FR3045783B1 - ELECTRONIC CONTROL MODULE AND METHOD FOR MONITORING THE OPERATION AND SAFETY OF AT LEAST ONE RADIANT TUBE BURNER - Google Patents
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Abstract
Module de contrôle d'au moins un brûleur à tube radiant, le brûleur comprenant une vanne d'alimentation en combustible, une vanne d'alimentation en comburant et un conduit évacuation des fumées de combustion, le module de contrôle comprenant : . un moyen de mesure de la qualité de la combustion installé dans le conduit d'évacuation des fumées de combustion dudit au moins un brûleur, . un organe de mesure de débit de combustible, un organe de mesure de débit de comburant, . un moyen de pilotage dudit au moins un brûleur, agissant sur les pourcentages d'ouverture des vannes d'alimentation en comburant et combustible dudit au moins brûleur pour adapter le rapport débit de comburant/débit de combustible en fonction de l'information délivrée par le moyen de contrôle de la qualité de la combustion.Control module for at least one radiant tube burner, the burner comprising a fuel supply valve, an oxidizer supply valve and a combustion flue gas evacuation conduit, the control module comprising: . a means for measuring the quality of the combustion installed in the combustion flue gas discharge pipe of said at least one burner, . a fuel flow measurement device, an oxidant flow measurement device, . a control means of said at least one burner, acting on the opening percentages of the oxidant and fuel supply valves of said at least burner to adapt the ratio of oxidant flow rate/fuel flow rate as a function of the information delivered by the means of controlling the quality of combustion.
Description
MODULE DE CONTRÔLE ÉLECTRONIQUE ET PROCÉDÉ DE CONTRÔLEDU FONCTIONNEMENT ET DE LA SÉCURITÉ D’AU MOINS UN BRÛLEUR ÀTUBE RADIANT L’invention concerne un module de contrôle électronique et un procédé decontrôle optimal de la combustion et de la sécurité de brûleurs industriels à tubesradiants équipant notamment des lignes horizontales ou verticales de traitementthermique en continu de bandes métalliques.The invention relates to an electronic control module and a method for optimally controlling the combustion and safety of industrial radiant tube burners fitted, in particular, with the aid of an electronic control module and a method for controlling the operation and safety of at least one radiation burner. horizontal or vertical lines of continuous heat treatment of metal strips.
En se reportant à la figure 1 des dessins on peut voir un exemple schématiqued’une partie d’une ligne verticale de traitement thermique en continu d’une bandemétallique selon l’état de la technique. Elle comprend une zone Z1 de préchauffagede la bande 2, par exemple par jets de gaz chauds, une zone Z2 de chauffage de labande par des brûleurs à tubes radiants, une zone Z3 de maintien en température dela bande également équipée de brûleurs à tubes radiants et des zones aval Z4 etsuivantes non détaillées utilisées pour d’autres traitements de la bande, par exempleson refroidissement.Referring to Figure 1 of the drawings we can see a schematic example of part of a vertical line of continuous heat treatment of a metal band according to the state of the art. It comprises a preheating zone Z1 of the strip 2, for example by hot gas jets, a zone Z2 for heating band by radiant tube burners, a zone Z3 for maintaining the temperature of the strip also equipped with radiant tube burners and Z4 and following non-detailed downstream zones used for other band processes, for example cooling.
Cette ligne est composée d’une enceinte calorifugée 1 dans laquelle pénètrela bande 2 sur une pluralité de rouleaux 3 assurant son guidage selon une multitudede passes verticales. Sur la hauteur de chaque passe verticale sont disposés destubes radiants 4, 5 représentés schématiquement par des rectangles. Sur une lignede recuit moderne, le nombre de tubes radiants - donc de brûleurs - installés peutêtre compris entre 200 et 400. Chacun de ces brûleurs est piloté de façonindividuelle et fonctionne en tout ou rien, les tubes radiants fonctionnant par exempleen mode push-pull.This line is composed of a heat insulated enclosure 1 in which the strip 2 penetrates a plurality of rollers 3 ensuring its guidance according to a multitudede vertical passes. On the height of each vertical pass are arranged radiant tubes 4, 5 schematically represented by rectangles. On a modern annealing line, the number of radiant tubes - therefore burners - installed can be between 200 and 400. Each of these burners is drivenindividual and works all or nothing, the radiant tubes operating for example in push-pull mode.
Sur cette Fig.1, les tubes radiants 4 dont les brûleurs sont éteints sontreprésentés en blanc, les tubes radiants 5 dont les brûleurs sont allumés sontreprésentés en noir.In this FIG. 1, the radiant tubes 4 whose burners are extinguished are shown in white, the radiant tubes 5 whose burners are lit are represented in black.
La puissance calorifique maximale Pmax qui peut être fournie par la zone Z2 dechauffage correspond à l’allumage simultané de tous les tubes radiants.The maximum heating power Pmax that can be supplied by zone Z2 heating corresponds to the simultaneous switching on of all the radiant tubes.
Selon l’état de l’art, lorsque la puissance calorifique demandée Prequise pour lazone Z2 est inférieure à Pmax, par exemple égale à 60% de Pmax, chacun des brûleurs des tubes radiants de la zone de chauffage est allumé pendant 60% du temps decycle, typiquement fixé à 1 ou 2 minutes.According to the state of the art, when the heat demand value Required for zone Z2 is less than Pmax, for example equal to 60% of Pmax, each of the burners of the radiant tubes of the heating zone is ignited for 60% of the time decycle, typically set at 1 or 2 minutes.
On comprend que l’obtention à chaque instant de la puissance calorifiquedemandée Prequise est obtenue par l’ajustement du temps de fonctionnement dechaque brûleur de tube radiant pendant une portion du temps de cycle égale aupourcentage de Prequise / Pmax-It is understood that obtaining at any time the heat demand of Required is obtained by adjusting the operating time of each radiant tube burner during a portion of the cycle time equal to the percent of Prequise / Pmax.
La Fig. 2 présente une colonne de tubes radiants 4, 5 situés sur une face de labande 2 qui défile sur des rouleaux 3. Les alimentations/évacuation de chacun destubes radiants 4, 5 de cette colonne sont présentées sur cette figure, l’alimentationen comburant, par exemple l’air de combustion, est schématisée par 6, l’alimentationen combustible liquide ou gazeux, par exemple le gaz naturel, par 7 et l’évacuationdes fumées par 8. On comprend que selon la position des raccordements fluidiquesdes tubes radiants sur les collecteurs d’alimentation/évacuation, les pressionsd’alimentation d’air ou de gaz ou d’évacuation des fumées sont différentes pourchacun des tubes radiants.Fig. 2 shows a column of radiant tubes 4, 5 situated on one side of the band 2 which runs on rollers 3. The feeds / evacuation of each of the radiant groups 4, 5 of this column are shown in this figure, the supply of oxidant, by example the combustion air, is shown schematically by 6, the supply in liquid or gaseous fuel, for example natural gas, by 7 and the evacuation of fumes by 8. It is understood that according to the position of the fluidic connections of the radiant tubes on the collectors supply / discharge, the air supply or gas supply or flue gas are different for each of the radiant tubes.
Par la suite, pour simplifier la description de l’invention, nous utiliserons leterme « gaz » pour désigner le combustible alimentant les brûleurs, quel que soit lanature de celui-ci, et le terme « air » pour désigner le comburant, quelle que soit sateneur en oxygène.Subsequently, to simplify the description of the invention, we will use the term "gas" to designate the fuel supply to the burners, regardless of the nature of the latter, and the term "air" to designate the oxidant, whatever oxygen saturation.
Les changements de régime de fonctionnement du four en fonction de laproduction, du format de bande ou de la température que celle-ci doit atteindre,conduisent à une fluctuation du nombre de brûleurs en service qui induit unevariation des pressions de l’air, du gaz ou des fumées aux brûleurs. D’autre part, l’allumage et l’extinction d’un brûleur peut également induire desfluctuations de pression sur les conduits des brûleurs situés à proximité ou dans lamême zone du four.The changes in the operating speed of the furnace as a function of the production, the strip format or the temperature that it must reach, lead to a fluctuation in the number of burners in operation which induces a variation of the pressures of the air, the gas or fumes to the burners. On the other hand, the ignition and extinguishing of a burner can also induce pressure defluctuations on the ducts of the burners located near or in the same zone of the furnace.
De plus, l’augmentation de la température du tube radiant a pour effet dediminuer l’excès d’air.In addition, increasing the temperature of the radiant tube has the effect of reducing excess air.
On constate également sur les sites de production où les lignes de traitementthermiques sont implantées que la nature ou la composition du gaz peut varier,parfois dans des proportions importantes, par exemple avec des variations depouvoir calorifique de +/- 10 % par rapport à une valeur moyenne. L’installation peut également être alimentée avec plusieurs types de gaz, par exemple du gaz naturel etdu gaz de cokerie avec des caractéristiques de densité ou de pouvoir calorifique trèsdifférentes.It is also observed on the production sites where the heat treatment lines are implanted that the nature or the composition of the gas can vary, sometimes in significant proportions, for example with variations in calorific value of +/- 10% with respect to a certain value. average. The plant can also be supplied with several types of gas, for example natural gas and coke oven gas with very different densities or calorific values.
On voit que les conditions de fonctionnement des brûleurs peuvent êtreextrêmement variables selon les pressions d’alimentations en air ou gaz ou desoutirage des fumées, les caractéristiques du gaz utilisé, les températures defonctionnement du tube radiant, l’influence des allumages et extinction des brûleursvoisins dans la colonne, de la zone ou d’un circuit fluidique.It can be seen that the operating conditions of the burners can be extremely variable according to the air or gas supply or fume extraction pressures, the characteristics of the gas used, the operating temperatures of the radiant tube, the influence of the ignitions and the extinction of the neighboring burners. the column, the zone or a fluidic circuit.
Ces variations peuvent être rapides et s’ajoutent à la rapidité du cycled’allumage et d’extinction des brûleurs avec un fonctionnement en tout ou rien, parexemple avec 30 ou 60 cycles d’allumage et d’extinction par heure, ce qui peutamener des perturbations importantes sur le fonctionnement du brûleur seul et surl’ensemble des brûleurs d’une colonne, de la zone ou d’un circuit fluidique.These variations can be rapid and are added to the speed of the cycle of ignition and extinction of the burners with operation in all or nothing, for example with 30 or 60 cycles of ignition and extinction per hour, which can lead to major disturbances in the operation of the burner alone and on all the burners of a column, the zone or a fluidic circuit.
En particulier toutes ces variations peuvent causer des fluctuationsimportantes du rapport air-gaz par rapport à la valeur théorique souhaitée et/ou desproductions importantes de polluants tels que le CO (monoxyde de carbone), ou lesNOx (oxydes d’azote).In particular, all these variations can cause significant fluctuations in the air-gas ratio with respect to the desired theoretical value and / or large quantities of pollutants such as CO (carbon monoxide), or NO x (nitrogen oxides).
Pour résoudre ce problème, on choisit de façon traditionnelle des valeursd’excès d’air de +10% à +20% par rapport à la valeur stoechiométrique de façon àce que la combustion soit réalisée quelles que soient les conditions d’alimentation enair et gaz et les caractéristiques du gaz. Cette part supplémentaire d’air decombustion ne participe pas à la combustion. Au contraire, l’énergie nécessaire àson chauffage est une énergie perdue au détriment du rendement de l’installation.To solve this problem, air excess values are traditionally chosen from + 10% to + 20% with respect to the stoichiometric value so that the combustion is performed regardless of the air and gas supply conditions. and the characteristics of the gas. This extra part of combustion air does not participate in the combustion. On the contrary, the energy required for heating is energy lost at the expense of the efficiency of the installation.
On voit que les équipements suivant l’état de l’art ne permettent pas decontrôler efficacement la qualité de la flamme selon les variations de caractéristiquesdu gaz ou de son alimentation, y compris durant les phases d’allumage etd’extinction de la flamme qui sont en nombre important sur une installationcomprenant une grande quantité de brûleurs fonctionnant en tout ou rien.It can be seen that the equipment according to the state of the art does not make it possible to effectively control the quality of the flame according to variations in the characteristics of the gas or its feed, including during the ignition and extinguishing phases of the flame which are in large numbers on an installation including a large amount of burners operating all or nothing.
On comprend que le rapport air gaz à chaque instant des phases d’allumage,de fonctionnement et d’extinction du brûleur est la résultante à chaque instant dupourcentage d’ouverture des vannes d’air et de gaz, des pressions d’alimentationdes collecteurs d’air et de gaz et du pouvoir calorifique réel du gaz par rapport à lavaleur théorique de réglage. Ces différences sont particulièrement importantes durant les phases d’allumage et d’extinction de la flamme selon les caractéristiquesd’ouverture et de fermeture des vannes, leur étanchéité réelle, les usures de leursdispositifs d’étanchéité et les variations de caractéristiques des alimentations en airet gaz (variations de pressions dues à l’encrassement des tuyauteries par exemple)ou les variations de pouvoir calorifique du gaz.It will be understood that the air-gas ratio at each instant of the ignition, operating and extinguishing phases of the burner is the result at each instant of the opening percentage of the air and gas valves, the supply pressures of the collectors air and gas and the actual heating value of the gas with respect to the theoretical setting value. These differences are particularly important during the ignition and extinguishing phases of the flame according to the opening and closing characteristics of the valves, their actual sealing, the wear of their sealing devices and the variations in the characteristics of the air and gas supplies. (variations of pressures due to the clogging of the pipes for example) or the variations of calorific value of the gas.
Ces phases transitoires de contrôle approximatif de la qualité de lacombustion, c’est-à-dire des débits d’air et de gaz et/ou le rapport entre les débitsd’air et de gaz (le rapport air/gaz) ont un ensemble de conséquences :These transient phases of approximate control of the quality of the combustion, that is to say the flow rates of air and gas and / or the ratio between air and gas flow rates (the air / gas ratio) have a set consequences:
Une production accrue de polluants, en particulier les oxydes d’azote (NOx)dont les taux de rejet sont de plus en plus limités, et même parfois taxés,Increased production of pollutants, particularly nitrogen oxides (NOx), whose release rates are increasingly limited, and sometimes even taxed,
La possibilité de produire des imbrûlés (combustible non brûlé), notamment duCO, qui réduisent le rendement de l’installation et qui créent un risqued’explosion dans les collecteurs, plénum et circuit final d’évacuation des fuméespouvant ainsi nuire à la sécurité des équipements et des personnels,The possibility of producing unburnt (unburned fuel), including CO 2, which reduces the efficiency of the installation and creates a risk of explosion in the collectors, plenum and final smoke evacuation circuit, thus affecting the safety of the equipment and staff,
La production d’une atmosphère de combustion incontrôlée pouvant êtreoxydante ou réductrice qui peut réduire la durée de vie des équipementsexposés à cette atmosphère, par exemple les tubes radiants et d’une façon plusgénérale, tous les équipements en acier réfractaire fonctionnant à hautetempérature et exposés aux gaz de combustion du ou des brûleur(s).The production of an uncontrolled combustion atmosphere which may be oxidizing or reducing, which may reduce the service life of equipment exposed to this atmosphere, for example radiant tubes and, more generally, all refractory steel equipment operating at high temperature and exposed to combustion gas of the burner (s).
Les équipements de contrôle actuels, installés selon les normes en vigueur, parexemple ΙΈΝ 746-2, et ΙΈΝ 298, contrôlent l’existence de la flamme sans que laqualité de ladite flamme ne soit vérifiée. Il s’agit donc de modes de fonctionnementen boucle ouverte qui ne permet pas d’optimiser la combustion.The current control equipment, installed according to the standards in force, for example ΙΈΝ 746-2, and ΙΈΝ 298, control the existence of the flame without the quality of said flame being verified. It is therefore open-loop operating modes that do not optimize combustion.
On voit que l’ensemble des imperfections de l’état de l’art entraînent desdéfauts dans le contrôle de la combustion de chacun des brûleurs à chaque instantqui concernent différents aspects de l’installation, en particulier la diminution durendement de combustion, la dégradation des niveaux de polluants émis, la tenuedes matériaux au contact des gaz de combustion, la création de risques d’explosionde gaz dans les collecteurs, plénum et circuit final d’évacuation des fumées ou d’unefaçon plus générale de risques sur l’équipement ou le personnel situé à proximité.It can be seen that all of the imperfections of the state of the art lead to deficiencies in the control of the combustion of each of the burners at each moment which concern different aspects of the installation, in particular the reduction in combustion duration, the degradation of levels of pollutants emitted, the holding of materials in contact with the combustion gases, the creation of risks of gas explosion in the collectors, plenum and final smoke evacuation circuit or in a more general way of risks on the equipment or the staff located nearby.
Ces défauts de contrôle de la combustion concernent des phénomènes rapides,à l’échelle du temps de cycle du fonctionnement des brûleurs ou des temps d’ouverture/fermeture des vannes d’alimentation en gaz et/ou air. Ces temps courtsde mauvaise maîtrise de la combustion et de la sécurité de fonctionnement dubrûleur imposent la mise en œuvre de dispositifs de contrôle rapides, si possiblelocaux, au plus près du brûleur contrôlé, et fonctionnant sous forme de boucles derégulation fermées avec des temps de réaction rapides.These combustion control defects concern rapid phenomena, on the scale of the operating cycle time of the burners or the opening / closing times of the gas and / or air supply valves. These short periods of poor control of the combustion and operating safety of burner require the implementation of rapid control devices, if possiblelocaux, closer to the controlled burner, and operating in the form of closed control loops with fast reaction times .
Certains équipements commerciaux intègrent des capteurs situés dans lesalimentations en air et gaz ou dans les fumées pour apporter des corrections auxconditions de fonctionnement des brûleurs mais aucun ne permet d’optimiser chaquephase de fonctionnement du cycle tout ou rien et de compenser les variations depouvoir calorifiques du gaz d’alimentation.Some commercial equipment integrates sensors located in the air and gas or in the fumes to make corrections to the operating conditions of the burners but none allows to optimize each phase of operation of the all-or-nothing cycle and to compensate for variations in the calorific value of the gas power.
De plus, les équipements suivant l’état de l’art ne permettent pas de détecterrapidement un dysfonctionnement sur un tube radiant, qu’il s’agisse de la défaillanced’un organe ou d’un mode de fonctionnement dégradé.In addition, the equipment according to the state of the art does not detect quickly a malfunction on a radiant tube, whether the failure of an organ or a degraded mode of operation.
Le module de contrôle électronique et le procédé selon l’invention permettentd’optimiser la combustion des brûleur à tube radiant, de réduire les quantités depolluants émis, de compenser les variations de puissance calorifique du gazd’alimentation, d’améliorer le rendement de combustion en réduisant l’excès d’airnécessaire pour assurer le bon fonctionnement du brûleur et de détecter rapidementun dysfonctionnement sur ledit tube radiant.The electronic control module and the method according to the invention make it possible to optimize the combustion of the radiant tube burner, to reduce the quantities of pollutants emitted, to compensate for the variations in the heating power of the feed gas, to improve the combustion efficiency by reducing the excess air required to ensure proper operation of the burner and rapidly detecting a malfunction on said radiant tube.
Selon l'invention un module de contrôle d’au moins un brûleur à tube radiant, lebrûleur comprenant une vanne d'alimentation en combustible, une vanned'alimentation en comburant et un conduit évacuation des fumées de combustion, lemodule de contrôle est caractérisé en ce qu’il comprend : un moyen de mesure de la qualité de la combustion installé dans leconduit d’évacuation des fumées de combustion dudit au moins unbrûleur, un organe de mesure de débit de combustible, un organe de mesure de débit de comburant, un moyen de pilotage dudit au moins un brûleur, agissant sur lespourcentages d’ouverture des vannes d’alimentation en comburant etcombustible dudit au moins brûleur pour adapter le rapport débit de comburant/débit de combustible en fonction de l’information délivrée parle moyen de contrôle de la qualité de la combustion.According to the invention, a module for controlling at least one radiant tube burner, the burner comprising a fuel supply valve, an oxidizer supply valve and a flue gas exhaust duct, the control module is characterized in that it comprises: a means for measuring the quality of the combustion installed in the exhaust duct of the combustion fumes of the at least one burner, a fuel flow measuring member, an oxidizer flow measuring member, a means for measuring of controlling said at least one burner, acting on the opening percentages of the fuel supply valves and the fuel of said at least one burner in order to adapt the oxidant flow rate / fuel flow rate ratio according to the information delivered by the control means of the quality of combustion.
Avantageusement le module de contrôle comprend un moyen de calcul dupouvoir comburivore Va du combustible utilisant les données fournies par le moyende mesure de la qualité de la combustion, l'organe de mesure de débit decombustible et l'organe de mesure de débit de comburant, la valeur de Va calculéepar le moyen de calcul étant comparée avec une valeur théorique afin de détecter unécart dépassant un seuil prédéfini.Advantageously, the control module comprises a means for calculating the comburivore power Va of the fuel using the data provided by the average measurement of the quality of the combustion, the fuel flow measuring member and the oxidant flow measuring member, the Va value calculated by the calculating means being compared with a theoretical value to detect a deviation exceeding a predefined threshold.
Le moyen de contrôle de la qualité de la combustion peut être un capteurd’oxygène résiduel.The means for controlling the quality of the combustion may be a residual oxygen sensor.
De manière plus avantageuse encore, le module peut être apte à contrôler deuxbrûleurs à tube radiant, le pouvoir comburivore Va du combustible étant calculé pourchaque brûleur, notamment à partir des données fournies par les organes de mesurede débit de comburant et de combustible et l’information délivrée par le moyen decontrôle de la qualité de la combustion, les deux valeurs de Va obtenues pour lesdeux brûleurs étant comparées afin de détecter un écart dépassant un seuil défini. L'invention a également trait à un procédé de contrôle d’au moins un brûleur àtube radiant, le brûleur comprenant une vanne d'alimentation en combustible, unevanne d'alimentation en comburant et un conduit évacuation des fumées decombustion, le procédé étant caractérisé en ce qu’il consiste à : piloter le fonctionnement dudit au moins un brûleur avec une régulationdu pourcentage d’ouverture des vannes d’alimentation en comburant etcombustible dudit au moins brûleur selon un rapportcomburant/combustible désiré à partir de l’information délivrée par unmoyen de mesure de la qualité de la combustion installé dans le conduitd’évacuation des fumées de combustion dudit au moins un brûleur, calculer une valeur du pouvoir comburivore Va du combustiblealimentant ledit au moins un brûleur, notamment à partir des donnéesfournies par des organes de mesure de débit de comburant et decombustible et l’information délivrée par le moyen de mesure de laqualité de la combustion dudit au moins un brûleur, et de comparer cettevaleur Va du pouvoir comburivore avec une valeur théorique afin dedétecter un écart dépassant un seuil défini.Even more advantageously, the module may be able to control two radiant tube burners, the fuel comburivore power Va being calculated for each burner, in particular from the data supplied by the combustion and fuel flow rate measuring members and the information delivered by the means of controlling the quality of the combustion, the two Va values obtained for the two burners being compared in order to detect a difference exceeding a defined threshold. The invention also relates to a method for controlling at least one radiant burner, the burner comprising a fuel supply valve, an oxidizer supply valve and a flue gas exhaust duct, the method being characterized in that it consists in: controlling the operation of said at least one burner with a regulation of the opening percentage of the fuel supply valves and fuel of said at least one burner in a desired fuel / fuel ratio from the information delivered by a means of measuring the quality of the combustion installed in the combustion flue of said at least one burner, calculating a value of the comburivore power Va of the fuelelimentant said at least one burner, particularly from the dataproduced by flow measuring devices of oxidant and fuel and the information delivered by the measuring means of the value of the combustion of said at least one burner, and to compare this value Va of the comburivore power with a theoretical value in order to detect a deviation exceeding a defined threshold.
Avantageusement le procédé de contrôle permet également de : contrôler deux brûleurs à tube radiant, calculer une valeur du pouvoir comburivore Va du combustible pourchaque brûleur, notamment à partir des données fournies par lesorganes de mesure de débit de comburant et de combustible etl’information délivrée par le moyen de mesure de la qualité de lacombustion dudit brûleur, et de comparer les deux valeurs de Vaobtenues pour les deux brûleurs afin de détecter un écart dépassant unseuil défini. L’invention offre ainsi un système rapide et efficace de gestion dufonctionnement des brûleurs à tube radiant installés en grand nombre sur un fourindustriel. Il optimise la combustion et réduit la quantité de polluants produits tout enassurant la sécurité de fonctionnement des brûleurs. L’invention apporte une solutionau pilotage des brûleurs même lorsque le gaz d’alimentation a des caractéristiquesvariables (pouvoir calorifique ou pression d’alimentation), en permettant decommander la quantité de gaz en fonction de la quantité d’air pour maintenir enpermanence le rapport air/gaz requis pour chaque brûleur.Advantageously, the control method also makes it possible to: control two radiant tube burners, calculate a value of the comburivore power Va of the fuel for each burner, in particular from the data supplied by the oxidant and fuel flow measurement members and the information delivered by the means for measuring the combustion quality of said burner, and comparing the two Va values for the two burners to detect a difference exceeding a defined threshold. The invention thus provides a fast and efficient system for managing the operation of radiant tube burners installed in large numbers on an industrial furnace. It optimizes combustion and reduces the amount of pollutants produced while ensuring the safety of the burners. The invention provides a solution for controlling the burners even when the feed gas has variable characteristics (calorific value or supply pressure), allowing the quantity of gas to be controlled according to the quantity of air to permanently maintain the air ratio. / gas required for each burner.
Dans ce qui suit l’invention est expliquée de manière détaillée sur la base d’unexemple de réalisation faisant référence aux figures 2 et 3 des dessins.In the following the invention is explained in detail on the basis of an embodiment with reference to Figures 2 and 3 of the drawings.
Figure 2 est une représentation schématique partielle en élévation descollecteurs de distribution fluidiques aux brûleurs selon l’état de l’art,FIG. 2 is a partial schematic representation in elevation of fluid distribution manifolds for the burners according to the state of the art,
Figure 3 est une représentation schématique d’un ensemble tube radiant selonun exemple de réalisation de l’invention.Figure 3 is a schematic representation of a radiant tube assembly according to an exemplary embodiment of the invention.
Comme représenté en figure 2 et 3 des dessins, les brûleurs à tube radiantsont alimentés par des collecteurs d’air 6 et de gaz 7. L’alimentation en air du brûleurest équipée d’un organe de mesure du débit, par exemple un diaphragme 13 et uncapteur de pression différentielle 12 et d’une vanne à ouverture commandéeélectriquement ou pneumatiquement 14 avec éventuellement un signal de recopie deposition d’ouverture. L’air de combustion est réchauffé par les fumées dans un échangeurschématisé par 10 pour alimenter le brûleur 20 en air chaud. L’alimentation en gaz du brûleur comprend un organe de mesure du débit, parexemple un diaphragme 16 et un capteur de pression différentielle 15 et de deuxvannes à ouverture commandée électriquement ou pneumatiquement 17 et 18assurant la fonction de double barrage conformément à la norme EN 746-2 et dontéventuellement une au moins délivre une recopie de position d’ouverture (sur lafigure la vanne 18) et d’un pressostat 26 entre les vannes 17 et 18. Le brûleur 20 estainsi alimenté en gaz et en air.As shown in FIGS. 2 and 3 of the drawings, the radiant tube burners are fed by air and gas collectors 6. The air supply of the burner is equipped with a flow measuring member, for example a diaphragm 13 and a differential pressure sensor 12 and an electrically or pneumatically controlled opening valve 14 optionally with an aperture copy signal. The combustion air is heated by the flue gas in a heat exchanger 10 to supply the burner 20 with hot air. The gas supply of the burner comprises a flow measuring member, for example a diaphragm 16 and a differential pressure sensor 15 and two electrically or pneumatically controlled opening valves 17 and 18 ensuring the double dam function in accordance with the EN 746 standard. 2 and at least one of which delivers a copy of the open position (in the figure the valve 18) and a pressure switch 26 between the valves 17 and 18. The burner 20 is thus supplied with gas and air.
Les vannes à ouverture commandée 14, 17 et 18 peuvent également êtreéquipées de capteurs ou fins de courses destinés à confirmer la position des vannesà pleine ouverture ou fermeture.The controlled opening valves 14, 17 and 18 can also be equipped with sensors or limit switches intended to confirm the position of the valves at full opening or closing.
Le brûleur 20 est équipé d’un moyen de détection de flamme 21, par exempleune cellule optique de type Ultra-violets et d’un moyen d’allumage 22, par exempleune électrode d’allumage.The burner 20 is equipped with a flame detection means 21, for example an ultraviolet type optical cell and an igniting means 22, for example an ignition electrode.
Le tube radiant est équipé de capteurs de température, par exemple au moinsd’un thermocouple 25 de mesure de sa température de surface et d’un capteur 24situé sur l’évacuation des fumées humides 8 du tube radiant 4 permettant decontrôler la qualité de la combustion, par exemple d’un capteur d’oxygène résiduel.The radiant tube is equipped with temperature sensors, for example at least a thermocouple 25 for measuring its surface temperature and a sensor 24 located on the evacuation of the moist fumes 8 of the radiant tube 4 to control the quality of the combustion. for example a residual oxygen sensor.
Le système de combustion est équipé d’un module de contrôle électronique23 situé à proximité immédiate du brûleur, avec des signaux de sortie 23a et d’entrée23b. Les signaux d’entrée selon l’exemple présenté sont les positions des vannescommandées 14 et 18, la détection de flamme 21, les mesures de débit d’air et degaz 12 et 15, l’oxygène résiduel dans les fumées humides mesuré par le capteur 24et la température du tube mesurée par le thermocouple 25. Les signaux de sortiesont les commandes des vannes 14, 17 et 18 ainsi que la commande d’allumage 22.The combustion system is equipped with an electronic control module 23 located in the immediate vicinity of the burner, with output signals 23a and input 23b. The input signals according to the example presented are the positions of the controlled valves 14 and 18, the flame detection 21, the air and gas flow measurements 12 and 15, the residual oxygen in the humid fumes measured by the sensor. 24 and the temperature of the tube measured by the thermocouple 25. The output signals are the controls of the valves 14, 17 and 18 as well as the ignition control 22.
Enfin une liaison numérique permet de transmettre et recevoir desinformations entre un système de contrôle/commande centralisé et les modules decontrôle électronique 23 et/ou entre les modules de contrôle électronique 23.Finally, a digital link makes it possible to transmit and receive information between a centralized control / control system and the electronic control modules 23 and / or between the electronic control modules 23.
Ce module de contrôle électronique assure l’ensemble des fonctions traitéespar les systèmes de contrôle de brûleurs existants sur le marché selon l’état de l’artet telles que définies dans les normes, en particulier les fonctions de séquençage de l’allumage, de fonctionnement, d’extinction du brûleur et les sécurités liées àchacune de ces phases de fonctionnement. Il possède également un contrôle de lacombustion et un contrôle de défaillance tels que détaillés ci-après.This electronic control module provides all the functions processed by existing burner control systems on the market according to the state of the art and as defined in the standards, in particular the functions of sequencing ignition, operating burner extinguishing and safety related to each of these phases of operation. It also has a combustion control and a failure control as detailed below.
En mode de fonctionnement tout ou rien, le système proposé règle unequantité d’air qui est l’image de la puissance instantanée à délivrer par le brûleurdans ses différentes phases de fonctionnement, à l’aide de la vanne 14. Le capteurde pression différentielle 12 est connecté au module de contrôle électronique 23,lequel calcule le débit instantané d’air délivré au brûleur.In the all-or-nothing mode of operation, the proposed system adjusts a quantity of air which is the image of the instantaneous power to be delivered by the burner in its various operating phases, using the valve 14. The differential pressure sensor 12 is connected to the electronic control module 23, which calculates the instantaneous flow of air delivered to the burner.
Le capteur 24 de mesure d’oxygène résiduel dans les fumées est connecté aumodule de contrôle électronique 23, lequel détermine la quantité de gaz nécessaireafin de respecter le taux d’oxygène requis dans les fumées humides dans lesdifférentes phases de fonctionnement du brûleur telles qu’allumage, fonctionnementstabilisé et extinction et règle ce débit en pilotant la vanne 18.The sensor 24 for measuring the residual oxygen in the flue gases is connected to the electronic control module 23, which determines the quantity of gas necessary in order to comply with the required oxygen level in the humid fumes in the different phases of operation of the burner, such as ignition. , operating stabilized and extinguishing and regulates this flow by driving the valve 18.
De la même façon sur le circuit de gaz, le capteur de pression différentielle 15est connecté au module de contrôle électronique 23, lequel calcule le débitinstantané de gaz délivré au brûleur.In the same way on the gas circuit, the differential pressure sensor 15is connected to the electronic control module 23, which calculates the instantaneous flow rate of gas delivered to the burner.
Les débits d’air et de gaz sont calculés à l’aide de la formule décrite dans lanorme ISO 5167-2 qui intègre les caractéristiques géométriques des élémentsprimaires de mesure 13, 16, les paramètres relatifs aux propriétés des fluides et lesconditions de service telles que la pression atmosphérique, les pressions,températures et poids spécifiques des fluides qui sont des données dynamiquescommunes ou individuelles mesurées et transmises au module de contrôleélectronique 23. A partir des paramètres de combustion Va (air stoechiométrique, ou pouvoircomburivore, d’un gaz combustible correspondant à la quantité d’air nécessaire etsuffisante pour assurer la combustion complète de l’unité de volume de gaz), dufacteur d’air (ou taux d’aération) souhaité noté n ainsi que du rapport air/gaz noté R(R = n x Va) ainsi que d’autres paramètres propres à chacun des fluides, le modulede contrôle électronique 23 calcule le taux d’oxygène résiduel attendu dans lesfumées humides et ajuste le débit de gaz pour maintenir le taux d’oxygène requisdans les fumées humides. L’invention permet ainsi de maintenir la qualité de lacombustion quelles que soient les variations de pression d’alimentation du gaz et del’air. L’invention propose également d’autres fonctionnalités telles qu’unséquenceur de test d’étanchéité des vannes de gaz contrôlé par le pressostat 26ainsi qu’une protection en cas de dépassement d’une température maximum defonctionnement contrôlée par le thermocouple 25.The air and gas flow rates are calculated using the formula described in ISO 5167-2 which incorporates the geometrical characteristics of the primary measurement elements 13, 16, the parameters relating to the properties of the fluids and the service conditions such as the atmospheric pressure, the specific pressures, temperatures and weights of the fluids which are common or individual dynamic data measured and transmitted to the electronic control module 23. From the combustion parameters Va (stoichiometric air, or comburivore power), a fuel gas corresponding to the amount of air necessary and sufficient to ensure the complete combustion of the gas volume unit), the desired air factor (or aeration rate) denoted n and the air / gas ratio noted R (R = n × Va) ) as well as other parameters specific to each of the fluids, the electronic control module 23 calculates the residual oxygen level att enduated in humid fumes and adjusts the gas flow to maintain the required oxygen level in the humid fumes. The invention thus makes it possible to maintain the quality of combustion irrespective of the variations in the supply pressure of gas and air. The invention also proposes other functionalities such as a leak test sequence of the gas valves controlled by the pressure switch 26 as well as protection in case of exceeding a maximum temperature of operation controlled by the thermocouple 25.
Le capteur 25 de mesure de la température du tube radiant 4 est connecté aumodule de contrôle électronique 23. Le module 23 peut ainsi commander l’arrêt dubrûleur en cas de dépassement d’une température de sécurité maximum atteinte parle tube radiant.The sensor 25 for measuring the temperature of the radiant tube 4 is connected to the electronic control module 23. The module 23 can thus control the burner stoppage in case of exceeding a maximum safety temperature reached by the radiant tube.
On comprend l’intérêt de cette invention pour l’utilisateur final du four car ellepermet, outre des améliorations du procédé de production, de réduire le coût decombustible consommé par l’installation et de réduire les taxes éventuelles quipourraient être demandées en fonction des quantités de polluants émis.We understand the interest of this invention for the final user of the oven because it allows, in addition to improvements in the production process, to reduce the cost of fuel consumed by the installation and reduce any taxes that may be requested depending on the quantities of pollutants emitted.
Selon un autre caractéristique essentielle de l’invention, le module de contrôleélectronique 23 permet de détecter rapidement un dysfonctionnement sur le tuberadiant auquel il est raccordé et de placer ledit tube en position de sécurité si ledysfonctionnement est jugé important.According to another essential characteristic of the invention, the electronic control module 23 makes it possible to rapidly detect a malfunction on the tuberadiant to which it is connected and to place said tube in the safety position if the malfunction is deemed important.
Selon la nature du signal reçu révélateur d’un dysfonctionnement, notammentselon l’organe concerné, le module électronique va émettre une alerte en local et/ouvers le système de contrôle/commande centralisé, en maintenant le tube radiantconcerné en service, ou arrêter ce dernier en le plaçant en position de sécurité.Depending on the nature of the received signal indicative of a malfunction, in particular depending on the organ concerned, the electronic module will issue an alert locally and / or the centralized control / command system, maintaining the radiating tubeconcerned in service, or stop it by placing it in the safety position.
Comme nous l’avons vu précédemment, le module de contrôle électronique23 échange des informations avec les organes de mesure et de contrôle des débitsd’air 12, 13, 14 et de gaz 15, 17, 18, 26, ainsi que le capteur d’oxygène résiduel 24 etle capteur de température 25. Le module de contrôle électronique 23 peut ainsidétecter une discordance entre l’information fournie par l’un de ces organes oucapteurs, les informations fournies par les autres organes ou capteurs, et lesdonnées théoriques attendues.As we have seen previously, the electronic control module 23 exchanges information with the measuring and control devices of airflows 12, 13, 14 and gas 15, 17, 18, 26, as well as the sensor of residual oxygen 24 andthe temperature sensor 25. The electronic control module 23 can also detect a discrepancy between the information provided by one of these bodies or sensors, the information provided by the other members or sensors, and the expected theoretical data.
Par exemple, cette discordance peut consister en :For example, this discrepancy may consist of:
Un décalage entre le débit mesuré sur l’air ou le gaz et l’ouverture de la vannede réglage dudit débit,An offset between the flow rate measured on the air or the gas and the opening of the valve for adjusting said flow,
Un décalage entre la mesure de la teneur en oxygène résiduel et celleattendue au regard des mesures de débit d’air et de gaz,A discrepancy between the measurement of the residual oxygen content and celleattenance with regard to the measurements of air flow and gas,
Un décalage entre la température mesurée du tube radiant et celle attendue. A partir notamment des données fournies par les organes de mesure de débitde comburant et de combustible et un capteur mesurant la teneur en oxygènerésiduel dans les fumées de combustion du brûleur, le module de contrôleélectronique 23 calcule le Va du combustible et le compare au Va théorique ducombustible. Ce Va théorique est avantageusement fourni au module par le systèmede contrôle/commande centralisé. Il peut également être directement renseigné dansle module par un opérateur. En cas de décalage entre la valeur de Va calculée et lavaleur théorique du combustible, le module de contrôle électronique 23 émet unealerte au-delà d’un certain seuil d’écart. Lorsque cet écart atteint un second seuilplus élevé, le tube radiant est arrêté et mis en sécurité. Le premier seuil est parexemple de 10% d’écart et le second de 15% d’écart.An offset between the measured temperature of the radiant tube and that expected. Based in particular on the data provided by the oxidant and fuel flow measuring elements and a sensor measuring the residual oxygen content in the burner combustion fumes, the electronic control module 23 calculates the fuel Va and compares it with the theoretical fuel gas Va. . This theoretical Va is advantageously supplied to the module by the centralized control / command system. It can also be directly entered in the module by an operator. In the event of a discrepancy between the value of Va calculated and the theoretical value of the fuel, the electronic control module 23 emits an altitude beyond a certain threshold of difference. When this difference reaches a second, higher threshold, the radiant tube is stopped and made safe. The first threshold is, for example, 10% difference and the second threshold 15% difference.
La valeur de Va théorique du combustible est par exemple calculée enfonction de la composition du gaz selon la formule suivante dans laquelle lesformulations chimiques des gaz sont à remplacer par la teneur en ces gaz dans lecombustible exprimée en m3 de gaz par m3 de combustible :The theoretical Va value of the fuel is for example calculated according to the composition of the gas according to the following formula in which the chemical formulations of the gases are to be replaced by the content of these gases in the fuel expressed in m3 of gas per m3 of fuel:
Va = H2x2.36 + 00x2.38 + CH4x9.54 + C2H4x14.4 + C2H6x16.84 + C3H6x21.84+ C3H8x24.37 + C4H8x 29.64 + C4Hi0x32.41 + C5Hi2x40.87 - O2x4.77Va = H2x2.36 + 00x2.38 + CH4x9.54 + C2H4x14.4 + C2H6x16.84 + C3H6x21.84 + C3H8x24.37 + C4H8x 29.64 + C4Hi0x32.41 + C5Hi2x40.87 - O2x4.77
Avantageusement selon l’invention, le module de contrôle électronique 23 estplacé à proximité immédiate du tube radiant qu’il contrôle. Cela permet un échangerapide d’informations entre le module de contrôle électronique et les organes placéssur le tube radiant du fait d’une longueur de câbles réduite. Cette solution permet depiloter et de mettre en sécurité les ensembles tubes radiants plus rapidement qu’ilsne le seraient en passant par un système centralisé de contrôle/commande. Laproximité entre le module de contrôle électronique et le tube radiant auquel il estraccordé facilite également l’intervention des opérateurs lors de la mise en service del’équipement et lors de sa maintenance.Advantageously according to the invention, the electronic control module 23 is placed in the immediate vicinity of the radiant tube that it controls. This allows a fast exchange of information between the electronic control module and the organs placed on the radiant tube due to a reduced cable length. This solution makes it possible to drive and secure radiant tube assemblies faster than they would be through a centralized control / command system. The proximity between the electronic control module and the radiant tube to which it is attached also facilitates the intervention of the operators during the commissioning of the equipment and during its maintenance.
Avantageusement selon l’invention, le module de contrôle électronique 23 estraccordé à deux tubes radiants situés à proximité l’un de l’autre. Il peut ainsi détecterun comportement différent des deux tubes radiants pouvant révéler undysfonctionnement de l’un des deux.Advantageously according to the invention, the electronic control module 23 meshes with two radiant tubes situated close to each other. It can thus detect a different behavior of the two radiant tubes which can reveal the dysfunction of one of the two.
Cette solution est particulièrement avantageuse car elle permet de gommerles perturbations qui seraient liées à une variation des caractéristiques du gaz ou/etde l’air, celles-ci étant communes aux deux tubes radiants.This solution is particularly advantageous because it eliminates disturbances that would be related to a variation in gas characteristics and / or air, these being common to both radiant tubes.
Par exemple, si le module de contrôle électronique 23 détecte un décalageentre la teneur en oxygène résiduel annoncé par le capteur 24 de l’un des tubesradiants et les débits mesurés sur l’air et le gaz de ce tube radiant, ce décalage peutêtre interprété comme étant lié à une évolution de la composition du combustible etde son Va. Dans cette situation, le module de contrôle électronique 23 selonl’invention vérifie si ce même décalage est présent sur le second tube radiant. Si celaest le cas, il s’agit bien d’un changement des caractéristiques de l’un des fluides. Sice n’est pas le cas, il s’agit d’un dysfonctionnement d’un organe sur le premier tuberadiant et une alerte est donnée par le module de contrôle électronique. Cetteanalyse permet également de détecter le perçage d’un tube radiant car il se traduiraitpar une entrée de l’atmosphère du four dans le tube, si le tube radiant fonctionne enmode push-pull (la pression à l’intérieur du tube est plus faible que celle à l’extérieurdu tube), et donc une baisse du taux d’oxygène résiduel mesuré dans les fumées.For example, if the electronic control module 23 detects a shift between the residual oxygen content announced by the sensor 24 of one of the radiating tubes and the flow rates measured on the air and the gas of this radiant tube, this offset can be interpreted as being linked to a change in the composition of the fuel and its Va. In this situation, the electronic control module 23 according to the invention verifies whether this same offset is present on the second radiant tube. If this is the case, it is a change in the characteristics of one of the fluids. Sice is not the case, it is a malfunction of an organ on the first tuber and a warning is given by the electronic control module. This analysis also makes it possible to detect the drilling of a radiant tube because it would result in an entry of the atmosphere of the furnace into the tube, if the radiant tube operates in push-pull mode (the pressure inside the tube is lower than that outside the tube), and thus a drop in the residual oxygen content measured in the fumes.
Comme nous l’avons vu, le module de contrôle électronique selon l’inventioncomprend dans un mode de réalisation optimisé : les fonctions de sécurité selon l’état de l’art et les impositions des normesexistantes, le pilotage du fonctionnement d’un ou de deux brûleurs avec des régulationsen boucles fermées des ouvertures des vannes d’alimentation en air et gaz,ces boucles fonctionnant selon un rapport air/gaz qui dépend de la valeur del’oxygène désirée dans les fumées humides en tout point du cycle defonctionnement (allumage, fonctionnement stabilisé, extinction), que lesbrûleurs fonctionnent en mode en tout ou rien ou en mode proportionnel, la prise en compte de données sur les caractéristiques de l’air et du gaz,notamment les compositions, températures, pressions d’alimentation et lepouvoir calorifique du combustible, pour le contrôle du rapport air-gaz defonctionnement du brûleur, le contrôle du rapport air-gaz de fonctionnement du brûleur effectué en bouclefermée à partir de la mesure de ΙΌ2 résiduel dans les fumées validée par lescalculs des débits, un système de calcul du Va du gaz pour vérifier si celui-ci est conforme à celuifourni par le système de contrôle/commande centralisé et déclencher unealerte s’il y a une différente allant au-delà d’un seuil défini, le pilotage des phases d’ouverture et de fermeture combinée des vannes air etgaz réalisé en temps réel en chaque point de cette séquence d’ouverture oude fermeture de sorte de conserver le rapport air/gaz souhaité, la vérification périodique de l’étanchéité des vannes de gaz avec mise ensécurité du brûleur si le test n’est pas validé.As we have seen, the electronic control module according to the inventioncomprises in an optimized embodiment: the security functions according to the state of the art and the impositions of the existing standards, the piloting of the operation of one or more two burners with closed loop regulation of the openings of the air and gas supply valves, these loops operating in an air / gas ratio which depends on the value of oxygen desired in the humid fumes at any point in the operating cycle (ignition, stabilized operation, extinguishing), whether burners operate in all-or-nothing mode or proportional mode, taking into account data on air and gas characteristics, including compositions, temperatures, supply pressures and heating value of the fuel, for the control of the air-gas ratio of the burner operation, the control of the air-gas ratio of the burner operation eff in closed loop from the measurement of residual ΙΌ2 in flue gas validated by flow calculations, a system for calculating the gas Va to check if it complies with that provided by the centralized control / command system and to trigger a warning. there is a different going beyond a defined threshold, the control of the combined opening and closing phases of the air and gas valves realized in real time at each point of this opening or closing sequence so as to preserve the desired air / gas ratio, the periodic verification of the tightness of the gas valves with burner safety if the test is not validated.
Claims (4)
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