EP4153990A1 - Méthode de calcul d'un flux d'au moins un premier gaz émis par une source dans l'atmosphère, utilisant un deuxième gaz traceur, procédé, système et nécessaire associés - Google Patents

Méthode de calcul d'un flux d'au moins un premier gaz émis par une source dans l'atmosphère, utilisant un deuxième gaz traceur, procédé, système et nécessaire associés

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Publication number
EP4153990A1
EP4153990A1 EP21727828.2A EP21727828A EP4153990A1 EP 4153990 A1 EP4153990 A1 EP 4153990A1 EP 21727828 A EP21727828 A EP 21727828A EP 4153990 A1 EP4153990 A1 EP 4153990A1
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EP
European Patent Office
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gas
source
contents
trajectory
representative
Prior art date
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Pending
Application number
EP21727828.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Ludovic DONNAT
Olivier DUCLAUX
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Reims Champagne Ardenne URCA
TotalEnergies Onetech SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Reims Champagne Ardenne URCA
TotalEnergies Onetech SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Reims Champagne Ardenne URCA, TotalEnergies Onetech SAS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4153990A1 publication Critical patent/EP4153990A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/30—Prediction of properties of chemical compounds, compositions or mixtures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D47/00—Equipment not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/10—Rotorcrafts
    • B64U10/13—Flying platforms
    • B64U10/14—Flying platforms with four distinct rotor axes, e.g. quadcopters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0062—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the measuring method or the display, e.g. intermittent measurement or digital display
    • G01N33/0068—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the measuring method or the display, e.g. intermittent measurement or digital display using a computer specifically programmed
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2101/00—UAVs specially adapted for particular uses or applications
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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    • B64U2101/00—UAVs specially adapted for particular uses or applications
    • B64U2101/35—UAVs specially adapted for particular uses or applications for science, e.g. meteorology

Definitions

  • TITLE Method for calculating a flow of at least a first gas emitted by a source into the atmosphere, using a second tracer gas, associated process, system and necessary
  • the present invention relates to a method for calculating a flow of at least a first gas emitted by a source into the atmosphere, implemented by a calculation system, comprising the following steps:
  • the first gas is notably a greenhouse gas emitted by the source during a chemical reaction.
  • the chemical reaction is, for example, a combustion reaction of a flow of methane producing in particular carbon dioxide.
  • the first gas whose flow is calculated is, for example, residual methane that has not undergone combustion.
  • greenhouse gases are emitted during the exploitation, transport, refining and deposition of hydrocarbons. These emissions are monitored by the operators and are regularly subject to reduction measures.
  • emissions are very difficult to measure, because they are often not channeled, and potentially near ponds or lakes or in inaccessible places, for example at height or in the middle of a unit.
  • a major difficulty in assessing emissions from a point source within an installation is often the difficulty, or even the impossibility, of getting as close as possible to the source to measure the flow of gas emitted by the source into the atmosphere. .
  • the concentration of some gases emitted is low in the atmosphere, especially when it comes to combustion residues. It is therefore often difficult to measure sufficiently precisely, and then to quantify the flow of gas emitted, given the measurement inaccuracies.
  • monitoring the quantity of gases emitted by the source at a low concentration is often useful, in particular to meet regulatory obligations, for safety reasons and / and to optimize the operation of the installation.
  • An aim of the invention is therefore to have a method making it possible to calculate the flow of at least a first gas emitted by a source, in particular when the first gas has a reduced concentration in the atmosphere, the method being simple to use. implement, while being precise.
  • the invention relates to a method of the aforementioned type, characterized by the following steps:
  • the method according to the invention may include one or more of the following characteristics, taken alone or in any technically possible combination:
  • the correlation coefficient is a constant representative of a ratio between the first gas contents along the trajectory and the second gas contents along the trajectory;
  • the calculation of the correlation coefficient comprises the integration of the first representative data along at least part of the trajectory to obtain a first integrated aggregate grade, the integration of the second representative data along at least a second part of the trajectory to obtain a second integrated aggregate grade, the correlation coefficient being calculated from the first integrated grade and the second integrated aggregate grade ;
  • the trajectory comprises a plurality of parallel lines
  • the calculation of the flow of the first gas emitted by the source is also carried out on the basis of the ratio between the molar mass of the first gas and the molar mass of the second gas;
  • the emissions of the first gas and of the second gas from the source result from a chemical reaction, in particular from combustion, the measured or calculated flow of the second gas being calculated by a material balance of the chemical reaction, in particular by a combustion balance;
  • the second gas is produced by the chemical reaction, a third gas being produced jointly with the second gas by the chemical reaction, the method comprising obtaining third data representative of third gas contents, the measured or calculated flow of the second gas being calculated taking into account the third representative data;
  • the second gas is carbon dioxide
  • the first gas is methane, benzene, or / and a volatile organic compound
  • the subject of the invention is also a method for measuring emissions from a source into the atmosphere, comprising the following steps:
  • the method according to the invention may include one or more of the following characteristics, taken alone or in any technically possible combination:
  • It includes a preliminary step of determining a wind direction and / or a configuration of an emission plume downstream from the source, the flight of the drone being carried out according to the predetermined plume configuration.
  • the subject of the invention is also a system for calculating a flow of at least a first gas emitted by a source into the atmosphere, comprising:
  • a module for obtaining data suitable for obtaining first data representative of the contents of a first gas, measured in the atmosphere away from the source, following a trajectory
  • the system being characterized in that the module d 'obtaining data is suitable for obtaining second data representative of the contents of a second tracer gas emitted by the source together with the first gas, the second representative data being measured in the atmosphere away from the source, following the trajectory
  • the system comprising:
  • - a module for calculating a flow of the first gas emitted by the source, on the basis of the measured or calculated flow of the second gas emitted by the source and the correlation coefficient.
  • the subject of the invention is also a kit for measuring emissions from a source into the atmosphere, comprising:
  • a drone able to fly in the atmosphere away from the source following a trajectory; the drone being able to measure along the trajectory, first data representative of contents of at least one first gas emitted by the source and second data representative of contents of at least one second tracer gas emitted by the source together with the first gas ; a calculation system as defined above, suitable for receiving the first and second representative data measured by the drone.
  • Figure 1 is a schematic view of a first emission measurement kit according to the invention.
  • Figure 2 is a view of a gas source within an installation, and of the plume emitted by the gas source.
  • Figure 3 is a detailed view of the plume resulting from emission from the source under established wind conditions
  • FIG. 4 is a view of the flight plan implemented by the drone of the kit of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a view of the measurements of the contents of at least a first gas, carried out on a horizontal line during the implementation of the flight plan of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a view of the measurements of the contents of at least one second tracer gas, carried out on a horizontal line during the implementation of the flight plan of FIG. 4;
  • Figure 7 is a view similar to Figure 3, in the case of emission in low wind conditions.
  • a kit 10 for measuring emissions of at least a first gas emitted from a source into the atmosphere, using a second tracer gas is schematically illustrated in FIG. 1.
  • the kit 10 is intended to carry out a measurement method. emissions from an industrial installation 12, shown schematically in Figure 2.
  • the installation 12 comprises at least one source 14 emitting the first gas, the content of which is measured and emitting the second tracer gas.
  • the first gas is preferably a gas having lower emissions than the second tracer gas.
  • the first gas and the second gas are for example emitted jointly by the source 14, as resulting from a chemical reaction, in particular from a combustion reaction.
  • the second gas is a product of a chemical reaction using the first gas as a reactant.
  • the first gas is then a residual reactant which has not reacted during the implementation of the chemical reaction producing the second gas.
  • the source 14 is a torch implementing a combustion of a flow of methane, which constitutes the first gas.
  • the second tracer gas is carbon dioxide produced by the combustion of methane within the torch.
  • gases are measurable, such as aromatic gases, in particular benzene or even 1,3 butadiene, carbon monoxide, ethane and more generally Volatile Organic Compounds.
  • the industrial installation 12 is in particular an oil installation, in particular an installation for the exploitation, transport, refining, treatment or deposit of hydrocarbons located at sea or on land.
  • the source 14 emits gases in a plume 16 which emerges from the source 14 and which propagates under the effect of the wind V.
  • the plume 16 is driven by the wind V circulating in the atmosphere in the vicinity of the source 14. It advantageously has a zone 18 of elevation of the plume 16 which is substantially vertical and a zone 20 of propagation of the plume, which in this example is substantially horizontal. .
  • the average first gas content in plume 16 is lower than the average second gas content in plume 16, for example by at least a factor of 10, or even at least a factor of 100.
  • the measurement kit 10 comprises a drone 22 for collecting data representative of the contents of the first gas and of the second gas, at a plurality of positions in the atmosphere, away from the source 14, following a given trajectory 23, an example of which is given in FIG. 4.
  • the kit 10 further comprises a calculation system 24, suitable for implementing a method for calculating a flow of the first gas emitted by the source 14 into the atmosphere, from data representative of the contents of the first gas and in second gas in the atmosphere, measured by the drone 22 along the trajectory 23.
  • the drone 22 is suitable for carrying out the measurements necessary for collecting data representative of the contents of the first gas and of the second gas present in the plume 16, away from the source 14. It comprises a frame 30, a propulsion assembly. 32, suitable for allowing the take-off of the frame 30 above and away from the ground and its displacement in flight in the atmosphere above the ground.
  • the drone 22 further comprises a measurement assembly 34, an assembly 36 for controlling the measurement assembly 34 and preferably a remote transmission system 38.
  • the propulsion unit 32 comprises a plurality of propulsion members 32A, which here are propellers driven in rotation by a motor.
  • the propulsion assembly 32 further comprises a power source 32B formed here by a battery and a system 33 for locating and controlling the movement of the drone 22 in the atmosphere.
  • the drone 22 is a multi-rotor rotary-wing drone. It has no wings, its lift being provided by the power package 32.
  • the drone 22 is for example a rotary wing quadricopter drone, in particular a DJI M200 drone marketed by the DJI company.
  • the propulsion assembly 32 includes a plurality of propellers rotating about substantially vertical axes.
  • substantially vertical is generally meant that the axes of rotation of the propellers are inclined by less than 30 ° relative to the vertical.
  • the propeller motors When the propeller motors are electrically powered by the battery, the propellers are rotated around their axis, causing a downward flow of air.
  • the location and control system 33 comprises a position sensor, in particular a GPS and / or an inertial unit. It further comprises a control unit, suitable for controlling the movement of the drone 22 along the trajectory 23, pre-recorded before the flight and loaded into the system 33, or in a remote and manual manner via a remote remote control.
  • the drone 22 is thus able to automatically follow the predefined trajectory 23, or alternatively, to be piloted manually by an operator, in order to achieve the predefined trajectory 23 established in a flight plan.
  • the drone 22 is suitable for carrying out a trajectory 23 following a movement in a creeping scale, as illustrated in FIG. 4.
  • the drone 22 moves along a plurality of lines 50 parallel to a first direction D1, with a connection segment 52 between each pair of adjacent parallel lines 50.
  • the connection segment 52 takes place in a second direction D2 transverse to the first direction D1.
  • first direction D1 is a horizontal direction and the second direction D2 is a vertical direction.
  • all the parallel lines 50 scanned by the drone 22 extend substantially in the same vertical measurement plane Pm.
  • the extent E1 of the lines 50 following the first direction D1 is chosen according to the width of the plume 16, to sweep the entire plume 16. This extent E1 is generally greater than 20 m and is between 20 m and 500 m.
  • the distance between the lines 50 is defined by an extent E2 of the connection segments 52 along the second direction.
  • This extent E2 is for example greater than 1 m and in particular between 1 m and 50 m.
  • the measuring assembly 34 includes sensors suitable for carrying out measurements of data representative of the contents of the first gas and of the second gas present in the atmosphere, at a plurality of points along each line 50.
  • data representative of the first gas and second gas contents are collected by the measuring unit 34 along each line 50.
  • the measurements are carried out continuously along line 50.
  • the frequency of measurement of data representative of each gas content is for example greater than 1 Hz and is in particular between 1 Hz and 100 Hz.
  • the control system 33 comprises a data collection unit which comprises at least one memory capable of storing the data representative of each content of each gas, associated with the geographical position along each line 50.
  • the data collection unit is connected to the remote transmission system 38 to allow the export of data to the computing system 24, during the flight of the drone or after the flight of the drone.
  • the computing system 24 is located here on the ground. It comprises at least one computer 60 and a man-machine interface comprising a control member 62 such as a keyboard, a mouse and / or a touch screen, the man-machine interface also comprising a display 64, in particular a screen.
  • a control member 62 such as a keyboard, a mouse and / or a touch screen
  • the man-machine interface also comprising a display 64, in particular a screen.
  • the computer 60 comprises in a known manner at least one processor 66 and a memory 68 comprising software modules suitable for being executed by the processor 66 in order to perform functions.
  • the computer 60 comprises programmable logic components or dedicated integrated circuits, intended to perform the functions of the modules which will be described below.
  • the memory 68 contains a module 70 for obtaining and initial processing of first data representative of contents T 1 of first gas and of second data representative of contents T2 of second gas, along each line 50 of the trajectory 23.
  • the memory 68 also contains a module 72 for calculating a correlation coefficient C between the contents T1 in the first gas and the contents T2 in the second gas, from the first representative data and the second representative data.
  • the memory 68 also contains a module 74 for obtaining a measured or calculated flow Q2 of second gas emitted by the source 14 and a module 76 for calculating a flow Q1 of first gas emitted by the source, on the basis of the measured or calculated flux Q2 obtained by the obtaining module 74 and the correlation coefficient C.
  • the obtaining and processing module 70 is suitable for receiving the first data representative of contents T1 of the first gas and the second data. representative of T2 second gas contents, along each line 50, as measured by the drone 22 at each measurement point, associated with the geographic position X of the measurement point along line 50, each line 50 constituting a part of the path 23.
  • a curve 71 of first gas contents T1 as a function of a first X coordinate along line 50 in direction D1 is thus obtained, as illustrated in FIG. 5.
  • a curve 75 of second gas contents T2 as a function of a first X coordinate along line 50 in direction D1 is thus obtained, as illustrated in FIG. 6.
  • the obtaining and processing module 70 is also able to optionally filter the contents obtained.
  • the obtaining and processing module 70 is suitable for detecting peaks 71 A, 75A of content on each curve 71, 75 on the basis of a predetermined threshold S of occurrence of a peak, then in removing the peaks 71 A, 75A observed from the curve obtained to obtain a curve of background values as a function of the first X coordinate.
  • the obtaining and processing module 70 is suitable for implementing an iterative algorithm in which the average value of the contents along line 50 is calculated, then in which all the contents are located above the mean value are deleted from the curve 71, 75 then in repeating the steps of calculating the mean value and of subtracting the contents lying above the mean value until a convergence criterion is reached.
  • the convergence criterion is for example that the difference between the successive average values between two iterations is less than a predetermined value, for example less than 10%.
  • a continuous background is determined and is subtracted from the curve 71, 75 representing the contents T as a function of the position X on each line 50.
  • TGI 2 T2 ⁇ X) dX
  • the background value curve is subtracted from the content curve 70, before integration.
  • integrated overall contents TGI1 (Z), TGI2 (Z) corresponding to each gas are obtained.
  • the calculation module 72 is also able to calculate, for each line 50 in which a measurement has taken place, corresponding to a Z coordinate along the second direction D2, the ratio R (Z) of the overall integrated content TGI1 (Z) in first gas on the integrated global content TGI2 (Z) in second gas.
  • the calculation module 72 is also able to calculate the correlation coefficient C as being equal to the average, preferably arithmetic, of the ratios of contents R (Z) obtained on each line 50 defining part of the trajectory 23.
  • the coefficient of correlation C thus corresponds to the average ratio of the contents of the first gas to the contents of second gas on each of the parts of the path 23.
  • the module 74 for obtaining a measured or calculated flow of the second gas emitted by the source is suitable for obtaining or calculating a flow Q2 of second gas emitted by the source. 14 either from a measurement of the flow of second gas at the level of the source 14, or preferably, from a calculation of the emission of the second gas by the source, when the source 14 emits the second gas during 'a chemical reaction.
  • the calculation is preferably carried out by material balance, on the basis of the streams of reagents supplied to carry out the chemical reaction, assuming a predetermined yield of the chemical reaction.
  • the chemical reaction is combustion.
  • the second gas is then carbon dioxide emitted by the source during combustion.
  • a combustion balance is then carried out according to the feed flows in the installation 12 to carry out the combustion, taking into account a predefined combustion efficiency.
  • the combustion balance is achieved by neglecting the emissions of other gases produced by the reaction than the second gas, in particular the carbon monoxide emissions in the case where the second gas is carbon dioxide.
  • the material balance calculation is performed directly by the obtaining module 74, or is loaded from an external calculation system 77.
  • the material balance in particular the combustion balance, is carried out using a spreadsheet from a computer spreadsheet, on the basis of the molar composition and the flows (volume or mass) of reagents introduced into the reactor allow the reaction to be carried out.
  • a mass flow Q2 of the second measured or calculated gas is thus obtained using the obtaining module 74.
  • the module 76 for calculating the flow of first gas emitted Q1 by the source is able to calculate the mass flow Q1 of the first gas emitted by the source, as a function of the mass flow Q2 measured or calculated by the module for obtaining 74, from the report from the molar mass M1 of the first gas to the molar mass M2 of the second gas, and from the correlation coefficient C determined by the calculation module 72, from the measurements of the contents of the first gas and of the second gas carried out by the drone 22.
  • the flow of the first gas emitted by the source Q1 is obtained by the following equation:
  • the drone 22 moves along a plurality of lines 50 parallel to a first direction D1, constituting parts of the path 23, with a connection segment 52 between each pair of adjacent parallel lines 50, the connection segment 52 taking place in a second direction D2 transverse to the first direction D1.
  • the first data representative of T1 contents in the first gas and the second data representative of T2 contents in the second gas are collected by the measuring unit 34 along each line 50.
  • the measurements are carried out continuously along line 50.
  • the memory of the data collection unit stores data representative of each content T1, T2 in each gas, associated with the geographic position X along each line 50.
  • the remote transmission system 38 exports data to the computing system 24 on the ground.
  • the obtaining and processing module 70 receives the first data representative of first gas contents T1 and the second data representative of T2 second gas contents, along each line 50, as measured by the drone 22 at each point of measurement, associated with the geographic position X of the measurement point along the line 50, each line 50 constituting a part of the trajectory 23.
  • the obtaining and processing module 70 optionally filters the contents obtained for example according to the first method or the second method described above.
  • the integration module 72 integrates each curve 71, 75 representing the contents of each gas along each line 50, along the first direction D1, over the entire width of the line 50 to obtain an integrated overall content TG11, TGI2 on each line 50, by the following equations: Xmax
  • TGI 1 Tl (X) dX
  • TGI 2 T2 (X) dX
  • X min and X max are the geographic coordinates characterizing the boundaries of the plumes defined along the E1 extent of the plume parallel to the first direction D1.
  • the integral of the curve of the background values is also calculated and is subtracted from the previous integral.
  • the curve of background values is subtracted from the curve
  • the calculation module 72 calculates, for each line 50 in which a measurement has taken place, corresponding to a Z coordinate along the second direction D2, the ratio R (Z) of the overall integrated content TGI1 (Z) in the first gas on the overall integrated content TGI2 (Z) of second gas.
  • the calculation module 72 then calculates the correlation coefficient C as being equal to the average, preferably arithmetic, of the ratios of contents R (Z) obtained on each line 50 defining part of the trajectory 23.
  • the module 74 for obtaining a measured or calculated flow of the second gas emitted by the source then obtains or calculates a flow Q2 of second gas emitted by the source 14 either at from a measurement of the flow of the second gas at the level of the source 14, or preferably from a calculation of the emission of the second gas by the source, when the source 14 emits the second gas during a chemical reaction , as described above.
  • the calculation module 76 of the flow of first gas emitted Q1 by the source calculates the mass flow Q1 of the first gas emitted by the source, as a function of the mass flow Q2 measured or calculated by the obtaining module 74, from the ratio of the molar mass M1 of the first gas to the molar mass M2 of the second gas, and of the correlation coefficient C determined by the calculation module 72, from the measurements of the contents of the first gas and of the second gas carried out by the drone 22.
  • the flow of the first gas emitted by the source Q1 is obtained by the following equation:
  • this calculation is optionally repeated for a plurality of flights of the drone 22, each corresponding to a separate measurement campaign carried out during the emission of the source 14, then the flow of first gas Q1 emitted by the source 14 is averaged over all the flights performed.
  • the measurement method according to the invention is therefore particularly simple to implement, since it requires a simple campaign of measurements using a drone 22 flying directly in the plume 16, away from the source 14. .
  • the above table illustrates the methane contents emitted by a source 14 constituted by a torch in an oil installation.
  • the total flow of flare gas and the flow of methane make it possible to calculate the flow Q2 of carbon dioxide by carrying out a combustion balance.
  • the method according to the invention is used to measure a correlation coefficient C between methane and carbon dioxide, which is used to determine the flow Q1 of methane emitted from the flow Q2 of carbon dioxide calculated by material balance. This makes it possible to determine, from an average flow rate of flared methane of 0.23 tonnes / hour, a quantity of residual methane equal to 0.7 g / h and therefore an efficiency of 99% from the point of view of destruction. methane.
  • the method according to the invention is suitable for being implemented in the vicinity of various industrial installations 12, even if these installations are inaccessible or / and require safety precautions.
  • the measurements can be carried out inexpensively and frequently, which makes it possible in particular to monitor the evolution of the emissions generated by the source 14, and to ensure that they are under control or that they are reduced.
  • the plume 16 has a vertical configuration and the measurement plane Pm is a horizontal plane.
  • the first direction D1 is then a horizontal direction, and the second direction D2 is a horizontal direction perpendicular to the first direction D1.
  • the measurement method including the measurement method, remains similar to those described above.
  • the measurement method according to the invention comprises an initial step of determining the conformation characteristics of the plume 16, for example by measuring the wind rose applying to the source 14 at the time of the measurement campaign.
  • the carbon monoxide contents are measured in the plume 16, by the drone 22.
  • a correlation coefficient C (i) is calculated for each part of trajectory 23, for example for each line 50. Then, a flow Q1 (i) of first emitted gas corresponding to each part of trajectory 23, in particular at each line 50 is obtained by the following equation:
  • the flow Q1 of the first gas emitted by the source is stable over time, it is then possible to average, in particular by an arithmetic mean, the flows Q1 (i) of the first gas emitted corresponding to each part of trajectory 23, in particular to each line 50, to obtain an average Q1 flow.
  • the flow Q1 of the first gas changes over time, it is possible to follow the change in the flow Q1 over time by following the different flows Q1 (i) obtained over time for successive parts of trajectory 23 or for successive flights.
  • the trajectory followed by the drone 22 is different from the trajectory shown.
  • the path comprises a plurality of curvilinear and non-rectilinear (for example in an arc of a circle) lines parallel to each other connected by connection segments.
  • the trajectory followed by the drone 22 comprises, for example, a snail trajectory, or even a zigzag trajectory making it possible to cut the plume in different sections which may or may not be perpendicular to its main direction.
  • the method according to the invention is particularly effective for determining the residual methane flow present in the plume 16 from a source 14 consisting of a torch, in which the combustion of a methane flow is carried out.
  • a source 14 consisting of a torch
  • the combustion of a methane flow is carried out.
  • the second gas is carbon dioxide produced by the combustion of methane in the torch
  • the flow of which in the plume 16 is preferably calculated by a combustion balance established on the basis of the flow of methane supplied to the flare. torch.

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Abstract

La méthode comporte les étapes suivantes : - obtention de premières données représentatives de teneurs en premier gaz, et de deuxièmes données représentatives de teneurs en un deuxième gaz traceur émis par la source (14) conjointement avec le premier gaz, - calcul d'au moins un coefficient de corrélation entre les teneurs en premier gaz et les teneurs en deuxième gaz à partir des premières données représentatives et des deuxièmes données représentatives; - obtention d'un flux mesuré ou calculé de deuxième gaz émis par la source (14); - calcul d'un flux de premier gaz émis par la source (14), sur la base du flux mesuré ou calculé de deuxième gaz émis par la source (14) et du coefficient de corrélation.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Méthode de calcul d’un flux d’au moins un premier gaz émis par une source dans l’atmosphère, utilisant un deuxième gaz traceur, procédé, système et nécessaire associés
La présente invention concerne une méthode de calcul d’un flux d’au moins un premier gaz émis par une source dans l’atmosphère, mis en œuvre par un système de calcul, comprenant les étapes suivantes :
- obtention de premières données représentatives de teneurs en premier gaz, mesurées dans l’atmosphère à l’écart de la source, suivant une trajectoire.
Le premier gaz est notamment un gaz à effet de serre émis par la source lors d’une réaction chimique. La réaction chimique est par exemple une réaction de combustion d’un flux de méthane produisant notamment du dioxyde de carbone. Le premier gaz dont le flux est calculé est par exemple le méthane résiduel n’ayant pas subi de combustion.
Les préoccupations sur la protection de l’environnement ont contribué au renforcement de la législation sur les émissions polluantes, notamment en Europe.
De ce fait, les unités industrielles, telles que celles présentes dans l’industrie pétrolière ou chimique doivent s’adapter à des contraintes environnementales de plus en plus exigeantes.
En particulier, des gaz à effet de serre sont émis lors d’opérations d’exploitation, de transport, de raffinage, et de dépôt des hydrocarbures. Ces émissions sont suivies par les exploitants et font régulièrement l’objet de mesures de réduction.
Il est en particulier nécessaire de caractériser quelles sont les sources de gaz à effet de serre et quelles sont les quantités émises par ces sources pour s’assurer de leur contrôle et reporter les progrès effectués.
Toutefois, l’identification des sources d’émission de gaz à effet de serre et la quantification des émissions diffuses et fugitives ne donnent pas entière satisfaction.
En effet, les émissions sont très difficiles à mesurer, car souvent non canalisées, et potentiellement près de bassins ou de lacs ou à des endroits inaccessibles, par exemple en hauteur ou en milieu d’unité. Une difficulté majeure pour évaluer les émissions d’une source ponctuelle au sein d’une installation est souvent la difficulté, voire l’impossibilité de se rendre au plus près de la source pour mesurer le flux de gaz émis par la source dans l’atmosphère.
En outre, la concentration de certains gaz émis est faible dans l’atmosphère, notamment lorsqu’il s’agit de résidus de combustion. Il est donc souvent difficile de mesurer de manière suffisamment précise, et ensuite de quantifier le flux de gaz émis, compte tenu des imprécisions de mesure.
Néanmoins, le suivi de la quantité des gaz émis par la source à une faible concentration est souvent utile, notamment pour répondre aux obligations réglementaires, pour des raisons de sécurité ou/et pour optimiser le fonctionnement de l’installation.
Un but de l’invention est donc de disposer d’une méthode permettant de calculer le flux d’au moins un premier gaz émis par une source, notamment lorsque le premier gaz présente une concentration réduite dans l’atmosphère, la méthode étant simple à mettre en œuvre, tout en étant précise.
A cet effet, l’invention a pour objet une méthode du type précité, caractérisée par les étapes suivantes :
- obtention de deuxièmes données représentatives de teneurs en un deuxième gaz traceur émis par la source conjointement avec le premier gaz, les deuxièmes données représentatives étant mesurées dans l’atmosphère à l’écart de la source, suivant la trajectoire,
- calcul d’au moins un coefficient de corrélation entre les teneurs en premier gaz et les teneurs en deuxième gaz à partir des premières données représentatives et des deuxièmes données représentatives ;
- obtention d’un flux mesuré ou calculé de deuxième gaz émis par la source ;
- calcul d’un flux de premier gaz émis par la source, sur la base du flux mesuré ou calculé de deuxième gaz émis par la source et du coefficient de corrélation.
La méthode selon l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- le coefficient de corrélation est une constante représentative d’un rapport entre les teneurs en premier gaz le long de la trajectoire et les teneurs en deuxième gaz le long de la trajectoire ;
- le calcul du coefficient de corrélation comporte l’intégration des premières données représentatives le long d’au moins une partie de la trajectoire pour obtenir une première teneur globale intégrée, l’intégration des deuxièmes données représentatives le long d’au moins une deuxième partie de la trajectoire pour obtenir une deuxième teneur globale intégrée, le coefficient de corrélation étant calculé à partir de la première teneur intégrée et la deuxième teneur globale intégrée ;
- elle comprend l’intégration des premières données représentatives sur une pluralité de parties de trajectoire pour obtenir une première teneur globale intégrée correspondant à chaque partie de trajectoire, puis l’intégration des deuxièmes données représentatives sur la même pluralité de parties de trajectoire, le calcul pour chaque partie de trajectoire, d’un rapport de teneurs entre la première teneur globale intégrée et la deuxième teneur globale intégrée sur la partie de trajectoire, le coefficient de corrélation étant calculé comme la moyenne des rapports de teneurs calculés ;
- la trajectoire comprend une pluralité de lignes parallèles ;
- le calcul du flux de premier gaz émis par la source est effectué en outre sur la base du rapport entre la masse molaire du premier gaz et la masse molaire du deuxième gaz ;
- les émissions de premier gaz et de deuxième gaz issues de la source résultent d’une réaction chimique, en particulier d’une combustion, le flux mesuré ou calculé de deuxième gaz étant calculé par un bilan de matière de la réaction chimique, en particulier par un bilan de combustion ;
- le deuxième gaz est produit par la réaction chimique, un troisième gaz étant produit conjointement avec le deuxième gaz par la réaction chimique, le procédé comprenant l’obtention de troisièmes données représentatives de teneurs en troisième gaz, le flux mesuré ou calculé de deuxième gaz étant calculé en tenant compte des troisièmes données représentatives ;
- le deuxième gaz est le dioxyde de carbone ;
- le premier gaz est le méthane, le benzène, ou/et un composé organique volatile ;
- le flux est calculé par l’équation Q1 = C x M1/M2 x Q2, où C est le coefficient de corrélation, M1 est la masse molaire du premier gaz, M2 est la masse molaire du deuxième gaz, et Q2 est le flux mesuré ou calculé du deuxième gaz émis par la source.
L’invention a également pour objet un procédé de mesure des émissions d’une source dans l’atmosphère, comprenant les étapes suivantes :
- collecte de premières données représentatives de teneurs en au moins un premier gaz dans l’atmosphère à l’écart de la source par un drone suivant une trajectoire ;
- collecte conjointe par le drone de deuxièmes données représentatives de teneurs en un deuxième gaz traceur émis par la source conjointement avec le premier gaz, suivant la même trajectoire ; - transfert des premières et deuxièmes données représentatives collectées à un système de calcul ;
- mise en œuvre par le système de calcul de la méthode de calcul telle que définie plus haut.
Le procédé selon l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- il comprend une étape préalable de détermination d’une direction du vent et/ou d’une configuration d’un panache d’émission en aval de la source, le vol du drone étant effectué en fonction de la configuration de panache prédéterminée.
L’invention a également pour objet un système de calcul d’un flux d’au moins un premier gaz émis par une source dans l’atmosphère, comprenant :
- un module d’obtention de données, propre à obtenir des premières données représentatives de teneurs en un premier gaz, mesurées dans l’atmosphère à l’écart de la source, suivant une trajectoire, le système étant caractérisé en ce que le module d’obtention de données est propre à obtenir des deuxièmes données représentatives de teneurs en un deuxième gaz traceur émis par la source conjointement avec le premier gaz, les deuxièmes données représentatives étant mesurées dans l’atmosphère à l’écart de la source, suivant la trajectoire, le système comportant :
- un module de calcul d’au moins un coefficient de corrélation entre les teneurs en premier gaz et les teneurs en deuxième gaz à partir des premières données représentatives et des deuxièmes données représentatives ;
- un module d’obtention d’un flux mesuré ou calculé de deuxième gaz émis par la source ;
- un module de calcul d’un flux de premier gaz émis par la source, sur la base du flux mesuré ou calculé de deuxième gaz émis par la source et du coefficient de corrélation.
L’invention a aussi pour objet un nécessaire de mesure des émissions d’une source dans l’atmosphère, comportant :
- un drone, apte à voler dans l’atmosphère à l’écart de la source suivant une trajectoire ; le drone étant apte à mesurer le long de la trajectoire, des premières données représentatives de teneurs en au moins un premier gaz émis par la source et des deuxièmes données représentatives de teneurs en au moins un deuxième gaz traceur émis par la source conjointement au premier gaz ; - un système de calcul tel que défini plus haut, propre à recevoir les premières et deuxièmes données représentatives mesurées par le drone.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
- [Fig. 1] la figure 1 est une vue schématique d’un premier nécessaire de mesure d’émissions selon l’invention ;
- [Fig. 2] la figure 2 est une vue d’une source de gaz au sein d’une installation, et du panache émis par la source de gaz.
- [Fig. 3] la figure 3 est une vue détaillée du panache résultant de l’émission par la source dans des conditions de vent établi ;
- [Fig. 4] la figure 4 est une vue du plan de vol mis en œuvre par le drone du nécessaire de la figure 1 ;
- [Fig. 5] la figure 5 est une vue des mesures de teneurs en au moins un premier gaz, réalisées sur une ligne horizontale lors de la mise en œuvre du plan de vol de la figure 4 ;
- [Fig. 6] la figure 6 est une vue des mesures de teneurs en au moins un deuxième gaz traceur, réalisées sur une ligne horizontale lors de la mise en œuvre du plan de vol de la figure 4 ;
- [Fig. 7] la figure 7 est une vue analogue à la figure 3, dans le cas d’une émission à faibles conditions de vent.
Un nécessaire 10 de mesure d’émissions d’au moins un premier gaz émis par une source dans l’atmosphère, utilisant un deuxième gaz traceur est illustré schématiquement sur la figure 1. Le nécessaire 10 est destiné à mettre en œuvre un procédé de mesure d’émissions d’une installation 12 industrielle, représentée schématiquement sur la figure 2.
L’installation 12 comporte au moins une source 14 émettant le premier gaz dont la teneur est mesurée et émettant le deuxième gaz traceur.
Le premier gaz est de préférence un gaz présentant des émissions plus faibles que le deuxième gaz traceur.
Le premier gaz et le deuxième gaz sont par exemple émis conjointement par la source 14, comme résultant d’une réaction chimique, en particulier d’une réaction de combustion. Par exemple, le deuxième gaz est un produit d’une réaction chimique utilisant le premier gaz comme réactif. Le premier gaz est alors un réactif résiduel n’ayant pas réagi lors de la mise en œuvre de la réaction chimique produisant le deuxième gaz.
Avantageusement, comme illustré sur la figure 3, la source 14 est une torche mettant en œuvre une combustion d’un flux de méthane, qui constitue le premier gaz. Le deuxième gaz traceur est le dioxyde de carbone produit par la combustion du méthane au sein de la torche.
Dans des variantes, d’autres gaz sont mesurables, tel que les gaz aromatiques, notamment le benzène ou encore le 1,3 Butadiène, le monoxyde de carbone, l’éthane et plus généralement les Composés Organiques Volatils.
L’installation industrielle 12 est notamment une installation pétrolière, en particulier une installation d’exploitation, de transport, de raffinage, de traitement ou de dépôt d’hydrocarbures située en mer ou à terre.
Dans l’exemple représenté sur la figure 3, la source 14 émet des gaz suivant un panache 16 qui se dégage à partir de la source 14 et qui se propage sous l’effet du vent V.
Le panache 16 est entraîné par le vent V circulant dans l’atmosphère au voisinage de la source 14. Il présente avantageusement une zone 18 de surélévation du panache 16 sensiblement verticale et une zone 20 de propagation du panache, qui dans cet exemple est sensiblement horizontale.
Dans l’exemple de la figure 7, dans le cas où le vent V est plus faible, la zone de propagation 18 est plus haute et la zone de propagation 20 s’étend de manière inclinée par rapport à l’horizontale.
La teneur moyenne en premier gaz dans le panache 16 est inférieure à la teneur moyenne en deuxième gaz dans le panache 16, par exemple d’au moins un facteur 10, voire d’au moins un facteur 100.
En référence à la figure 1 , pour mettre en œuvre le procédé de mesure, le nécessaire de mesure 10 comporte un drone 22 de collecte de données représentatives de teneurs en premier gaz et en deuxième gaz, à une pluralité de positions dans l’atmosphère, à l’écart de la source 14, en suivant une trajectoire donnée 23, dont un exemple est donné sur la figure 4. Le nécessaire 10 comprend en outre un système de calcul 24, propre à mettre en œuvre une méthode de calcul d’un flux du premier gaz émis par la source 14 dans l’atmosphère, à partir des données représentatives de teneurs en premier gaz et en deuxième gaz dans l’atmosphère, mesurées par le drone 22 le long de la trajectoire 23.
Le drone 22 est propre à réaliser les mesures nécessaires à la collecte de données représentatives des teneurs en premier gaz et en deuxième gaz présents dans le panache 16, à l’écart de la source 14. Il comporte un châssis 30, un ensemble de propulsion 32, propre à permettre le décollage du châssis 30 au-dessus et à l’écart du sol et son déplacement en vol dans l’atmosphère au-dessus du sol.
Le drone 22 comporte en outre un ensemble de mesure 34, un ensemble 36 de commande de l’ensemble de mesure 34 et de préférence, un système de télétransmission 38.
En référence à la figure 1 , l’ensemble de propulsion 32 comporte une pluralité d’organes de propulsion 32A, qui sont ici des hélices entraînées en rotation par un moteur.
L’ensemble de propulsion 32 comporte en outre une source d’énergie 32B formée ici par une batterie et un système 33 de localisation et de commande du déplacement du drone 22 dans l’atmosphère.
Dans cet exemple, le drone 22 est un drone multi rotor à voilure tournante. Il est dépourvu d’ailes, sa portance étant assurée par l’ensemble de propulsion 32.
Le drone 22 est par exemple un drone quadricoptère à voilure tournante, notamment un drone DJI M200 commercialisé par la société DJI.
L’ensemble de propulsion 32 comporte une pluralité d’hélices rotatives autour d’axes sensiblement verticaux. Par « sensiblement verticaux », on entend généralement que les axes de rotation des hélices sont inclinés de moins de 30° par rapport à la verticale.
Lorsque les moteurs des hélices sont alimentés électriquement par la batterie, les hélices sont entraînées en rotation autour de leur axe, entraînant un flux d’air descendant.
Le système de localisation et de commande 33 comporte un capteur de position, notamment un GPS et/ou une centrale inertielle. Il comprend en outre une unité de commande, propre à piloter le déplacement du drone 22 le long de la trajectoire 23, pré enregistrée avant le vol et chargée dans le système 33, ou de manière déportée et manuelle via une télécommande déportée. Le drone 22 est ainsi propre à suivre automatiquement la trajectoire prédéfinie 23, ou alternativement, à être piloté manuellement par un opérateur, pour réaliser la trajectoire prédéfinie 23 établie dans un plan de vol.
De préférence, pour la mise en œuvre du procédé de mesure, le drone 22 est propre à effectuer une trajectoire 23 suivant un déplacement en échelle rampante, telle qu’illustré par la figure 4.
Le drone 22 se déplace suivant une pluralité de lignes 50 parallèles à une première direction D1 , avec un segment de connexion 52 entre chaque paire de lignes parallèles 50 adjacentes. Le segment de connexion 52 s’effectue suivant une deuxième direction D2 transverse à la première direction D1 .
Ici, la première direction D1 est une direction horizontale et la deuxième direction D2 est une direction verticale.
Dans cet exemple, toutes les lignes parallèles 50 balayées par le drone 22 s’étendent sensiblement dans un même plan Pm de mesure vertical.
L’étendue E1 des lignes 50 suivant la première direction D1 est choisie en fonction de la largeur du panache 16, pour balayer tout le panache 16. Cette étendue E1 est généralement supérieure à 20 m et est comprise entre 20 m et 500 m.
La distance entre les lignes 50 est définie par une étendue E2 des segments de connexion 52 suivant la deuxième direction. Cette étendue E2 est par exemple supérieure à 1 m et notamment compris entre 1 m et 50 m.
L’ensemble de mesure 34 comporte des capteurs propres à réaliser des mesures de données représentatives des teneurs en premier gaz et en deuxième gaz présents dans l’atmosphère, en une pluralité de points le long de chaque ligne 50.
De préférence, les données représentatives des teneurs en premier gaz et en deuxième gaz sont collectées par l’ensemble de mesure 34 le long de chaque ligne 50.
Les mesures sont réalisées en continu le long de la ligne 50. La fréquence de mesure de données représentatives en chaque teneur en gaz est par exemple supérieure à 1 Hz et est notamment comprise 1 Hz et 100 Hz.
Un exemple d’ensemble de mesure 34 est décrit dans la demande n° 20 03027 de la Demanderesse, déposée le 27 mars 2020 à l’Institut National de la Propriété Industrielle en France, dont le titre est « Drone de mesure de données représentatives de teneurs en au moins deux gaz présents dans l’atmosphère à l’écart du sol et procédé de mesure associé ».
Le système de commande 33 comporte une unité de recueil de données qui comprend au moins une mémoire propre à stocker les données représentatives de chaque teneur en chaque gaz, associée à la position géographique le long de chaque ligne 50.
L’unité de recueil de données est raccordée au système de télétransmission 38 pour permettre l’export des données vers le système de calcul 24, lors du vol du drone ou après le vol du drone.
Le système de calcul 24 est ici situé au sol. Il comporte au moins un calculateur 60 et une interface homme machine comprenant un organe de commande 62 tel qu’un clavier, une souris et/ou un écran tactile, l’interface homme machine comportant aussi un afficheur 64, en particulier un écran.
Le calculateur 60 comprend de manière connue au moins un processeur 66 et une mémoire 68 comportant des modules logiciels propres à être exécutés par le processeur 66 pour réaliser des fonctions. En variante, le calculateur 60 comporte des composants logiques programmables ou des circuits intégrés dédiés, destinés à réaliser les fonctions des modules qui seront décrits ci-après.
En référence à la figure 1, la mémoire 68 contient un module 70 d’obtention et de traitement initial de premières données représentatives de teneurs T 1 en premier gaz et de deuxièmes données représentatives de teneurs T2 en deuxième gaz, le long de chaque ligne 50 de la trajectoire 23.
La mémoire 68 contient en outre un module 72 de calcul d’un coefficient de corrélation C entre les teneurs T1 en premier gaz et les teneurs T2 en deuxième gaz, à partir des premières données représentatives et des deuxièmes données représentatives.
La mémoire 68 contient également un module d’obtention 74 d’un flux Q2 mesuré ou calculé de deuxième gaz émis par la source 14 et un module 76 de calcul d’un flux Q1 de premier gaz émis par la source, sur la base du flux mesuré ou calculé Q2 obtenu par le module d’obtention 74 et du coefficient de corrélation C.
Le module d’obtention et de traitement 70 est propre à recevoir les premières données représentatives de teneurs T1 en premier gaz et les deuxièmes données représentatives de teneurs T2 en deuxième gaz, le long de chaque ligne 50, telles que mesurées par le drone 22 à chaque point de mesure, associées à la position géographique X du point de mesure le long de la ligne 50, chaque ligne 50 constituant une partie de la trajectoire 23.
Il est propre à transformer les données représentatives mesurées, en teneurs T1 , T2 en chacun des gaz, à chaque point de mesure X sur chaque ligne 50, sur la base d’une courbe de calibration associée à chaque gaz.
Une courbe 71 de teneurs T1 en premier gaz en fonction d’une première coordonnée X le long de la ligne 50 suivant la direction D1 est ainsi obtenue, comme illustré sur la figure 5.
Une courbe 75 de teneurs T2 en deuxième gaz en fonction d’une première coordonnée X le long de la ligne 50 suivant la direction D1 est ainsi obtenue, comme illustré sur la figure 6.
Le module d’obtention et de traitement 70 est en outre propre à éventuellement filtrer les teneurs obtenues.
Selon une première méthode, le module d’obtention et de traitement 70 est propre à détecter des pics 71 A, 75A de teneur sur chaque courbe 71 , 75 sur la base d’un seuil S prédéterminé d’occurrence d’un pic, puis à supprimer les pics 71 A, 75A observés de la courbe obtenue pour obtenir une courbe de valeurs de fond en fonction de la première coordonnée X.
Dans une variante, le module d’obtention et de traitement 70 est propre à mettre en œuvre un algorithme itératif dans lequel la valeur moyenne des teneurs le long de la ligne 50 est calculée, puis dans lequel toutes les teneurs se situant au-dessus de la valeur moyenne sont supprimées de la courbe 71 , 75 puis à répéter les étapes de calcul de la valeur moyenne et de soustraction des teneurs se situant au-dessus de la valeur moyenne jusqu’à ce qu’un critère de convergence soit atteint.
Le critère de convergence est par exemple que la différence entre les valeurs moyennes successives entre deux itérations soit inférieure à une valeur prédéterminée par exemple inférieure à 10%.
Ainsi, un fond continu est déterminé et est soustrait de la courbe 71 , 75 représentant les teneurs T en fonction de la position X sur chaque ligne 50. Le module de calcul 72 est propre à intégrer chaque courbe 71 , 75 représentant les teneurs en chaque gaz le long de chaque ligne 50, suivant la première direction D1 , sur toute la largeur de la ligne 50 pour obtenir une teneur globale intégrée TG11 , TGI2 sur chaque ligne 50, par les équations suivantes : Xmax TGI 1 = Tl(X)dX
Ixmin Xmax
TGI 2 = T2{X)dX
Jxmin où X min et X max sont les coordonnées géographiques caractérisant les bornes du panaches définies suivant l’étendue E1 du panache parallèlement à la première direction D1. Selon la première méthode de traitement des données par le module 70, l’intégrale de la courbe des valeurs de fond est également calculée et est soustraite de l’intégrale précédente.
Selon la deuxième méthode, la courbe de valeurs de fond est soustraite de la courbe 70 des teneurs, avant intégration. Ainsi, pour chaque ligne 50 dans laquelle une mesure est intervenue, correspondant à une coordonnée Z suivant la deuxième direction D2, des teneurs globales intégrées TGI1 (Z), TGI2 (Z) correspondant à chaque gaz sont obtenues.
Le module de calcul 72 est en outre propre à calculer, pour chaque ligne 50 dans laquelle une mesure est intervenue, correspondant à une coordonnée Z suivant la deuxième direction D2, le rapport R(Z) de la teneur globale intégrée TGI1 (Z) en premier gaz sur la teneur globale intégrée TGI2(Z) en deuxième gaz.
Le module de calcul 72 est également propre à calculer le coefficient de corrélation C comme étant égal à la moyenne, de préférence arithmétique, des rapports de teneurs R(Z) obtenus sur chaque ligne 50 définissant une partie de la trajectoire 23. Le coefficient de corrélation C correspond ainsi au rapport moyen des teneurs du premier gaz sur les teneurs en deuxième gaz sur chacune des parties de la trajectoire 23.
Le module d’obtention 74 d’un flux mesuré ou calculé du deuxième gaz émis par la source est propre à obtenir ou à calculer un flux Q2 de deuxième gaz émis par la source 14 soit à partir d’une mesure de flux de deuxième gaz au niveau de la source 14, soit de préférence, à partir d’un calcul d’émission de deuxième gaz par la source, lorsque la source 14 émet le deuxième gaz lors d’une réaction chimique.
Le calcul est de préférence réalisé par bilan de matière, sur la base des flux de réactifs fournis pour réaliser la réaction chimique, en supposant un rendement prédéterminé de la réaction chimique.
De préférence, la réaction chimique est une combustion. Le deuxième gaz est alors du dioxyde de carbone émis par la source lors de la combustion.
Un bilan de combustion est alors réalisé en fonction des flux d’alimentation dans l’installation 12 pour réaliser la combustion, en tenant compte d’un rendement de combustion prédéfini. Avantageusement, le bilan de combustion est réalisé en négligeant les émissions d’autres gaz produits par la réaction que le deuxième gaz, notamment les émissions de monoxyde de carbone dans le cas où le deuxième gaz est du dioxyde de carbone.
Le calcul par bilan de matière est réalisé directement par le module d’obtention 74, ou est chargé à partir d’un système de calcul externe 77.
Avantageusement, le bilan de matière, en particulier le bilan de combustion est réalisé à l’aide d’une feuille de calcul d’un tableur informatique, sur la base de la composition molaire et des flux (volumiques ou massiques) de réactifs introduits dans le réacteur permettent de réaliser la réaction.
Un flux massique Q2 de deuxième gaz mesuré ou calculé est ainsi obtenu à l’aide du module d’obtention 74.
Le module de calcul 76 du flux de premier gaz émis Q1 par la source est propre à calculer le flux massique Q1 en premier gaz émis par la source, en fonction du flux massique Q2 mesuré ou calculé par le module d’obtention 74, du rapport de la masse molaire M1 du premier gaz à la masse molaire M2 du deuxième gaz, et du coefficient de corrélation C déterminé par le module de calcul 72, à partir des mesures de teneurs en premier gaz et en deuxième gaz réalisées par le drone 22.
De préférence, le flux de premier gaz émis par la source Q1 est obtenu par l’équation suivante :
Q1 = C x M1/M2 x Q2 Eventuellement, ce calcul est répété pour une pluralité de vols du drone 22, chacun correspondant à une campagne de mesure distincte réalisée lors de l’émission de la source 14, puis le flux de premier gaz Q1 émis par la source 14 est moyenné sur l’ensemble des vols réalisés.
Un procédé de mesure va maintenant être décrit. Initialement, le drone 22 est mis en vol pour effectuer une trajectoire 23 suivant un déplacement en échelle rampante dans un plan de mesure Pm, tel qu’illustré par la figure 4.
Comme indiqué plus haut, le drone 22 se déplace suivant une pluralité de lignes 50 parallèles à une première direction D1 , constituant des parties de la trajectoire 23, avec un segment de connexion 52 entre chaque paire de lignes parallèles 50 adjacentes, le segment de connexion 52 s’effectuant suivant une deuxième direction D2 transverse à la première direction D1 .
Les premières données représentatives de teneurs T1 en premier gaz et les deuxièmes données représentatives de teneurs T2 en deuxième gaz, sont collectées par l’ensemble de mesure 34 le long de chaque ligne 50.
Les mesures sont réalisées en continu le long de la ligne 50.
La mémoire de l’unité de recueil de données stocke les données représentatives de chaque teneur T1 , T2 en chaque gaz, associées à la position géographique X le long de chaque ligne 50.
Puis, lors du vol du drone 22 ou après le vol du drone 22, le système de télétransmission 38 exporte des données vers le système de calcul 24 au sol.
Le module d’obtention et de traitement 70 reçoit les premières données représentatives de teneurs T1 en premier gaz et les deuxièmes données représentatives de teneurs T2 en deuxième gaz, le long de chaque ligne 50, telles que mesurées par le drone 22 à chaque point de mesure, associées à la position géographique X du point de mesure le long de la ligne 50, chaque ligne 50 constituant une partie de la trajectoire 23.
Il transforme les données représentatives en teneurs T1 , T2 en chacun des gaz, à chaque point de mesure sur chaque ligne 50, sur la base d’une courbe de calibration associée à chaque gaz. Pour chaque ligne 50, une courbe 71 , 75 de teneur en chaque gaz en fonction d’une première coordonnée X le long de la ligne 50 suivant la direction D1 est ainsi obtenue, comme visible sur les figures 5 et 6. Le module d’obtention et de traitement 70 filtre éventuellement les teneurs obtenues par exemple selon la première méthode ou la deuxième méthode décrite plus haut.
Puis, le module d’intégration 72 intègre chaque courbe 71 , 75 représentant les teneurs en chaque gaz le long de chaque ligne 50, suivant la première direction D1 , sur toute la largeur de la ligne 50 pour obtenir une teneur globale intégrée TG11 , TGI2 sur chaque ligne 50, par les équations suivantes : Xmax
TGI 1 = Tl(X)dX
Ixmin Xmax
TGI 2 = T2(X)dX
Icpiίh où X min et X max sont les coordonnées géographiques caractérisant les bornes du panaches définies suivant l’étendue E1 du panache parallèlement à la première direction D1.
Selon la première méthode de traitement des données par le module 70, l’intégrale de la courbe des valeurs de fond est également calculée et est soustraite de l’intégrale précédente. Selon la deuxième méthode, la courbe de valeurs de fond est soustraite de la courbe
70 des teneurs, avant intégration.
Ainsi pour chaque ligne 50 dans laquelle une mesure est intervenue, correspondant à une coordonnée Z suivant la deuxième direction D2, des teneurs globales intégrées TGI1 (Z), TGI2 (Z) correspondant à chaque gaz sont obtenues. Puis, le module de calcul 72 calcule, pour chaque ligne 50 dans laquelle une mesure est intervenue, correspondant à une coordonnée Z suivant la deuxième direction D2, le rapport R(Z) de la teneur globale intégrée TGI1(Z) en premier gaz sur la teneur globale intégrée TGI2(Z) en deuxième gaz.
Le module de calcul 72 calcule ensuite le coefficient de corrélation C comme étant égal à la moyenne, de préférence arithmétique, des rapports de teneurs R(Z) obtenus sur chaque ligne 50 définissant une partie de la trajectoire 23.
Le module d’obtention 74 d’un flux mesuré ou calculé du deuxième gaz émis par la source obtient ou calcule alors un flux Q2 de deuxième gaz émis par la source 14 soit à partir d’une mesure de flux de deuxième gaz au niveau de la source 14, soit de préférence à partir d’un calcul d’émission de deuxième gaz par la source, lorsque la source 14 émet le deuxième gaz lors d’une réaction chimique, comme décrit plus haut.
Puis, le module de calcul 76 du flux de premier gaz émis Q1 par la source calcule le flux massique Q1 en premier gaz émis par la source, en fonction du flux massique Q2 mesuré ou calculé par le module d’obtention 74, du rapport de la masse molaire M1 du premier gaz à la masse molaire M2 du deuxième gaz, et du coefficient de corrélation C déterminé par le module de calcul 72, à partir des mesures de teneurs en premier gaz et en deuxième gaz réalisées par le drone 22.
De préférence, le flux de premier gaz émis par la source Q1 est obtenu par l’équation suivante :
Q1 = C x M1/M2 x Q2.
Comme indiqué plus haut, ce calcul est éventuellement répété pour une pluralité de vols du drone 22, chacun correspondant à une campagne de mesure distincte réalisée lors de l’émission de la source 14, puis le flux de premier gaz Q1 émis par la source 14 est moyenné sur l’ensemble des vols réalisés.
Le procédé de mesure selon l’invention est donc particulièrement simple à mettre en œuvre, puisqu’il nécessite une simple campagne de mesures à l’aide d’un drone 22 volant directement dans le panache 16, à l’écart de la source 14.
Suite à cette campagne de mesures, un calcul simple et efficace pour obtenir une détermination précise du flux d’un premier gaz émis par la source 14, même si les teneurs en premier gaz mesurées dans le panache 16 sont faibles, grâce à la mesure simultanée de teneurs en un deuxième gaz traceur, dont le flux émis peut être mesuré ou calculé par bilan de matière.
Ceci est particulièrement utile pour détecter des composés dont la teneur est faible dans l’atmosphère.
Par exemple, le tableau ci-dessus illustre les teneurs en méthane émis par une source 14 constituée par une torche dans une installation pétrolière.
Le débit total de gaz de torche et le débit de méthane permettent de calculer le flux Q2 de dioxyde de carbone en effectuant un bilan de combustion. La méthode selon l’invention est utilisée pour mesurer un coefficient de corrélation C entre le méthane et le dioxyde de carbone, lequel est utilisé pour déterminer le flux Q1 de méthane émis à partir du flux Q2 de dioxyde de carbone calculé par bilan de matière. Ceci permet de déterminer, à partir d’un débit moyen de méthane torché de 0,23 tonne/heure, une quantité de méthane résiduel égale à 0,7 g/h et donc une efficacité de 99% du point de vue de la destruction du méthane.
[Table 1] La méthode selon l’invention est apte à être mise en œuvre au voisinage d’installations industrielles 12 variées, même si ces installations sont inaccessibles ou/et nécessitent des précautions de sécurité. Les mesures peuvent être effectuées à moindre coût et de manière fréquente, ce qui permet notamment de suivre l’évolution des émissions engendrées par la source 14, et de s’assurer qu’elles sont sous contrôle ou qu’elles sont réduites.
Dans une variante, représentée sur la figure 8, pour des conditions de vent peu fort, le panache 16 présente une configuration verticale et le plan de mesure Pm est un plan horizontal. La première direction D1 est alors une direction horizontale, et la deuxième direction D2 est une direction horizontale perpendiculaire à la première direction D1 . Le procédé de mesure, incluant la méthode de mesure restent similaires à ceux décrits plus haut.
Avantageusement, le procédé de mesure selon l’invention comporte une étape initiale de détermination de caractéristiques de conformation du panache 16, par exemple par mesure de la rose des vents s’appliquant sur la source 14 au moment de la campagne de mesure.
Dans une variante, les teneurs en monoxyde de carbone sont mesurées dans le panache 16, par le drone 22.
Ces teneurs sont intégrées comme décrit précédemment, et un coefficient de corrélation additionnel entre la teneur globale intégrée en monoxyde de carbone et la teneur globale intégrée en dioxyde de carbone est obtenu, pour corriger le flux Q2 de dioxyde de carbone calculé par bilan de combustion.
Dans une autre variante, un coefficient de corrélation C(i) est calculé pour chaque partie de trajectoire 23, par exemple pour chaque ligne 50. Ensuite, un flux Q1 (i) de premier gaz émis correspondant à chaque partie de trajectoire 23, notamment à chaque ligne 50 est obtenu par l’équation suivante :
Q1 (i) = C(i) x M1/M2 x Q2.
Lorsque le flux Q1 de premier gaz émis par la source est stable au cours du temps il est alors possible de moyenner, notamment par une moyenne arithmétique, les flux Q1 (i) de premier gaz émis correspondant à chaque partie de trajectoire 23, notamment à chaque ligne 50, pour obtenir un flux Q1 moyen. Au contraire, lorsque le flux Q1 de premier gaz évolue au cours du temps, il est possible de suivre l’évolution du flux Q1 au cours du temps en suivant les différents flux Q1(i) obtenus au cours du temps pour des parties successives de trajectoire 23 ou pour des vols successifs. Dans encore une autre variante, la trajectoire suivie par le drone 22 est différente de la trajectoire représentée. Par exemple, la trajectoire comprend une pluralité de lignes curvilignes et non rectilignes (par exemple en arc de cercle) parallèles les unes aux autres reliées par des segments de connexion. Ceci est avantageusement le cas lorsque les lignes sont horizontales. En variante encore, la trajectoire suivie par le drone 22 comporte par exemple une trajectoire en escargot, ou encore en zigzag permettant de couper le panache dans différentes sections perpendiculaires ou non à sa direction principale.
La méthode selon l’invention est particulièrement efficace pour déterminer le flux de méthane résiduel présent dans la panache 16 issu d’une source 14 constituée par une torche, dans laquelle la combustion d’un flux de méthane est réalisée. Ceci est particulièrement le cas lorsque le deuxième gaz est du dioxyde de carbone produit par la combustion du méthane dans la torche dont le flux dans le panache 16 est calculé de préférence par un bilan de combustion établi sur la base du flux de méthane fourni à la torche.

Claims

REVENDICATIONS
1. Méthode de calcul d’un flux (Q1) d’au moins un premier gaz émis par une source (14) dans l’atmosphère, mis en œuvre par un système de calcul (24), comprenant les étapes suivantes :
- obtention de premières données représentatives de teneurs (T1 ) en premier gaz, mesurées dans l’atmosphère à l’écart de la source (14), suivant une trajectoire (23), la méthode étant caractérisée par les étapes suivantes :
- obtention de deuxièmes données représentatives de teneurs (T2) en un deuxième gaz traceur émis par la source (14) conjointement avec le premier gaz, les deuxièmes données représentatives étant mesurées dans l’atmosphère à l’écart de la source (14), suivant la trajectoire (23),
- calcul d’au moins un coefficient de corrélation (C) entre les teneurs (T1) en premier gaz et les teneurs (T2) en deuxième gaz à partir des premières données représentatives et des deuxièmes données représentatives ;
- obtention d’un flux mesuré ou calculé (Q2) de deuxième gaz émis par la source
(14) ;
- calcul d’un flux (Q1) de premier gaz émis par la source (14), sur la base du flux mesuré ou calculé (Q2) de deuxième gaz émis par la source (14) et du coefficient de corrélation (C).
2. Méthode selon la revendication 1 , dans laquelle le coefficient de corrélation (C) est une constante représentative d’un rapport entre les teneurs (T1) en premier gaz le long de la trajectoire (23) et les teneurs (T2) en deuxième gaz le long de la trajectoire (23).
3. Méthode selon la revendication 2, dans laquelle le calcul du coefficient de corrélation (C) comporte l’intégration des premières données représentatives le long d’au moins une partie de la trajectoire (23) pour obtenir une première teneur globale intégrée, l’intégration des deuxièmes données représentatives le long d’au moins une deuxième partie de la trajectoire (23) pour obtenir une deuxième teneur globale intégrée, le coefficient de corrélation étant calculé à partir de la première teneur intégrée et la deuxième teneur globale intégrée.
4. Méthode selon la revendication 3, comprenant l’intégration des premières données représentatives sur une pluralité de parties de trajectoire (23) pour obtenir une première teneur globale intégrée correspondant à chaque partie de trajectoire (23), puis l’intégration des deuxièmes données représentatives sur la même pluralité de parties de trajectoire (23), le calcul pour chaque partie de trajectoire, d’un rapport de teneurs entre la première teneur globale intégrée et la deuxième teneur globale intégrée sur la partie de trajectoire, le coefficient de corrélation (C) étant calculé comme la moyenne des rapports de teneurs calculés.
5. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la trajectoire (23) comprend une pluralité de lignes (50) parallèles.
6. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le calcul du flux (Q1) de premier gaz émis par la source (14) est effectué en outre sur la base du rapport entre la masse molaire (M1 ) du premier gaz et la masse molaire (M2) du deuxième gaz.
7. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les émissions de premier gaz et de deuxième gaz issues de la source (14) résultent d’une réaction chimique, le flux mesuré ou calculé (Q2) de deuxième gaz étant calculé par un bilan de matière de la réaction chimique.
8. Méthode selon la revendication 7, dans laquelle les émissions de premier gaz et de deuxième gaz issues de la source (14) résultent d’une combustion, le flux mesuré ou calculé (Q2) de deuxième gaz étant calculé par un bilan de combustion.
9. Méthode selon la revendication 8, dans laquelle la source (14) est une torche mettant en œuvre une combustion d’un flux de méthane, le deuxième gaz étant le dioxyde de carbone produit par la combustion du méthane au sein de la torche.
10. Méthode selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans laquelle le deuxième gaz est un produit de la réaction chimique utilisant le premier gaz comme réactif, le premier gaz étant un réactif résiduel n’ayant pas réagi lors de la mise en œuvre de la réaction chimique produisant le deuxième gaz.
11. Méthode selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, dans laquelle le deuxième gaz est produit par la réaction chimique, un troisième gaz étant produit conjointement avec le deuxième gaz par la réaction chimique, le procédé comprenant l’obtention de troisièmes données représentatives de teneurs en troisième gaz, le flux mesuré ou calculé (Q2) de deuxième gaz étant calculé en tenant compte des troisièmes données représentatives.
12. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le deuxième gaz est le dioxyde de carbone.
13. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le premier gaz est le méthane, le benzène, ou/et un composé organique volatile.
14. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le flux (Q1) est calculé par l’équation Q1 = C x M1/M2 x Q2, où C est le coefficient de corrélation (C), M1 est la masse molaire du premier gaz, M2 est la masse molaire du deuxième gaz, et Q2 est le flux (Q2) mesuré ou calculé du deuxième gaz émis par la source (14).
15. Procédé de mesure des émissions d’une source (14) dans l’atmosphère, comprenant les étapes suivantes :
- collecte de premières données représentatives de teneurs en au moins un premier gaz dans l’atmosphère à l’écart de la source (14) par un drone (22) suivant une trajectoire (23) ;
- collecte conjointe par le drone (22) de deuxièmes données représentatives de teneurs en un deuxième gaz traceur émis par la source (14) conjointement avec le premier gaz, suivant la même trajectoire (23) ;
- transfert des premières et deuxièmes données représentatives collectées à un système de calcul (24);
- mise en œuvre par le système de calcul (24) de la méthode de calcul selon l’une quelconque des revendications précédentes.
16. Procédé selon la revendication 15, comprenant une étape préalable de détermination d’une direction du vent et/ou d’une configuration d’un panache d’émission en aval de la source (14), le vol du drone étant effectué en fonction de la configuration de panache prédéterminée.
17. Système (24) de calcul d’un flux (Q1) d’au moins un premier gaz émis par une source (14) dans l’atmosphère, comprenant :
- un module (70) d’obtention de données, propre à obtenir des premières données représentatives de teneurs (T1) en un premier gaz, mesurées dans l’atmosphère à l’écart de la source (14), suivant une trajectoire (23), le système étant caractérisé en ce que le module (70) d’obtention de données est propre à obtenir des deuxièmes données représentatives de teneurs (T2) en un deuxième gaz traceur émis par la source (14) conjointement avec le premier gaz, les deuxièmes données représentatives étant mesurées dans l’atmosphère à l’écart de la source (14), suivant la trajectoire (23), le système (24) comportant :
- un module (72) de calcul d’au moins un coefficient de corrélation (C) entre les teneurs (T1) en premier gaz et les teneurs (T2) en deuxième gaz à partir des premières données représentatives et des deuxièmes données représentatives ;
- un module (74) d’obtention d’un flux mesuré ou calculé (Q2) de deuxième gaz émis par la source (14) ;
- un module (76) de calcul d’un flux (Q1) de premier gaz émis par la source (14), sur la base du flux mesuré ou calculé (Q2) de deuxième gaz émis par la source (14) et du coefficient de corrélation (C).
18. Nécessaire (10) de mesure des émissions d’une source (14) dans l’atmosphère, comportant :
- un drone (22), apte à voler dans l’atmosphère à l’écart de la source (14) suivant une trajectoire (23) ; le drone (22) étant apte à mesurer le long de la trajectoire (23), des premières données représentatives de teneurs en au moins un premier gaz émis par la source (24) et des deuxièmes données représentatives de teneurs en au moins un deuxième gaz traceur émis par la source (14) conjointement au premier gaz ;
- un système de calcul (24) selon la revendication 14, propre à recevoir les premières et deuxièmes données représentatives mesurées par le drone (22).
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