réduction du régime, l'installation comportant pour les éléments consommateurs des compteurs de consommation de gaz et des moyens de réglage de la puissance gaz consommée, caractérisé en ce qu'il comprend un automate (33) relié aux différents compteurs, capteurs et moyens de réglage, lequel automate comporte : - une mémoire interne (34) dans laquelle est stockée, parmi les paramètres, une courbe (aT) de consommation générale admissible de gaz pour l'installation sur une période de temps donnée, - un moyen de calcul (35) pour établir, à partir de la consommation générale réelle à un instant donné (CRg), une consommation générale estimée (Pg) en fin de période déterminée ; - un moyen de comparaison (36) de la consommation générale estimée en fin de période déterminée (Pg) et de la consommation générale admissible en fin de période déterminée (SJ), - un moyen de commande (37) sensible au résultat de la comparaison pour assurer au mieux la production thermique sans dépasser la consommation générale admissible de gaz (SJ), ce moyen de commande (37) fournissant, lorsque la consommation générale estimée de gaz (Pg) dépasse la consommation générale admissible (SJ), une information pour réduire la consommation de gaz en faisant intervenir la chaudière auxiliaire (2) avec combustible de recours, et/ou réduire la consommation de gaz par la cogénération (G) au bénéfice de la chaudière principale (1).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la courbe de consommation générale admissible de gaz (aT) mise en mémoire décrit un profil de la consommation générale de gaz cumulée dans un scénario critique et passe par le seuil de souscription (SJ) pour la période considérée.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'automate (33) fournit un signal de sortie pour appliquer des consignes données par l'automate à des régulateurs de puissance (9, 10, 19, 24) de l'installation selon deux types de fonctionnement possibles: • Automatique, lorsque le signal est raccordé aux régulateurs et agit automatiquement soit en réduction de puissance des chaudières gaz, soit en baisse de régime cogénération. • Manuel : le signal n'étant pas raccordé, l'automate ne réalise que de l'affichage sur une interface graphique (33a) pour qu'un opérateur sur site applique les consignes manuellement sur l'installation.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de calcul (35) détermine des seuils de déclenchement d'alerte (SA1, SA2, SA3).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de calcul (35) détermine un premier seuil d'alerte (SA1) égal au seuil de souscription (SJ) majoré de X % soit [SA1= SJx (1+X%)], X étant une tolérance, qui permet de régler le déclenchement d' une alerte (niveau 1), intégrée dans les paramètres de l'automate, et l'automate demande une réduction de puissance des chaudières gaz (1, 2) ou une réduction du régime de la cogénération (G), l'automate calculant : - la puissance maximale autorisée pour les chaudières gaz afin de compenser le dépassement sur le temps restant (TR) de la période, selon la formule : Puissance max (MWh PCS) = (SJ - Pc) / TR, dans laquelle Pc est la consommation estimée pour la cogénération en fin de période, l'engagement maximum autorisé sur la cogénération afin de compenser le dépassement sur le temps restant (TR) de la période, selon la formule : Régime max (%) = [ (Pc - CRg) - (SJ -Pc) x rendement chaudières / (rendement chaudières - rendement cogénération) ] / Puissance nominale cogénération, CRg étant la consommation réelle mesurée pour la cogénération à un instant donné.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de calcul (35) détermine un deuxième seuil d'alerte (SA2) égal au seuil de souscription (SJ) minoré de Y %, soit [SA2= SJx (1-Y%)], Y étant une tolérance, qui permet de régler le déclenchement d'une alerte (niveau 2), intégrée dans les paramètres de l'automate, lequel demande, en cas de cette alerte, la coupure des chaudières gaz (1,2), et force le régime de la cogénération (G) à un minimum technique déclaré au niveau des paramètres de l'automate.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de calcul (35) détermine un troisième seuil d'alerte (SA3) égal au seuil de souscription (SJ) minoré de Z %, soit [SA3 = SJ x (1ù Z%)], Z étant une tolérance qui permet de régler le déclenchement d'une alerte (niveau 3), intégrée dans les paramètres de l'automate, lequel demande, en cas de cette alerte, la coupure de tout ce qui consomme du gaz.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le comptage de gaz en temps réel est effectué, pour chaque élément consommateur de gaz, selon une périodicité inférieure à vingt minutes.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'automate (33) comporte, parmi les paramètres stockés dans sa mémoire interne, une entrée pour introduire la valeur du PCS (pouvoir calorifique supérieur) du gaz consommé et que le moyen de calcul (35) convertit le volume de gaz consommé en énergie consommée MWH PCS (Mégawattheures PCS).

10 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de calcul (35) effectue une nouvelle prévision 25 de consommation globale estimée en fin de période à chaque dernière mesure.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la période considérée est la journée gazière. 30

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'une période horaire est également considérée, et que le moyen de calcul (35) détermine la consommation admissible pour une heure à venir en retranchant à un seuil concernant une période de N heures la consommation des N ù 1 heures précédentes. 35

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un raccordement à un moyen de transmission d'informations à distance (38) pour une connexion à distance.14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est raccordé à un superviseur distant (39) accessible, avec adresse sécurisée. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le superviseur (39) est programmé pour se connecter périodiquement, pour rapatrier les données stockées dans l'automate. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il envoie sur un téléphone d'astreinte du site un message en cas d'alerte ou de défaut. 17. Installation de production thermique comprenant au moins un équipement principal (chaudière (1) ou cogénération) fonctionnant au gaz et au moins un équipement auxiliaire (D) comportant une chaudière auxiliaire (2) pouvant fonctionner avec un combustible de recours et/ou une cogénération (G), avec possibilité de réduction du régime, l'installation comportant pour les éléments consommateurs des compteurs de consommation de gaz, des capteurs de paramètres de fonctionnement et des moyens de réglage de la puissance consommée, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes.