Communication présentée au 3e Congrès International de l’I.O.I. à Paris, le 4 mai 1977.
Communication présentée au 3e Congrès International de l’I.O.I. à Paris, le 4 mai 1977.
par P. FONTALIRANT, Directeur-Général des Services Techniques de la Ville de Nantes, M. PARÉ, Ingénieur C.N.A.M., Chef du Service Appareils et Asservissements, Société Degrémont, J. GUIBLAIS, Ingénieur C.N.A.M., Société Degrémont.
RÉSUMÉ
L’usine de Nantes-la-Roche est conçue pour traiter un débit journalier maximal de 280 000 m³ d’eau. L’installation d’ozone est capable, avec une production de 30 kg d’ozone à l’heure, d’assurer un taux de traitement supérieur à 2,5 g/m³. Cette installation est équipée d’un dispositif de régulation automatique dont le rôle est de maintenir, à la sortie de chambres de contact, un taux d’ozone résiduel constant. La variation de la production d’ozone est obtenue en agissant sur la tension de fonctionnement des ozoneurs, ainsi que sur la vitesse de surpresseurs d’air.
Le nécessaire temps de contact que doit avoir l’air ozoné avec l’eau à traiter fait que le processus possède une grande constante de temps, laquelle est variable avec le débit d’eau à ozoner. Un tel système peut être traité à l’aide d’un régulateur à action intégrale, la correction du taux de traitement se faisant de manière échantillonnée. L’ozone résiduel dans l’eau est mesuré en continu par un analyseur ampérométrique. La valeur de mesure est comparée en permanence à une valeur de consigne prédéterminée. Un signal d’erreur est ainsi élaboré, qui entre dans la détermination, à une fréquence d’échantillonnage T, d’un nouveau taux de traitement T₁, tel que T₁ = T₀ + ke.
Les paramètres k et T, caractéristiques du régulateur, sont étudiés et leurs valeurs optimales sont déterminées.
Le régulateur est du type « à grandeur perturbatrice », en ce qu’il prend directement en compte la mesure Qₜ du débit d’eau à traiter, élaborant à chaque instant le produit Qₘ = Qₜ x₁, représentatif de la quantité d’ozone à produire. En outre, les variations du débit Qₜ modifiant la constante de temps du processus, sa valeur affecte directement la fréquence T d’échantillonnage.
L’installation disposant de six unités de production d’ozone électriquement autonomes (trois ozoneurs doubles), un dispositif électronique à seuils définit le nombre d’appareils à mettre en service pour produire la quantité d’ozone demandée, le système étant tel que chacun des appareils en fonctionnement produise une quantité identique d’ozone, égale à Qₘ/ₙ.
Un système identique simplifié permet la mise en service d’un nombre quelconque m de surpresseurs parmi les trois dont est équipée l’installation, leur vitesse étant régulée de manière à assurer la production d’ozone demandée à une concentration constante.
INTRODUCTION
Ces dernières années ont vu la construction d’installations de traitement de l'eau par l'ozone de plus en plus importantes. Ces installations mettent en jeu des énergies considérables, et les responsables de leur conception, de même que ceux qui sont en charge de leur exploitation, doivent se donner les moyens d’ajuster au mieux la production de l’ozone, dans le but d’assurer le meilleur traitement possible dans les conditions de rendement énergétique optimal. La régulation de la production, en fonction des différents paramètres qui peuvent perturber le fonctionnement de l’installation, doit être soigneusement étudiée.
L’USINE DE NANTES-LA-ROCHE
L'usine de Nantes-la-Roche, dont le schéma du poste d’ozonation est donné figure 1, est conçue pour assurer le traitement de 280 000 mètres cubes d’eau par jour. Après une floculation-décantation suivie d’une filtration, la désinfection finale est assurée par l'ozone.
Le taux de traitement maximal devant être supérieur à 2,5 g/m³ au débit maximal de l'installation, la quantité d’ozone à produire est de 30 kg à l'heure.
Trois ozoneurs Degrémont, du type à diélectriques cylindriques horizontaux, ont été prévus, chacun étant capable d’une production de 10 kg/h d’ozone. Pour assurer une plus grande souplesse et une plus grande fiabilité à l'installation, chaque ozoneur se comporte en fait comme deux demi-ozoneurs, électriquement indépendants. La quantité d’ozone produite étant, entre autres choses, fonction de la tension appliquée aux ozoneurs, le réglage de la production s'obtient par action sur six auto-transformateurs variables, lesquels déterminent une haute tension appliquée à chaque demi-ozoneur, variant dans un rapport de 1 à 2.
Les ozoneurs sont alimentés, au travers de deux lignes de séchage comprenant chacune un groupe frigorifique et un sécheur à adsorption, par trois surpresseurs.
Un paramètre important, parce qu’ayant une influence sur le traitement et sur la production, est la concentration de l'ozone dans l'air. Deux possibilités étaient offertes qui consistaient, soit à déterminer une concentration maximale correspondant à la production nominale de l'installation, soit à choisir une concentration qui serait maintenue constante à tous les régimes de fonctionnement. Dans le premier cas, le débit d’air est constant et la concentration diminue lorsque la puissance fournie aux ozoneurs est réduite. Dans le second cas, le débit d’air est variable et doit être asservi au paramètre de contrôle des ozoneurs.
Dans le souci de garder constantes les conditions de dissolution de l’ozone dans l'eau, mais aussi dans un souci de meilleur rendement énergétique global de l'installation, la seconde solution a été choisie, nécessitant l'emploi de trois surpresseurs à vitesse variable.
La dissolution de l’ozone dans l'eau à traiter se fait dans trois chambres de contact ayant une hauteur d’eau d’environ 4 mètres, au moyen de diffuseurs poreux élaborant des bulles très fines. L’eau à traiter circule en parallèle dans ces trois chambres, chacune d’entre elles étant elle-même divisée en deux demi-chambres, de telle manière que la mise en contact de l'eau et de l’ozone se fasse à contre-courant.
La mesure de l'ozone résiduel est effectuée à la sortie de chacune des chambres au moyen d'un appareil automatique de mesure ampérométrique. L'indication donnée par l'un des analyseurs est prise en compte par le système de régulation.
Au débit nominal de l'installation, le temps de séjour de l'eau dans une chambre double est d’environ 10 minutes. On conçoit que le système à réguler va posséder une constante de temps importante, laquelle d'ailleurs sera variable avec le débit à traiter qui peut lui-même varier dans un rapport de 1 à 10.
LA CHAÎNE DE RÉGULATION
Paramètres caractéristiques
L’ensemble du processus de traitement de l'eau par l’ozone peut être caractérisé par un certain nombre de paramètres, dont les principaux, appliqués à un demi-ozoneur, sont les suivants :
P = la puissance consommée par l'appareil, Vₕ = la haute tension qui lui est appliquée, Qₐ = le débit d’air traversant l'appareil, Qₒ = le débit-masse d’ozone produit, dépendant des paramètres précédents, Qₑ = le débit d'eau à ozoner, Qₒ/Qₑ = le taux de traitement appliqué à l’eau à traiter, C = le taux d’ozone résiduel dans l'eau à la fin du traitement, τₚ = la constante de temps du processus, dépendant du temps de mise en contact de l'eau et de l’ozone.
Structure de la régulation
La grandeur que l'on doit régler est évidemment le taux d’ozone résiduel C.
Puisqu’il a été choisi de fonctionner à concentration d’air constante, et donc à débit d’air variable, les grandeurs de commande sont au nombre de deux :
- la tension Vₚ, appliquée à chaque demi-ozoneur, et déterminant la puissance P fournie,
- le débit d’air Qₐ traversant l’appareil.
Les autres caractéristiques sont des paramètres perturbateurs, dont le plus important, conditionnant la structure du régulateur, est le temps de mise en contact et la grande constante de temps θ du processus.
Le débit Qₑ, d’eau à traiter, qui conditionne directement la production d’ozone, est lui aussi un paramètre perturbateur important, mais, étant connu par une mesure directe, il est directement pris en compte par le régulateur dans lequel il entre en tant qu’élément multiplicateur.
La prise en compte de ce paramètre fait que le régulateur réalisé est dit « à grandeur perturbatrice ».
Description de la chaîne de régulation
La chaîne de régulation apparaissant sur la figure 2 est du type « multivariable ». Le régulateur détermine d’une part le débit Qₒ d’ozone que doit fournir l’installation, et d’autre part le débit Qₐ d’air traversant les ozoneurs.
La mesure d’ozone résiduel, issue de l’un quelconque des analyseurs ampérométriques, est comparée en permanence à une valeur de consigne prédéterminée. L’écart e entre ces deux grandeurs est pris en compte par le régulateur. Ce dernier reçoit également, ainsi qu’il a été dit, la mesure Qₑ du débit d’eau à traiter.
L’installation devant assurer une production totale de 30 kg d’ozone à l’heure, chaque demi-ozoneur est capable d’une production maximale de 5 kg/h. Il a été choisi de faire fonctionner les ozoneurs « en cascade » et un système automatique détermine le nombre et l’ordre des demi-ozoneurs à mettre en service, et régule la tension appliquée à chacun d’eux.
Fonctionnement de la chaîne de régulation
Le rôle du régulateur est de déterminer le débit masse d’ozone Qₒ à produire à concentration constante, afin d’obtenir un taux d’ozone résiduel constant, égal à la valeur de consigne γᵣ.
En première approximation, le débit masse d’ozone Qₒ est proportionnel au débit Qₑ d’eau à traiter.
On a donc éliminé le paramètre Qₑ en tant que perturbateur, le régulateur n’ayant à élaborer que le taux de traitement τᵣ. Une simple multiplication de τᵣ par Qₑ permet de déterminer Qₒ.
L’information Qₑ étant prise à l’entrée de la station, sous forme d’un nombre de pompes en service, et donc assez loin des chambres de contact, la prise en compte de Qₑ ne doit pas être instantanée. Il est en effet nécessaire de tenir compte de l’effet de tampon de tous les ouvrages hydrauliques (décanteurs, filtres, etc.) afin d’éviter une sur-ozonation momentanée lorsque le débit d’exhaure croît, ou une sous-ozonation lorsqu’il décroît. Le signal représentatif de Qₑ a donc été affecté d’une constante de temps égale à celle de l’installation.
Fonctionnement du régulateur
L’élaboration du taux d’ozone produit τᵣ est réalisée de la façon suivante. Si, à un instant donné, le système est tel que l’écart entre le taux d’ozone résiduel et sa consigne soit nul, on a e = 0 et τᵣ = τᵣ₀.
Si la demande en ozone de l’eau se modifie, une variation du taux résiduel d’ozone e apparaît, avec un retard dû au temps de séjour de l’eau dans les chambres de contact et à la constante de temps du processus.
Cette variation e est affectée d’un signe positif ou négatif selon les cas. Le taux de traitement doit être diminué si e > 0 et augmenté si e < 0, jusqu’à obtenir de nouveau e = 0.
On voit immédiatement que, puisque l’on veut atteindre une erreur nulle, un simple régulateur proportionnel ne peut convenir dans notre cas. Il est nécessaire d’introduire une action intégrale, mais, compte tenu de la grande constante de temps du processus, il n’est pas possible d’employer une régulation de type classique qui entraînerait à coup sûr des « pompages », et la correction du taux de traitement τᵣ n’est pas faite en continu, mais de façon échantillonnée.
En prenant comme hypothèse qu’une variation Δτᵣ du taux de traitement peut être considérée comme proportionnelle à une variation Δe du taux d’ozone résiduel, on élabore, à un instant déterminé, un taux de traitement tel que τᵣ = τᵣ₀ + k e. Cette modification entraîne une variation du taux d’ozone résiduel e, qui tend à le ramener à sa valeur de consigne γᵣ. Mais cette évolution n’est pas instantanée, et il est nécessaire d’attendre un certain temps avant de constater l’effet sur e apporté par la modification de τᵣ, puis d’en entreprendre une nouvelle modification.
Ces variations de τᵣ sont réalisées à des intervalles de temps T, et T est appelé période de scrutation ou d’échantillonnage.
La détermination de τᵣ est réalisée à l’aide d’un ensemble de deux mémoires analogiques, l’une prenant en compte la valeur τᵣ₀, l’autre la valeur τᵣ = τᵣ₀ + k e, au moment de la scrutation. À la fin de chaque période de scrutation, la première mémoire prend la nouvelle valeur τᵣ du taux de traitement, laissant disponible la seconde pour un nouvel échantillonnage.
On conçoit que la période d’échantillonnage doit être modifiée si la constante de temps θ du système se modifie. Or cette constante de temps est fonction d’une part du débit Qₑ d’eau à traiter, et d’autre part du nombre de chambres de contact en parallèle. T est en conséquence asservie à Qₑ et au nombre N de chambres de contact en service.
Détermination des paramètres k et T
Il a été vu que, au moment d’un échantillonnage, le nouveau taux de traitement prend la valeur τᵣ = τᵣ₀ + k e dans laquelle τᵣ₀ est le taux de traitement existant avant l’échantillonnage.
On peut encore écrire : τᵣ − τᵣ₀ = k (εₑ − εᵣ),
d’où
k = (τᵣ − τᵣ₀) / (εₑ − εᵣ) = Δτᵣ / Δε.
k apparaît donc comme un gain de proportionnalité reliant la variation du taux de traitement à l’écart entre la mesure du taux d’ozone résiduel et sa valeur de consigne.
On peut alors déterminer la valeur ky de k qui permet d’annuler l'erreur ε en une seule modification du taux de traitement τp :
τp₂ = τp₁ + k₀ (τc - τ₁) ⇒ τc - τᵣ = 0
Cependant, après modification du taux de traitement, le temps de contact dans les chambres fait que l'erreur ε ne peut s’annuler instantanément. Puisque le processus présente une constante de temps θ, l'erreur n'est virtuellement nulle qu’au bout d’un temps égal à 5θ.
La détermination des paramètres k₀ et θ est aisément réalisable en procédant de la façon suivante :
L’installation fonctionnant à un taux de traitement τp₁, on neutralise la régulation et on mesure le taux d’ozone résiduel τᵣ₁.
À l’instant t₁, on fait subir un accroissement Δτp au taux de traitement et on enregistre la variation de τᵣ. Celui-ci atteint une valeur limite τᵣ₂ au bout d’un temps t₂ ≥ 5θ.
Δτp
On obtient alors k₀ = ————
τᵣ₂ - τᵣ₁
Sur l'enregistrement de τᵣ, on détermine le point où
τᵣ = τᵣ₁ + 0,63 (τᵣ₂ - τᵣ₁)
Cette valeur de τᵣ correspond au temps t = t₁ + θ, d’où la connaissance de θ.
Cette façon de procéder, traduite par la figure 3, permet d’identifier le processus.
Les caractéristiques du régulateur étant définies par les paramètres k et T, il faut maintenant chercher à obtenir le réglage optimal. Sur la figure 4 apparaissent les réponses de la régulation à un échelon de consigne, c’est-à-dire lorsque l’on fait brutalement varier la consigne d’ozone résiduel, et ce pour différentes valeurs de k et de T.
On voit que l'on aura par exemple intérêt à choisir le couple [k = ky, T = θ] plutôt que le couple [k = ky, T = 5θ], puisque dans le premier cas le temps de réponse du système est environ moitié de celui du second, avec un dépassement inférieur à 20 % de l’écart initial.
Disposant maintenant d'un signal représentatif du taux de traitement τp à appliquer à l'installation, la prise en compte de l'information de débit Qₒ permet de définir la production d’ozone Qᵧ = εₐQₒ.
Détermination du débit d’air Qₒ
La quantité Qᵧ d’ozone produite par un ozoneur est fonction de la puissance absorbée, mais aussi de la concentration de l’ozone dans l’air. Afin d’éliminer, en ce qui concerne la régulation, ce paramètre qui influe sur les conditions de dissolution dans les chambres de contact, donc sur leur rendement et par conséquent sur k₀, il a été choisi de produire un air ozoné à concentration constante.
c = Qᵧ / Qₒ = constante
Le débit d’air a donc été asservi à la production d’ozone. La chaîne de régulation comprend ainsi deux boucles :
1) asservissement à Qᵧ de la tension Vₐ appliquée à chaque demi-ozoneur, 2) asservissement à Qᵧ du débit d’air Qₒ fourni par les surpresseurs.
Régulation des ozoneurs
Le rendement d'un ozoneur n’est pas constant. Il décroît en effet quelque peu lorsque la tension qui lui est appliquée augmente.
La recherche du meilleur rendement énergétique conduit donc à travailler avec le plus grand nombre possible d’appareils fonctionnant à la plus basse tension possible. Cette disposition accroît en outre la fiabilité de l'ensemble.
La boucle de régulation des ozoneurs doit donc permettre non seulement de maintenir V₁ à une valeur constante, mais encore de déterminer automatiquement le nombre des ozoneurs à mettre en service et travaillant à une même tension V₁.
Détermination du nombre des ozoneurs
La quantité d'ozone à produire Q₀ est comparée en permanence à 5 points de consigne S₁, S₂, S₃, S₄ et S₅ tels que :
S₁ = S₂/2 = S₃/3 = S₄/4 = S₅/5
Ces points de consigne sont réglables et on peut avoir par exemple, S₁ = 4 kg/h, alors que la production maximale d'un demi-ozoneur est égale à 5 kg/h.
Si 0 < Q₀ < S₁, le système demande 1 demi-ozoneur,
Si S₁ < Q₀ < S₂, le système demande 2 demi-ozoneurs, et ainsi de suite jusqu’à Q₀ > S₅, où 6 demi-ozoneurs sont demandés.
Tous les demi-ozoneurs sont identifiés par un numéro d'ordre, de 1 à 6, et le premier appareil démarrant, dit « ozoneur pilote », peut être l'un quelconque d’entre eux. Le deuxième appareil sera le suivant dans l'ordre pré-établi. Ainsi, si l'ozoneur pilote est, par exemple, l'appareil n° 4, l'ordre de mise en service sera, 4-5-6-1-2-3.
Si, parce que l'appareil demandé a été volontairement mis à l'arrêt, ou s'il ne peut démarrer par suite d'un défaut, la régulation détecte cet état et demande automatiquement la mise en service de l'appareil suivant et ce jusqu’à trouver un appareil apte à démarrer.
Dans le cas où, dans l'exemple choisi, la quantité d’ozone à fournir est supérieure à 24 kg/h, ou si un ou plusieurs appareils sont indisponibles, la régulation permet le dépassement des seuils fixés, et les appareils en fonctionnement produisent chacun une quantité identique d'ozone comprise entre 4 et 5 kg/h.
Ces dispositions ont été prises dans le but de faire fonctionner ensemble le plus grand nombre d’ozoneurs dans les meilleures conditions de rendement énergétique.
Dès que le nième ozoneur est démarré, la quantité d'ozone à produire Q₀ est divisée par le nombre n d'appareils en service. La production unitaire d'un demi-ozoneur est alors déterminée :
Q₀ = Q₀/n = Q₀₁/n
Les analyseurs en continu de la concentration d'ozone dans l'air ne présentant pas une fiabilité suffisante, le paramètre Q₂ est peu facile à mesurer. Toutefois, la relation reliant Q₀ à V₁, la concentration c = Q₀/Q₂ constante, et dans des conditions données de siccité de l'air, de température d'eau et de propreté de l'appareil, est connue pour un ozonateur déterminé.
V₂ ⇔ V₁
Un générateur de loi permet alors de déterminer la tension V₂ en fonction de la production unitaire demandée à un appareil. C'est à l'aide de ce signal V₂ que l'on pilote les auto-transformateurs de réglage de la tension primaire de chaque demi-ozoneur en service.
Régulation des surpresseurs
La régulation du débit d'air Q₁ est faite dans le même esprit que celle de la tension V₁. À partir de la production d’ozone Q₀, on détermine le débit d'air Q₁ nécessaire pour maintenir la concentration c à une valeur constante. Le débit Q₁ est obtenu d'une part en agissant sur la vitesse v des surpresseurs, et d'autre part en modifiant le nombre des surpresseurs en service.
Le débit Q₁ est comparé à 2 points de consigne déterminant le nombre m de surpresseurs nécessaires, dont l'ordre d'appel est déterminé, dans les mêmes conditions que pour les ozoneurs, par la présélection d'un « surpresseur pilote ». On calcule alors le débit d'air unitaire q₁ = Q₁/m et un générateur de loi, représentatif de la relation v₁ ⇔ q₁, élabore le signal v₁ qui pilote les moteurs des surpresseurs.
Initialisation du système
Au démarrage de l'installation, et compte non tenu des impératifs de traitement, on pourrait partir d'un taux de traitement nul et laisser le régulateur trouver automatiquement le bon taux τ₀. Il est cependant plus judicieux de déterminer ce taux, même grossièrement, et de commencer le traitement à cette valeur. La mise en régime est ainsi beaucoup plus rapide, et on évite le risque d'un sous-traitement prolongé.
La possibilité est donc offerte d'initialiser le système en introduisant une valeur τ₁ dans la mémoire du régulateur.
Lors d'un arrêt de l'installation, et pour les mêmes raisons que ci-dessus, le dernier taux de traitement est gardé en mémoire afin de permettre un redémarrage à un taux dont la valeur est certainement plus proche du taux réel qu’un taux de traitement nul.
CONCLUSION
Au cours de cette brève présentation d'un appareillage relativement complexe, il n'était pas possible, et sans doute pas utile, d’entrer dans le détail de chaque élément constitutif. La régulation des processus à grande constante de temps, et singulièrement la régulation de la production d’ozone, pose un problème assez difficile qui a trouvé ici sa solution dans l'emploi du système décrit.
Deux années d'exploitation ont montré que l'investissement supplémentaire entraîné par cet appareillage trouvait sa justification dans la grande souplesse d'emploi, la rigueur du traitement et le fonctionnement aux conditions optimales de rendement énergétique.
Évidemment perfectible, cette réalisation a permis l'étude ultérieure de systèmes simplifiés destinés à équiper des unités de plus petite capacité. Elle permettra également de satisfaire aux théories selon lesquelles il est nécessaire, pour obtenir une action virulicide fiable, de maintenir un taux d'ozone résiduel constant pendant un certain temps dans un deuxième compartiment, après que l’on ait répondu à la demande chimique en ozone de l'eau dans un premier. Il suffira, dans ce cas, de prendre en compte deux mesures d’ozone résiduel par deux régulateurs, lesquels détermineront des taux de traitement différents dans chaque compartiment. Lorsque les installations ne disposeront que d'une seule source d'ozone, il conviendra de compléter le système par une régulation de débit de gaz, afin de répartir convenablement l'ozone dans chacun des compartiments.
P. FONTALIRANT – M. PARÉ – J. GUIBLAIS.
