WO2022023548A1 - Système et procédé de quantification de débit de fuite de gaz - Google Patents

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WO2022023548A1
WO2022023548A1 PCT/EP2021/071446 EP2021071446W WO2022023548A1 WO 2022023548 A1 WO2022023548 A1 WO 2022023548A1 EP 2021071446 W EP2021071446 W EP 2021071446W WO 2022023548 A1 WO2022023548 A1 WO 2022023548A1
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WO
WIPO (PCT)
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gas
flow
leak
camera
spatial distribution
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/071446
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English (en)
Inventor
Dominique Heitz
Anthony Guibert
Philippe Loisel
Philippe Georgeault
Laurent Blondel
Original Assignee
Institut National De Recherche Pour L'agriculture, L'alimentation Et L'environnement
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Publication date
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    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/661—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters using light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F15/18—Supports or connecting means for meters
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M3/38—Investigating fluid-tightness of structures by using light
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • TITLE Gas leak rate quantification system and method
  • a system and method for gas leak rate quantification is provided.
  • the invention finds particular application in the quantification of biogas leaks, for example on methanization sites, in particular agricultural methanization.
  • anaerobic digestion which consists of fermenting putrescible materials in anaerobic conditions, generates biogas, made up of methane and carbon dioxide, as well as a digestate that can be used as fertilizer. Biogas can be transformed into heat, electricity or fuel for vehicles. Anaerobic digestion has been widely developed to allow the recycling of putrescible waste, in particular produced in agriculture, into energy.
  • the monitoring of gas leaks, in particular biogas leaks on methanization sites, is necessary to control air pollution, and consequently to reduce the risks of environmental impact of methanization sites, and also to limit production losses.
  • Patent application WO2011/110443 describes a measuring device, applied in a biogas installation, making it possible to determine a quantity of greenhouse gas circulating in a pipe.
  • This device includes a gas analyzer, configured to determine a measured value representing a fraction of at least one gaseous constituent, but requires a flow meter to estimate the gas flow.
  • the aim of the invention is to propose a reliable system for estimating gas leak rate.
  • a gas leak rate quantification system comprising a gas capture and conditioning device and an associated digital processing device. This system is such that:
  • the capture and conditioning device comprises a module for capturing and transporting leak gas, called the first gas, connected to a conditioning and treatment module comprising an inlet section comprising an inlet for a second gas and a stream conditioning device for forming a formatted mixture between the first gas and the second gas, said flow conditioning device producing flow shear comprising vortices mixing the first gas and the second gas, and a formatted gas mixture observation section;
  • the digital processing device comprises a camera positioned at the level of the observation section to acquire successive images of the formatted gas mixture, said camera comprising or being connected to a calculation processor configured to quantify the flow rate of first gas, the flow quantification comprising an analysis of at least two successive images to estimate a spatial distribution of an apparent gas velocity of said first gas.
  • the system of the invention implements a digital image processing device, in particular infrared imagery, for determining the gas leak rate from observed images.
  • the system of the invention comprises a flow conditioning module making it possible to form a gas mixture, conditioned according to chosen conditioning characteristics, making it possible to facilitate the quantification of the gas leak rate by image processing.
  • the gas leak rate quantification system according to the invention may also have one or more of the characteristics below, taken independently or in all technically conceivable combinations.
  • the camera is an infrared camera.
  • the capture and conditioning device further comprises an outlet section which comprises an adjustable speed flow extraction module, performing a flow push.
  • the speed of said extraction module is adjusted so as to be compatible with an image acquisition frequency of the camera.
  • the exit section further comprises at least one perforated grid and an adjoining foam, arranged perpendicular to a main flow direction of the flow.
  • the observation section is a box, comprising a bottom fixed to a first wall, the camera being adapted to be fixed to a second wall, facing said first wall.
  • the leak gas capture and transport module is made of a material that is impermeable to ambient air.
  • the flow conditioner features a perforated grid with honeycomb-like patterns.
  • the flow conditioning device further comprises an array of at least one hollow half-bar.
  • the calculation processor is configured to further implement a combination of the estimated first gas apparent velocity spatial distribution with a concentration-thickness spatial distribution of said first gas to obtain an instantaneous flux spatial distribution.
  • concentration-thickness spatial distribution is obtained by a prior calibration step, consisting in associating intensity values with concentration values of said first gas over a thickness along an optical viewing path.
  • the calculation processor is configured to further implement a spatial integration of the instantaneous gas flow spatial distributions according to a given profile, to calculate an instantaneous volume flow rate of leak gas.
  • the invention relates to a gas leak rate quantification method implemented in a gas leak rate quantification system as briefly described above, comprising steps of:
  • the method further comprises an integration in space of the spatial distributions of instantaneous gas flow according to a given profile, to calculate an instantaneous volume flow rate of leak gas.
  • the concentration-thickness spatial distribution is obtained by a prior calibration step, consisting in associating intensity values with concentration values of said first gas over a thickness along an optical viewing path.
  • Figure 1 illustrates one embodiment of a capture and conditioning device forming part of a gas leak rate quantification system
  • Figure 2 is a sectional view along a first sectional plane of a flow conditioning device
  • Figure 3 is a view along a second sectional plane of a flow conditioning device
  • Figure 4 is a schematic representation of a digital processing device forming part of a gas leak rate quantification system according to one embodiment
  • FIG 5 is a flowchart of the main steps of a gas leak rate quantification method according to one embodiment.
  • FIG. 1 schematically represents elements of a gas leak rate quantification system 1 according to one embodiment of the invention, in particular a gas capture and conditioning device 2.
  • the gas capture and conditioning device 2 receives gas 4 as an input, for example from a biogas leak from a methanization facility.
  • this captured leak gas is composed of methane and carbon dioxide.
  • the device 2 is adapted to be placed close to a methanization installation which is not shown in FIG. 1, for example between 1 and 50 meters from the installation, and preferably between 2 and 8 meters.
  • This gas capture and conditioning device comprises a capture and transport module 5, formed in one embodiment of a bellows 6, made of a first airtight and flexible material, for example a flexible plastic material. , such as polyethylene, and a transport conduit 8, made of a second airtight material, for example a flexible plastic material, for example also polyethylene.
  • the second material is identical to the first material.
  • the bellows 6 is in the form of a skirt (bell or conical), of diameter which narrows at the connection to the transport duct.
  • the edge 7 of the widest diameter of the skirt 6 forms a ring-shaped weighted sausage, for example of the air chamber type filled with sand.
  • the skirt 6 makes it possible to cap the leak by minimizing the external air intakes, between the weighted flange 7 and the surface on which it rests (not shown in the figure).
  • the gas capture and transport module 5 is connected to a gas conditioning and treatment module 10, in order to convey the leaked gas captured to this conditioning and treatment module 10.
  • the transport pipe 8 enters an inlet section 12 of the module 10 for packaging and treatment.
  • the inlet section 12 is arranged to let in a second gas, different from the first gas (captured leak gas), the second gas being for example air ambient 15.
  • this second gas must not modify the quantity of first leak gas, so for example, when the first leak gas is methane, the second gas does not contain methane.
  • the inlet section 12 has the objective of supplying a second gas making it possible to improve the contrast, and consequently to optimize the flow rate quantification.
  • the ambient air enters the inlet section 12 of the conditioning and treatment module 10 through perforations 16 made in the wall 14 illustrated in FIG.
  • the conditioning and treatment module 10 comprises a flow conditioning device 18 making it possible to form a mixture between the first leak gas captured and the second gas supplied via the inlet section 12.
  • the device 18 is for example a device for generating flux shear, making it possible to obtain a concentration gradient of leak gas.
  • the flow shear produces vortices mixing the captured leak gas and the second gas supplied via the inlet section 12.
  • the flow conditioning device 18 comprises, as illustrated in the cross-sectional views of FIGS. 2 and 3, a grid 19 with holes, for example arranged in a honeycomb-shaped pattern, and a network 21 of two hollow half-bars 23, positioned one parallel to the other, at a distance of a few half-bar diameters.
  • a space of the order of a half-bar diameter is provided between the half-bars 23 and the grid 19.
  • the orientation of the bars along the optical axis of the camera allows an integration effect of the mixture along the axis of the vortices which appear as large rollers.
  • Each half-bar has a C-shaped profile (semi-circular profile) in a cross-section, as illustrated in Figure 3.
  • the half-bars 23 are preferably positioned with the hollow facing away from the flow, which allows suck the mixture of gases at the ends to form vortices. This vortex formation makes it possible to texture the mixture of gases and to slow down the speed of displacement of the flow of first leak gas, and thus facilitate the measurement of this speed of displacement.
  • each hollow half-bar is formed from a profile bar of geometric shape other than circular, for example cylindrical, square, triangular.
  • solid bars are used, of section of any shape, for example cylindrical, square, triangular, or bars in the form of twisted, tapered, corrugated cylinders.
  • the inlet section 12 comprises a foam 17 to promote homogeneity and reduce the flow rate of the inflow of second gas.
  • the mixture of first leak gas and second gas is formatted.
  • the second gas is air
  • the formatted mixture is a mixture of leak gas and air.
  • the packaging and treatment module 10 also includes a section 20 for observing the formatted gas mixture.
  • Section 20 is also illustrated in Figure 4, according to one embodiment.
  • the section 20 is made in the form of a casing, for example parallelepiped, and a first wall of this casing comprises an opening 22, of a shape chosen to fix an image acquisition camera 24, by example an infrared camera.
  • the case comprises a bottom 25, positioned on the internal part of a second wall of the case 20, located opposite with respect to the first wall comprising an opening 22, so as to that the background 25 is located in the image background during the acquisition of images by the camera 24.
  • the bottom 25 is an electrically heated bottom which makes it possible to increase the contrast observed by the infrared camera.
  • the bottom 25 is a cold bottom.
  • the background 25 is for example a textured background, for example of the chessboard type.
  • the camera 24 is connected to an electronic calculation device 26, i.e. a computer, comprising in particular a calculation processor configured to estimate the gas leak rate, as described in more detail below.
  • the processor is a generic processor or a processor dedicated to image processing.
  • the camera 24 and the electronic calculation device 26 form a digital processing device 28 forming part of the gas leak flow quantification system 1 , this device 28 being configured to observe the formatted gas mixture and calculate, using the recorded observations , the gas leak rate.
  • the conditioning and treatment module 10 further comprises an outlet section 30 comprising a flow extraction module 32 which creates an air/gas suction and contributes to the formation of the formatted gas mixture.
  • the flux extraction module 32 makes it possible to create a thrust of the flux downstream (in the direction of flux flow, indicated by the direction of the arrows in FIG. 1).
  • the extraction module 32 comprises an axial fan comprising a motor driving a propeller.
  • the extraction module 32 produces a jet of compressed air injected in the flow direction of the stream.
  • the module 32 makes it possible to control the speed of the flow of gas.
  • module 32 is an axial fan with controlled rotation speed.
  • the module 32 is a mechanical flux extraction device, for example a register.
  • the extraction module 32 makes it possible to slow down the displacement of the gas leak in order to improve the monitoring of the displacement of the gas by the acquisition of a sequence of images.
  • the outlet section 30 has a funnel shape with a narrowing forming a bottleneck.
  • the diameter of the part 34 for expelling the formatted gas mixture outwards is less than the diameter of the part 36 connected to the section 20 for observing the formatted gas mixture.
  • the outlet section 30 comprises, in the embodiment illustrated in Figure 1, two perforated grids 31, 33 separated by a foam 35, which has the effect of maintaining the homogeneity of the flow in the inlet sections 12 and observation 20. Thanks to this arrangement, the gas flow is sucked homogeneously over the entire surface perpendicular to the flow direction of the flow.
  • the device 2 for capturing and conditioning the leak gas is configured to shape a gas mixture, formed from the first leak gas and a second gas, for example air, formatted in the form of a controlled vortex .
  • system 1 comprises a digital processing device 28, configured to acquire successive images, forming a sequence of images, of the gas mixture formatted by a camera, for example adapted to operate in the infrared range, for example in the form video, and to process these images to estimate the gas leak rate.
  • a digital processing device 28 configured to acquire successive images, forming a sequence of images, of the gas mixture formatted by a camera, for example adapted to operate in the infrared range, for example in the form video, and to process these images to estimate the gas leak rate.
  • Estimating gas flow includes analyzing at least two successive images to estimate a spatial distribution of gas velocity.
  • the camera used is an optical camera operating in the visible light range
  • the background 25 is a textured background making it possible to increase the contrast
  • FIG. 5 is a flowchart of the main steps of a method for quantifying the gas flow by image processing implemented by a processor of the electronic calculation device 26 connected to the infrared camera 24.
  • the method is implemented in the form of a computer program, comprising code instructions that can be executed by a processor of the electronic computing device 26.
  • the method includes an acquisition 40 of a sequence of images by an infrared camera.
  • the images are acquired as digital images, each image being formed by a matrix of pixels, each pixel having an intensity value.
  • the method then comprises, for at least two consecutive infrared images, an estimate 42 of the spatial distribution of the apparent gas velocity by implementing an optical flow estimation method.
  • the apparent gas velocity is the average velocity weighted by the quantity of gas according to the observation thickness of the gas along the optical viewing path.
  • the spatial distribution of the apparent gas velocity is estimated by a multi-scale optical flow technique, dedicated to the movement of fluids. Any method known in the field of computer vision can be applied for this purpose.
  • the method then comprises a step 44 of combining the spatial distribution of the apparent velocity of the gas with the spatial distribution of the concentration-thickness of the gas.
  • the concentration-thickness of the leak gas is calculated and stored during a preliminary calibration step 48.
  • the calibration step is carried out before any start-up, and the result of this step is stored in a persistent memory. of the electronic calculation device 26.
  • the calibration 48 consists in carrying out observations of infrared images captured, on flows of first gas whose concentration-thickness is known, for example thanks to the use of a concentration analyzer.
  • each intensity value observed in an infrared image corresponds to a concentration of leak gas through the thickness along the viewing optical path.
  • the concentration-thickness value is obtained by a linear function of the observed intensity:
  • I is the observed intensity value
  • a is a proportionality coefficient obtained in a prior calibration phase 48.
  • the proportionality coefficient a is stored following the calibration step.
  • the combination consists in calculating in each pixel an instantaneous rate Q(x,y):
  • the value of Q(x,y) is the estimated local gas flow for pixel p(x,y).
  • the method then comprises a step 46 of spatial integration of the instantaneous gas flow spatial distributions obtained in step 44, to calculate an instantaneous volume flow rate of leak gas.
  • the instantaneous volume flow is expressed for example in m 3 /s.
  • the integration is for example performed on a profile, for example by performing a spatial average per line on all the lines of an observed image.
  • the gas leak rate quantification method has been described above in its application to infrared images, acquired by an infrared camera, adapted to operate in particular in a frequency band making it possible to visualize a first leak gas such as methane.
  • steps 40 to 46 described above are applicable, after implementation of a prior calibration step 48, in which a concentration-thickness value is associated with each observed intensity value.
  • the concentration-thickness depends linearly on the intensity value observed.
  • a table of values storing associations of intensity values and corresponding concentration-thickness values are recorded.
  • the gas capture and conditioning device described makes it possible to obtain a formatted gas mixture, the formatting favoring the gas flow estimation.
  • the use of a background makes it possible to facilitate the calibration making it possible to associate intensity values of acquired images and concentration-thickness values.
  • the calibration making it possible to associate intensity values of acquired images and concentration-thickness values can be carried out in a phase of setting up a system for quantifying the flow rate of gas leaks as described above. above, for a given image acquisition camera.

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Abstract

L'invention concerne un procédé et un système de quantification de débit de fuites de gaz comportant un dispositif de capture et de conditionnement de gaz (2) et un dispositif de traitement numérique associé. Le dispositif de capture et de conditionnement (2) comporte un module (5) de capture et de transport de gaz de fuite, dit premier gaz, connecté à un module (10) de conditionnement et de traitement, comportant une section d'entrée (12) comportant une entrée d'un deuxième gaz et un dispositif de conditionnement de flux (18) permettant de former un mélange formaté entre le premier gaz et le deuxième gaz, ainsi qu'une section d'observation (20) du mélange de gaz formaté. Le dispositif de traitement numérique comporte une caméra (24) positionnée au niveau de la section d'observation (20) pour acquérir des images successives du mélange de gaz formaté, ladite caméra comportant ou étant reliée à un processeur de calcul configuré pour quantifier le débit de premier gaz, la quantification de débit comprenant une analyse d'au moins deux images successives pour estimer une distribution spatiale d'une vitesse apparente dudit premier gaz.

Description

TITRE :Système et procédé de quantification de débit de fuite de gaz
La présente invention concerne un système et un procédé de quantification de débit de fuite de gaz.
L’invention trouve une application particulière dans la quantification de fuites de biogaz, par exemple sur les sites de méthanisation, en particulier de méthanisation agricole.
En effet, la méthanisation, qui consiste à fermenter des matières putrescibles en anaérobie, génère du biogaz, composé de méthane et de dioxyde de carbone, ainsi qu’un digestat qui peut être utilisé comme fertilisant. Le biogaz peut être transformé en chaleur, électricité ou carburant pour véhicules. La méthanisation s’est largement développée, pour permettre le recyclage de déchets putrescibles, en particulier produits dans l’agriculture, en énergie.
La surveillance des fuites de gaz, en particulier des fuites de biogaz sur les sites de méthanisation, est nécessaire pour maîtriser la pollution de l’air, et par conséquent pour réduire les risques d’impact environnemental des sites de méthanisation, et également pour limiter des pertes de production.
Des méthodes de caractérisation et de mesure des fuites de gaz ont été mises au point.
En particulier, des systèmes de caractérisation de panaches de gaz émis à l’extérieur ont été mis au point, sans toutefois permettre de déterminer un débit de fuite de gaz.
La demande de brevet WO2011/110443 décrit un dispositif de mesure, appliqué dans une installation de biogaz, permettant de déterminer une quantité de gaz à effet de serre circulant dans une canalisation. Ce dispositif comprend un analyseur de gaz, configuré pour déterminer une valeur mesurée représentant une fraction d’au moins un constituant gazeux, mais nécessite un débimètre pour estimer le débit de gaz.
L’invention a pour objectif de proposer un système fiable d’estimation de débit de fuite de gaz.
A cet effet, l’invention propose, selon un aspect, un système de quantification de débit de fuite de gaz comportant un dispositif de capture et de conditionnement de gaz et un dispositif de traitement numérique associé. Ce système est tel que :
-le dispositif de capture et de conditionnement comporte un module de capture et de transport de gaz de fuite, dit premier gaz, connecté à un module de conditionnement et de traitement comportant une section d’entrée comportant une entrée d’un deuxième gaz et un dispositif de conditionnement de flux permettant de former un mélange formaté entre le premier gaz et le deuxième gaz, ledit dispositif de conditionnement de flux produisant un cisaillement de flux comportant des tourbillons mélangeant le premier gaz et le deuxième gaz, et une section d’observation du mélange de gaz formaté ;
-et le dispositif de traitement numérique comporte une caméra positionnée au niveau de la section d’observation pour acquérir des images successives du mélange de gaz formaté, ladite caméra comportant ou étant reliée à un processeur de calcul configuré pour quantifier le débit de premier gaz, la quantification de débit comprenant une analyse d’au moins deux images successives pour estimer une distribution spatiale d’une vitesse apparente de gaz dudit premier gaz.
Avantageusement, le système de l’invention met en œuvre un dispositif de traitement numérique d’images, en particulier d’imagerie infrarouge, pour la détermination de débit de fuite de gaz à partir d’images observées. Avantageusement, le système de l’invention comporte un module de conditionnement de flux permettant de former un mélange de gaz, conditionné selon des caractéristiques de conditionnement choisies, permettant de faciliter la quantification de débit de fuite de gaz par traitement d’images.
Le système de quantification de débit de fuite de gaz selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou selon toutes les combinaisons techniquement envisageables.
La caméra est une caméra infrarouge.
Le dispositif de capture et de conditionnement comporte en outre une section de sortie qui comporte un module d’extraction de flux de vitesse réglable, réalisant une poussée de flux.
La vitesse dudit module d’extraction est réglée de manière à être compatible avec une fréquence d’acquisition d’images de la caméra.
La section de sortie comporte en outre au moins une grille perforée et une mousse attenante, disposées perpendiculairement à une direction principale d’écoulement du flux.
La section d’observation est un boîtier, comportant un fond fixé sur une première paroi, la caméra étant adaptée à être fixée sur une deuxième paroi, en vis-à-vis de ladite première paroi.
Le module de capture et de transport de gaz de fuite est formé en matériau étanche à l’air ambiant.
Le dispositif de conditionnement de flux comporte une grille perforée avec des motifs en forme de nid d’abeille.
Le dispositif de conditionnement de flux comporte en outre un réseau d’au moins un demi-barreau creux. Le processeur de calcul est configuré pour mettre en œuvre en outre une combinaison de la distribution spatiale de la vitesse apparente du premier gaz estimée avec une distribution spatiale de concentration-épaisseur dudit premier gaz pour obtenir une distribution spatiale de flux instantané.
La distribution spatiale de concentration-épaisseur est obtenue par une étape de calibration préalable, consistant à associer des valeurs d’intensité à des valeurs de concentration dudit premier gaz sur une épaisseur le long d’un trajet optique de visualisation.
Le processeur de calcul est configuré pour mettre en œuvre en outre une intégration dans l’espace des distributions spatiales de flux de gaz instantané selon un profil donné, pour calculer un débit volumique instantané de gaz de fuite.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de quantification de débit de fuite de gaz mis en œuvre dans un système de quantification de débit de fuites de gaz tel que brièvement décrit ci-dessus, comportant des étapes de :
-acquisition d’au moins deux images successives représentatives d’un mélange de gaz formaté, comportant un premier gaz de fuite et un deuxième gaz,
-estimation d’une distribution spatiale de la vitesse apparente dudit premier gaz par une méthode d’estimation de flot optique,
-combinaison de la distribution spatiale de la vitesse apparente de premier gaz estimée avec une distribution spatiale de concentration-épaisseur dudit premier gaz pour obtenir une distribution spatiale de flux instantané.
Selon une caractéristique, le procédé comporte en outre une intégration dans l’espace des distributions spatiales de flux de gaz instantané selon un profil donné, pour calculer un débit volumique instantané de gaz de fuite.
Selon une caractéristique particulière, la distribution spatiale de concentration- épaisseur est obtenue par une étape de calibration préalable, consistant à associer des valeurs d’intensité à des valeurs de concentration dudit premier gaz sur une épaisseur le long d’un trajet optique de visualisation.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
[Fig 1] la figure 1 illustre un mode de réalisation d’un dispositif de capture et de conditionnement faisant partie d’un système de quantification de débit de fuite de gaz;
[Fig 2] la figure 2 est une vue de coupe selon un premier plan de coupe d’un dispositif de conditionnement de flux ; [Fig 3] la figure 3 est une vue selon un deuxième plan de coupe d’un dispositif de conditionnement de flux ;
[Fig 4] la figure 4 est une représentation schématique d’un dispositif de traitement numérique faisant partie d’un système de quantification de débit de fuite de gaz selon un mode de réalisation ;
[Fig 5] la figure 5 est un logigramme des principales étapes d’un procédé de quantification de débit de fuite de gaz selon un mode de réalisation.
La figure 1 représente schématiquement des éléments d’un système 1 de quantification de débit de fuite de gaz selon un mode de réalisation de l’invention, en particulier un dispositif de capture et de conditionnement de gaz 2.
Le dispositif 2 de capture et de conditionnement de gaz reçoit en entrée du gaz 4, par exemple issu d’une fuite de biogaz d’une installation de méthanisation. Par exemple, ce gaz de fuite capté est composé de méthane et de dioxyde de carbone.
Le dispositif 2 est adapté pour être disposé à proximité d’une installation de méthanisation qui n’est pas représentée sur la figure 1 , par exemple comprise entre 1 et 50 mètres de l’installation, et de préférence entre 2 et 8 mètres.
Ce dispositif de capture et de conditionnement de gaz comporte un module 5 de capture et de transport, formé dans un mode de réalisation d’un soufflet 6, réalisé en un premier matériau étanche à l’air et souple, par exemple en matériau plastique souple, tel que le polyéthylène, et un conduit de transport 8, réalisé en un deuxième matériau étanche à l’air, par exemple en matériau plastique souple, par exemple également du polyéthylène. Dans un mode de réalisation, le deuxième matériau est identique au premier matériau.
Dans un mode de réalisation, le soufflet 6 est en forme de jupe (cloche ou conique), de diamètre qui se rétrécit au niveau de la connexion au conduit de transport. De préférence, le bord 7 de diamètre le plus large de la jupe 6 forme un boudin lesté en forme d’anneau, par exemple de type chambre à air remplie de sable. Ainsi, avantageusement, la jupe 6 permet de capoter la fuite en minimisant les prises d’air extérieures, entre le boudin 7 lesté et la surface sur laquelle il repose (non représentée sur la figure).
Le module 5 de capture et de transport de gaz est connecté à un module 10 de conditionnement et de traitement du gaz, afin d’acheminer le gaz de fuite capté vers ce module 10 de conditionnement et de traitement.
En particulier, le conduit de transport 8 pénètre dans une section d’entrée 12 du module 10 de conditionnement et de traitement.
De plus, la section d’entrée 12 est agencée pour laisser pénétrer un deuxième gaz, différent du premier gaz (gaz de fuite capté), le deuxième gaz étant par exemple de l’air ambiant 15. De préférence, ce deuxième gaz ne doit pas modifier la quantité de premier gaz de fuite, donc par exemple, lorsque le premier gaz de fuite est du méthane, le deuxième gaz ne contient pas de méthane.
Ainsi, la section d’entrée 12 a pour objectif un apport d’un deuxième gaz permettant d’améliorer le contraste, et par conséquent d’optimiser la quantification de débit.
Par exemple, l’air ambiant pénètre dans la section d’entrée 12 du module 10 de conditionnement et de traitement au travers de perforations 16 pratiquées dans la paroi 14 illustrée à la figure 1 .
De plus, le module 10 de conditionnement et de traitement comporte un dispositif 18 de conditionnement de flux permettant de former un mélange entre le premier gaz de fuite capté et le deuxième gaz apporté via la section d’entrée 12. Le dispositif 18 est par exemple un dispositif de production de cisaillement de flux, permettant d’obtenir un gradient de concentration de gaz de fuite.
Le cisaillement de flux produit des tourbillons mélangeant le gaz de fuite capté et le deuxième gaz apporté via la section d’entrée 12.
Ces tourbillons se déplacent se déplacent moins vite que le deuxième gaz (ou fluide environnant).
Ainsi, la mesure de débit de gaz de fuite est facilitée.
Dans un mode de réalisation le dispositif 18 de conditionnement de flux comporte, comme illustré dans les vues en coupe des figures 2 et 3, une grille 19 à trous, par exemple agencés selon un motif en forme de nid d’abeille, et un réseau 21 de deux demi-barreaux creux 23, positionnés l’un parallèle à l’autre, à une distance de quelques diamètres de demi- barreau.
Dans un mode de réalisation, un espace de l’ordre d’un diamètre de demi-barreau est prévu entre les demi-barreaux 23 et la grille 19.
Avantageusement, l’orientation des barreaux suivant l’axe optique de la caméra permet un effet d’intégration du mélange suivant l’axe des tourbillons qui se présentent comme des gros rouleaux.
Chaque demi-barreau a un profil en forme de C (profil semi-circulaire) dans une coupe transversale, comme illustré sur la figure 3. Les demi-barreaux 23 sont positionnés de préférence avec le creux dos au flux, ce qui permet d’aspirer aux extrémités le mélange des gaz pour former des tourbillons. Cette formation tourbillonnaire permet de texturer le mélange des gaz et de ralentir la vitesse de déplacement du flux de premier gaz de fuite, et ainsi faciliter la mesure de cette vitesse de déplacement.
En variante, un seul demi-barreau creux est utilisé.
Selon une autre variante, plus de deux demi-barreaux creux sont utilisés. Selon une autre variante, chaque demi-barreau creux est formé à partir d’un barreau de profil de forme géométrique autre que circulaire, par exemple cylindrique, carrée, triangulaire.
Selon encore une autre variante, on utilise des barreaux pleins, de section de forme quelconque, par exemple cylindrique, carrée, triangulaire, ou des barreaux en forme de cylindres torsadés, tronconiques, ondulés.
Optionnellement, la section d’entrée 12 comporte une mousse 17 pour favoriser l’homogénéité et réduire le débit du flux entrant de deuxième gaz.
Ainsi, le mélange de premier gaz de fuite et de deuxième gaz est formaté.
Par la suite, dans un mode de réalisation, le deuxième gaz est de l’air, et le mélange formaté est un mélange de gaz de fuite et d’air.
Le module 10 de conditionnement et de traitement comporte également une section 20 d’observation du mélange de gaz formaté.
La section 20 est également illustrée à la figure 4, selon un mode de réalisation.
Dans ce mode de réalisation, la section 20 est réalisée sous forme d’un boîtier, par exemple parallélépipédique, et une première paroi de ce boîtier comporte une ouverture 22, de forme choisie pour fixer une caméra d’acquisition d’images 24, par exemple une caméra infrarouge. En outre, dans un mode de réalisation, le boîtier comporte un fond25, positionné sur la partie interne d’une deuxième paroi du boîtier 20, située en vis-à-vis par rapport à la première paroi comportant une ouverture 22, de manière à ce que le fond 25 se situe en fond d’image lors de l’acquisition d’images par la caméra 24.
Optionnellement, le fond 25 est un fond chauffant électrique ce qui permet d’augmenter le contraste observé par la caméra infrarouge. En variante, le fond 25 est un fond froid.
Selon une autre variante, lorsque la caméra d’acquisition d’images 24 est une caméra fonctionnant dans le domaine du visible, le fond 25 est par exemple un fond texturé, par exemple de type échiquier.
La caméra 24 est connectée à un dispositif électronique de calcul 26, i.e. un ordinateur, comportant notamment un processeur de calcul configuré pour estimer le débit de fuite de gaz, comme décrit plus en détail ci-après. Le processeur est un processeur générique ou un processeur dédié au traitement des images.
La caméra 24 et le dispositif électronique de calcul 26 forment un dispositif de traitement numérique 28 faisant partie du système de quantification de débit de fuites de gaz 1 , ce dispositif 28 étant configuré pour observer le mélange gaz formaté et calculer, en utilisant les observations enregistrées, le débit de fuite de gaz. Le module 10 de conditionnement et de traitement comporte en outre une section de sortie 30 comportant un module 32 d’extraction de flux qui crée une aspiration d’air/gaz et contribue à la formation du mélange gaz formaté. En particulier, le module 32 d’extraction du flux permet de créer une poussée du flux vers l’aval (dans la direction d’écoulement de flux, indiquée par le sens des flèches à la figure 1 ). Par exemple le module 32 d’extraction comporte un ventilateur axial comportant un moteur entraînant une hélice. En variante, le module 32 d’extraction réalise un jet d’air comprimé injecté dans la direction d’écoulement du flux.
De préférence, le module 32 permet de contrôler la vitesse du flux de gaz. Par exemple, le module 32 est un ventilateur axial avec une vitesse de rotation contrôlée.
En variante, le module 32 est un dispositif mécanique d’extraction de flux, par exemple un registre.
En particulier, le module 32 d’extraction permet de ralentir le déplacement de la fuite de gaz afin d’améliorer le suivi du déplacement du gaz par l’acquisition d’une séquence d’images.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1 , la section de sortie 30 a une forme d’entonnoir présentant un rétrécissement formant un goulot d’étranglement. Ainsi le diamètre de la partie 34 d’expulsion vers l’extérieur du mélange gaz formaté est inférieur au diamètre de la partie 36 raccordée à la section 20 d’observation du mélange de gaz formaté.
La section de sortie 30 comporte, dans le mode de réalisation illustré à la figure 1 , deux grilles perforées 31 , 33 séparées par une mousse 35, ce qui a pour effet de maintenir l’homogénéité du flux dans les sections d’entrée 12 et d’observation 20. Grâce à cet agencement, le flux de gaz est aspiré de façon homogène sur toute la surface perpendiculaire à la direction d’écoulement du flux.
En variante, une seule grille perforée est présente.
Ainsi, le dispositif 2 de capture et de conditionnement du gaz de fuite est configuré pour mettre en forme un mélange gaz, formé du premier gaz de fuite et d’un deuxième gaz, par exemple de l’air, formaté sous forme de tourbillon contrôlé.
De plus, le système 1 comporte un dispositif de traitement numérique 28, configuré pour acquérir des images successives, formant une séquence d’images, du mélange gaz formaté par une caméra, par exemple adaptée à fonctionner dans le domaine infrarouge, par exemple sous forme de vidéo, et d’effectuer un traitement de ces images pour estimer le débit de fuite de gaz.
Le mélange de gaz formaté sous forme tourbillonnaire produit des variations de densités observables sous forme de textures dans les images acquises par la caméra infrarouge. L’estimation du débit de gaz comprend une analyse d’au moins deux images successives pour estimer une distribution spatiale de la vitesse de gaz.
Selon des variantes du système de quantification de débit de fuites de gaz décrit ci- dessus, la caméra utilisée est une caméra optique fonctionnant dans le domaine de la lumière visible, et le fond 25 est un fond texturé permettant d’augmenter le contraste.
La figure 5 est un logigramme des principales étapes d’un procédé de quantification du débit de gaz par traitement d’images mis en œuvre par un processeur du dispositif électronique de calcul 26 connecté à la caméra infrarouge 24.
Dans ce mode de réalisation, le procédé est réalisé sous forme de programme d’ordinateur, comportant des instructions de code exécutables par un processeur du dispositif électronique de calcul 26.
Le procédé comporte une acquisition 40 d’une séquence d’images par une caméra infrarouge. Les images sont acquises sous forme d’images numériques, chaque image étant formée par une matrice de pixels, chaque pixel ayant une valeur d’intensité.
Le procédé comporte ensuite, pour au moins deux images infrarouges consécutives, une estimation 42 de la distribution spatiale de la vitesse apparente du gaz par mise en œuvre d’une méthode d’estimation de flot optique. La vitesse apparente du gaz est la vitesse moyenne pondérée par la quantité de gaz suivant l’épaisseur d’observation du gaz le long du trajet optique de visualisation.
De préférence, la distribution spatiale de la vitesse apparente du gaz est estimée par une technique de flot optique multi-échelles, dédiée au mouvement des fluides. Toute méthode connue dans le domaine de la vision par ordinateur peut être appliquée à cet effet.
Le procédé comporte ensuite une étape 44 de combinaison de la distribution spatiale de la vitesse apparente du gaz avec la distribution spatiale de la concentration- épaisseur du gaz.
La concentration-épaisseur du gaz de fuite est calculée et mémorisée lors d’une étape préalable de calibration 48. Par exemple, l’étape de calibration est réalisée avant toute mise en fonctionnement, et le résultat de cette étape est mémorisé dans une mémoire persistante du dispositif électronique de calcul 26.
Par exemple, la calibration 48 consiste à effectuer des observations d’images infrarouges captées, sur des flux de premier gaz dont la concentration-épaisseur est connue, par exemple grâce à l’utilisation d’un analyseur de concentration.
Dans un mode de réalisation, chaque valeur d’intensité observée dans une image infrarouge correspond à une concentration de gaz de fuite sur l’épaisseur le long du trajet optique de visualisation. En particulier, dans un mode de réalisation, la valeur de concentration-épaisseur est obtenue par une fonction linéaire de l’intensité observée :
[MATH 1]
Ce = / x a
Où I est la valeur d’intensité observée, et a est un coefficient de proportionnalité obtenu dans une phase préalable de calibration 48. Dans ce cas, le coefficient de proportionnalité a est mémorisé suite à l’étape de calibration.
Lors de l’étape de combinaison 44, pour chaque pixel p(x,y) d’un profil observé, on a une vitesse apparente V_app(x,y) calculée à l’étape 42, et une valeur de concentration- épaisseur correspondante Ce(x,y), calculée par exemple selon la formule [MATH 1]
La combinaison consiste à calculer en chaque pixel un débit instantané Q(x,y) :
[MATH 2]
Q(x,y) = V _app(x,y) x Ce(x,y)
A l’issue de l’étape de combinaison 44 est obtenue une distribution spatiale du flux de gaz instantané. La valeur de Q(x,y) est le débit local de gaz estimé pour le pixel p(x,y).
Le procédé comprend ensuite une étape 46 d’intégration dans l’espace des distributions spatiales de flux de gaz instantané obtenues à l’étape 44, pour calculer un débit volumique instantané de gaz de fuite. Le débit volumique instantané est exprimé par exemple en m3/s.
L’intégration est par exemple effectuée sur un profil, par exemple en effectuant une moyenne spatiale par ligne sur toutes les lignes d’une image observée.
De plus, une observation de variations temporelles, et d’éventuelles dérives temporelles, est effectuée en effectuant des intégrations sur des images successives temporellement.
Le procédé de quantification de débit de fuite de gaz a été décrit ci-dessus dans son application sur des images infrarouges, acquises par une caméra infrarouge, adaptée à fonctionner notamment dans une bande de fréquences permettant de visualiser un premier gaz de fuite tel que le méthane.
En variante, d’autres applications sont envisageables, pour d’autres premier gaz, par exemple par utilisation d’une caméra fonctionnant dans le domaine du visible, sur un fond permettant d’observer le premier gaz de fuite sous forme de valeurs d’intensité différentes des valeurs du fond. En effet, les étapes 40 à 46 décrites ci-dessus sont applicables, après mise en œuvre d’une étape préalable de calibration 48, dans laquelle une valeur de concentration-épaisseur est associée à chaque valeur d’intensité observée.
Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus en référence à la figure 5, la concentration-épaisseur dépend linéairement de la valeur d’intensité observée. Selon des variantes, une table de valeurs mémorisant des associations de valeurs d’intensité et des valeurs de concentration-épaisseur correspondantes sont enregistrées.
Avantageusement, le dispositif de capture et de conditionnement de gaz décrit permet d’obtenir un mélange de gaz formaté, le formatage favorisant l’estimation de débit du gaz.
Avantageusement, l’utilisation d’un fond permet de faciliter la calibration permettant d’associer des valeurs d’intensité d’images acquises et des valeurs de concentration- épaisseur.
Avantageusement, la calibration permettant d’associer des valeurs d’intensité d’images acquises et des valeurs de concentration-épaisseur peut être effectuée dans une phase de mise en place d’un système de quantification de débit de fuites de gaz tel que décrit ci-dessus, pour une caméra d’acquisition d’images donnée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de quantification de débit de fuites de gaz comportant un dispositif (2) de capture et de conditionnement de gaz et un dispositif (28) de traitement numérique associé, caractérisé en ce que :
-le dispositif de capture et de conditionnement (2) comporte :
-un module (5) de capture et de transport de gaz de fuite, dit premier gaz, connecté à un module (10) de conditionnement et de traitement comportant : une section d’entrée (12) comportant une entrée d’un deuxième gaz et un dispositif de conditionnement de flux (18) permettant de former un mélange formaté entre le premier gaz et le deuxième gaz, ledit dispositif de conditionnement de flux (18) produisant un cisaillement de flux comportant des tourbillons mélangeant le premier gaz et le deuxième gaz, une section d’observation (20) du mélange de gaz formaté,
- et le dispositif (28) de traitement numérique comporte :
-une caméra (24) positionnée au niveau de la section d’observation (20) pour acquérir des images successives du mélange de gaz formaté, ladite caméra comportant ou étant reliée à un processeur de calcul configuré pour quantifier le débit de premier gaz, la quantification de débit comprenant une analyse d’au moins deux images successives pour estimer une distribution spatiale d’une vitesse apparente de gaz dudit premier gaz.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel ladite caméra (24) est une caméra infrarouge.
3. Système selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le dispositif (18) de capture et de conditionnement comporte en outre une section de sortie (30) qui comporte un module d’extraction (32) de flux de vitesse réglable, réalisant une poussée de flux.
4. Système selon la revendication 3, dans lequel la vitesse dudit module d’extraction (32) étant réglée de manière à être compatible avec une fréquence d’acquisition d’images de la caméra (24).
5. Système selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la section de sortie (30) comporte en outre au moins une grille perforée (31 , 33) et une mousse attenante (35), disposées perpendiculairement à une direction principale d’écoulement du flux.
6. Système selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la section d’observation (20) est un boîtier, comportant un fond (25) fixé sur une première paroi, la caméra étant adaptée à être fixée sur une deuxième paroi, en vis-à-vis de ladite première paroi.
7. Système selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le module (5) de capture et de transport de gaz de fuite est formé en matériau étanche à l’air ambiant.
8. Système selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le dispositif de conditionnement de flux (18) comporte une grille perforée (19) avec des motifs en forme de nid d’abeille.
9. Système selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif de conditionnement de flux (18) comporte en outre un réseau (21 ) d’au moins un demi-barreau (23) creux.
10. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ledit processeur de calcul est configuré pour mettre en œuvre en outre une combinaison de la distribution spatiale de la vitesse apparente du premier gaz estimée avec une distribution spatiale de concentration-épaisseur dudit premier gaz pour obtenir une distribution spatiale de flux instantané.
11. Système selon la revendication 10, dans lequel la distribution spatiale de concentration-épaisseur est obtenue par une étape de calibration préalable, consistant à associer des valeurs d’intensité à des valeurs de concentration dudit premier gaz sur une épaisseur le long d’un trajet optique de visualisation.
12. Système selon la revendication 11 , dans lequel ledit processeur de calcul est configuré pour mettre en œuvre en outre une intégration dans l’espace des distributions spatiales de flux de gaz instantané selon un profil donné, pour calculer un débit volumique instantané de gaz de fuite.
13. Procédé de quantification de débit de fuites de gaz, mis en œuvre dans un système de quantification de débit de fuites de gaz conforme aux revendications 1 à 12, comportant des étapes de :
-acquisition (40) d’au moins deux images successives représentatives d’un mélange de gaz formaté, comportant un premier gaz de fuite et un deuxième gaz,
-estimation (42) d’une distribution spatiale de la vitesse apparente dudit premier gaz par une méthode d’estimation de flot optique,
-combinaison (44) de la distribution spatiale de la vitesse apparente de premier gaz estimée avec une distribution spatiale de concentration-épaisseur dudit premier gaz pour obtenir une distribution spatiale de flux instantané.
14. Procédé selon la revendication 13, comportant en outre une intégration (46) dans l’espace des distributions spatiales de flux de gaz instantané selon un profil donné, pour calculer un débit volumique instantané de gaz de fuite.
15. Procédé selon l’une des revendications 13 ou 14, dans lequel la distribution spatiale de concentration-épaisseur est obtenue par une étape de calibration (48) préalable, consistant à associer des valeurs d’intensité à des valeurs de concentration dudit premier gaz sur une épaisseur le long d’un trajet optique de visualisation.
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