[PDF] Solutions pour améliorer la performance des procédés cimentiers

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Solutions pour améliorer

la performance des procédés cimentiers

Extrait de la Revue ABB 2/2007

L'industrie cimentière est grosse consommatrice d'énergie thermi- que et électrique dont les coûts au niveau mondial sont en constante augmentation. Ces récentes années, les cimentiers ont fait d'impor- tants efforts pour réduire cette consommation et alléger les coûts de production avec des équipements moins énergivores ainsi que des combustibles et des matières premières de substitution. Cette évolution a créé des contraintes qui doivent être maîtrisées pour satisfaire aux exigences de qualité et de productivité. Pour accroître la performance opérationnelle d'une cimenterie, dans les limites de ces contraintes changeantes, l'industriel doit trouver le bouquet énergéti- que au meilleur prix, acheter l'énergie électrique au moment opportun et réduire ses consommations. Cet article présente un certain nombre de solutions et d'outils lui permettant d'atteindre ses objectifs de production. O ptimiser la performance globale d'une cimenterie appelle une stratégie d'automatisation intégrée : réduction de la facture énergétique de tous les postes, recherche du point de fonctionnement optimal au vu des objectifs de productivité et de qualité, maîtrise des émissions polluantes.

Pour aider les cimentiers à réaliser

leurs objectifs, ABB a développé l'outil Knowledge Manager qui collecte les informations et données utilisées par le système Expert Optimizer servant à modéliser le procédé et à optimiser en permanence le mode d'exploitation de l'usine.

La réduction de la facture

énergétique de tous les

postes doit aller de pair avec la recherche du point de fonctionnement opti- mal au vu des objectifs de productivité et de qualité.

Les variateurs de vitesse font

la chasse au gaspi

Dans une cimenterie, le four, le pré-

chauffeur, les broyeurs et les filtres sont équipés de gros ventilateurs d'extraction. Le refroidisseur à grille est, quant à lui, doté de ventilateurs de soufflage plus petits qui abaissent la température du clinker chaud en sortie du four 1 . Les débits d'air de tous ces ventilateurs doivent être régulés en fonction des conditions atmosphériques, des contraintes d'exploitation et des besoins de refroi- dissement, la méthode de régulation mise en oeuvre ayant un fort impact sur les coûts de fonctionnement.

Ainsi, par exemple, la régulation par

action mécanique (registres) avec un moteur tournant à vitesse constante est la solution la plus énergivore alors qu'un ventilateur commandé par un variateur de vitesse offre la meilleure efficacité énergétique. Plus précisé- ment, selon le débit requis, la consom- mation énergétique d'un ventilateur tournant à vitesse variable peut être inférieure de 70 % à celle d'un ventila- teur tournant à vitesse fixe 2

Les ventilateurs constituent un formi-

dable levier d'économie d'énergie du fait de la nature quadratique de la charge. En régime normal, les gros ventilateurs consomment environ 90 % du débit nominal, ce qui représente encore un potentiel d'économie de

20 %. De nos jours, les ventilateurs

des nouvelles usines sont en général commandés en vitesse variable.

Le remplacement du parc existant

laisse augurer d'énormes gisements d'économie d'énergie, tout particuliè- rement en ce qui concerne les ventila- teurs des refroidisseurs.

Multidrive, solution optimisée pour les

refroidisseurs à grille

Près de 10 % de l'énergie électrique

nécessaire pour produire une tonne de clinker sert à son refroidissement ; le choix du système d'entraînement du refroidisseur nécessite donc une ré- flexion rigoureuse. Sur ce plan, le sys- tème Multidrive d'ABB, souvent perçu comme une solution optimisée, offre tous les avantages de la variation de vitesse sans la plupart des inconvénients - économiquement parlant - des varia- teurs single drive qui regroupent dans une même enveloppe un redresseur, un bus c.c. et un onduleur. Contrairement

à ces derniers, Multidrive produit la

tension continue requise dans une " uni- té centrale » qui alimente un bus c.c. commun auquel sont raccordés les dif- férents onduleurs fonctionnant de ma- nière indépendante 3 . Cette architectu- re permet de conserver toutes les fonc- tionnalités des single drives avec des convertisseurs pouvant être de puissan- ce et de taille différentes.

La solution Multidrive présente plu-

sieurs atouts, notamment :

Réduction du câblage avec un point

de raccordement unique des diffé- rents convertisseurs ;

Récupération de l'énergie de frei-

nage d'un moteur par les autres moteurs en fonction du type de refroidisseur à grille ;

Gain de place ;

Suppression de l'appareillage basse

tension utilisé par les variateurs single drives les registres et les moteurs en démarrage direct sur le réseau qui sont remplacés ; 1 Schéma de fabrication du clinker illustrant les étapes de préchauffage, de cuisson et de refroidissement avec les signaux d'entrée et de sortie d'un système Expert Optimizer

Température gaz d'échappement

Pression préchauffage

Température préchauffage

Vitesses

alimentation cru

Vitesse

ventilateur soufflageDébits combustible précalcination

Vitesse four

Couple fourTempérature

zone de cuissonTempérature air secondaire

Débits combustible

primaireTempérature

évacuation

refroidisseur

Température

clinker

Débits d'air

ventilateur refroidisseurVitesses grille refroidisseurPression sous la grille

Débit d'air

refroidisseurMesures admission four O 2 CO NO SO 2 CO 2 2

Courbes comparées consommation

énergétique/débit d'air de la régulation par registres et par vitesse variable

Consommation énergétique [%]

120
100
80
60
40
20 0

Plage de fonctionnement

Régulation par registres

Vitesse variable

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100

Débit d"air [%]

Atténuation économique des harmo-

niques par un redresseur actif ou, au moins, un redresseur en couplage dodécaphasé ;

Tous les avantages d'un variateur

single drive sont conservés.

Gestion énergétique avec

Knowledge Manager

Knowledge Manager (KM) est une so-

lution avancée de collecte, gestion et diffusion des informations de produc- tion, de qualité et de consommation d'énergie de l'ensemble de l'usine. Ces informations sont disponibles en ligne sous forme de bilans, de courbes de tendance et de graphiques. Tous les indicateurs clés de performance du procédé sont calculés et affichés sur une même page. De plus, si l'opéra- teur désire maximiser la production en même temps que la consommation des différents combustibles, KM four- nit les informations indispensables à une analyse de ce qu'il est possible de faire et de ce qui ne l'est pas.

Le système KM peut être adapté et

enrichi pour répondre aux besoins spécifiques de chaque entreprise et fait partie de la suite applicative Inform IT d'ABB. Il simplifie considérablement la gestion de la production de ciment avec les fonctionnalités suivantes :

Suivi et bilan de production

Suivi et bilan des opérations du

procédé

Gestion des stocks de matières

Bilan énergétique et des rejets

polluants

Avec KM, il n"a jamais été aussi simple

d"identifier l"incidence des paramètres de production sur la qualité des pro- duits, les capacités productives, la consommation d"énergie et le niveau des émissions. Il combine les données de production, la variabilité des procé- dés, les indices énergétiques et les para- mètres de qualité en temps réel pour

élaborer des bilans et des tendances

complets et utiles permettant d"exploiter au mieux les ressources énergétiques, les équipements productifs, les stocks et les capacités de production.

Basé sur le système d'opti-

misation LINKman, Expert

Optimizer associe la com-

mande à base de règles avec des techniques mo- dernes comme les réseaux neuronaux, la logique floue et la commande prédictive par modèle (MPC).

L'intégration avec les systèmes ERP (ex.,

SAP) est indispensable pour faire re-

monter les données de production de l'atelier et assurer la jonction avec les données de gestion. Ici, KM joue le rôle d'intermédiaire entre, d'une part, la conduite temps réel et son environne- ment de production et, d'autre part, les systèmes ERP transactionnels.

La consommation énergétique a un im-

pact direct sur les coûts de production.

Chaque opération consommant une

quantité donnée d'énergie, KM suit la consommation en fonction des matières utilisées ou produites 4 . Disposant de la bonne information au bon moment, au bon endroit et au bon format, les décisions cadrent mieux avec les objectifs de l'entrepri- se, engendrant des gains de producti- vité et optimisant les procédés.

Economies d'énergie thermique avec

Expert Optimizer

La fabrication du ciment est un procé-

dé complexe et gourmand en énergie.

Une étape importante est la transfor-

mation des minerais (CaCO 3 , argile et/ ou calcaire) en clinker dans le four de cuisson. Une cimenterie type récupère les gaz brûlés du four pour préchauf- fer le cru avant de l'enfourner. Au fur et à mesure de la montée en tempéra- ture de la zone de cuisson (jusqu'à environ 1500 °C), les minerais fondent partiellement et réagissent pour for- mer le clinker qui deviendra ensuite du ciment. De faibles quantités de gypse (CaSO 4 ) sont ajoutées et le mé- lange est finement broyé en poudre.

Traditionnellement, on s'en remet à

l'expérience d'un " cuiseur » qui agit sur les commandes du four, interprétant constamment les conditions réelles d'exploitation pour ajuster fréquemment les valeurs de consigne. En plus d'être coûteuse, cette opération est rendue dif- ficile par des réactions complexes, des retards et des interactions entre les diffé- rentes variables qui font que l'industriel adopte une approche prudente dans le pilotage de son four, avec des tempéra- tures supérieures à l'optimum et, donc, une surconsommation énergétique.

Expert Optimizer est fondé sur le sys-

tème d'optimisation LINKman, outil 4 Bilan énergétique total (thermique et électrique) avec indicateurs d'énergie 3

Configuration d'un système Multidrive

Ligne MT

Bus c.c. commun

très réussi et apprécié pour ses per- formances. Il associe la commande à base de règles avec des techniques modernes comme les réseaux neuro- naux, la logique floue et la commande prédictive par modèle (MPC)

Encadré.

Expert Optimizer améliore les techni-

ques traditionnelles de commande en interprétant constamment l'état réel du four et en enclenchant les actions ap- propriées. Les différents signaux d'en-quotesdbs_dbs12.pdfusesText_18

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