Surveillance du réseau de distribution de gaz par mesure de pression continue

Surveillance du réseau de distribution de gaz par mesure de pression continue

Les enregistreurs de processus autonomes de l’entreprise AIRVALVE fonctionnent avec des capteurs de pression STS pour assurer la surveillance de points critiques dans le réseau de distribution de gaz détenu par SWK Netze GmbH. Le principe appliqué ici permet d’allier une fiabilité de planification à un coût relativement bas de la mise en œuvre.

SWK Netze GmbH effectue des mesures poussées sur son réseau de distribution de gaz pour l’étalonnage de son programme de pipelines. À cette fin, des mesures de pression continues doivent être effectuées sur quinze points critiques dans le cadre de son projet « Surveillance du réseau de distribution de gaz de ville ». En plus de la nécessité d’obtenir des valeurs mesurées de la plus grande précision possible , il était également primordial lors de la réalisation de ce projet que les instruments de mesure fonctionnent de façon fiable sur une durée de vie importante, et qu’ils aientégalement une force de signal suffisante pour transmettre les mesures régulièrement, même lorsque installés sous terre. Pour réduire au maximum le travail d’installation de conduites et le travail en sous-sol, les pressions devaient être mesurées au niveau de dispositifs de ventilation existants. Pour cela, l’équipement de mesure devait être installé sous des plaque métalliques de taille 3.

Pour réaliser cette tâche, le choix s’est porté sur les enregistreurs de mesure de type LS-42 produi par . Au cours de tests poussés, il est d’abord apparu que les produits de cette gamme d’enregistreurs étaient les seuls à disposer d’une antenne intégrée haute performance, capable de fournir une transmission de signal sans interférence même dans les galeries.

Stabilité à long terme et facilité d’utilisation sont des facteurs clés

L’instrument de mesure, grâce à sa batterie interchangeable haute performance, fonctionne sans branchement électrique et sans raccordement téléphonique pendant plus de 10 ans. Cet enregistreur de processus qui se monte très facilement, en plus d’être configurable à distance, assure une transmission sécurisée des mesures relevées grâce à des cartes SIM sélectionnables librement ou à un multi-réseau avec tunnel VPN privé (voir Fig. 1 qui illustre la conception de l’enregistreur de processus). Il est par conséquent parfaitement adapté aux sites à distance ou difficilement accessibles, qui doivent pouvoir être surveillés sur une longue durée sans nécessiter de maintenance ardue.

Figure 1: Schéma de l’enregistreur de données
Source: AIRVALVE
Source de l’image: Bosch Mobility Solutions

 

Ces exigences en termes de durabilité et de performance de fonctionnement ont bien sûr été également placées sur les capteurs utilisés pour la mesure de pression. AIRVALVE a opté dans ce cas-ci pour les transmetteurs de pression ATM.ECO/N de STS.  Ces capteurs de 100 mbar sont alimentés par la batterie interchangeable de l’enregistreur de processus, sont protégés par une enveloppe résistante en acier inoxydable et fournissent des résultats précis d’une précision ≤ ± 0,70 % sur une plage de température de -5 à 50 °C. En termes de stabilité à long terme, l’ ATM.ECO/N affiche une valeur < 0,5 %.

Assemblage du système de mesure sur le réseau de distribution de gaz

Le système de mesure complet pour la surveillance du réseau de distribution de gaz est installé dans des coffrets enterrés sous une plaque de rue (voir Fig. 2). Grâce à l’utilisation de dispositifs de ventilation existants, le travail nécessaire pouvait être effectué à faible coût. Pour mettre en place les mesures de pression, la borne de ventilation montante a été remplacée par un réducteur (1). À l’aide d’une vanne à bille, la connexion de mesure peut être coupée (2). La calibration du capteur de pression est facilitée par un couplage Minimess (3). Le capteur de pression (4) est connecté par le biais d’un boîtier de jonction à égalisation de pression (5) à l’enregistreur de processus AIRVALVE (6). Celui-ci est alors fixé à un ancrage au sol (7) au moyen d’un cliquet.

Figure 2: Vue d’ensemble du système de mesure
Source: AIRVALVE

Les mesures sont réalisées toutes les 5 minutes. Cet intervalle de mesure est sélectionnable entre une et 60 minutes. Les valeurs mesurées sont transmises plusieurs fois au cours de la journée au centre de contrôle. La transmission des valeurs relevées peut se faire par le biais de cartes multi-réseau sécurisées par VPN ou de cartes SIM à simple contrat. Les communications sont possibles à l’aide de centres de contrôle Internet ou encore de systèmes SCADA. Dans cet exemple d’application, SWK Netze GmbH a opté pour le centre de contrôle Internet « Web-LS » pour gérer les données obtenues par le biais de serveurs hautement sécurisés.

 

La pression libère le potentiel du gaz naturel comprimé

La pression libère le potentiel du gaz naturel comprimé

Grâce à sa très haute densité énergétique, le gaz naturel comprimé (GNC) est idéal comme carburant automobile. Le GNC a un indice d’octane d’environ 120 et une chaleur de combustion de 9 000 à 11 000 kcal/kg ou 38 à 47 MJ/kg.

De plus, la combustion du GNC produit beaucoup moins d’émissions de CO2 que la combustion d’essence, par exemple. Et comme le GNC est un carburant particulièrement économique dans de nombreux pays, les constructeurs manifestent un intérêt croissant pour le développement de véhicules capables de fonctionner avec ce type de carburant alternatif.

Le principal défi lié à l’optimisation d’un moteur à combustion interne fonctionnant au GNC consiste à réguler la pression d’injection dans la rampe d’alimentation.

Illustration 1: Exemple d’un système hybride fonctionnant à l’essence et au GNC
Source de l’image: Bosch Mobility Solutions

 

Le GNC, stocké à environ 200 bars, est généralement injecté entre 2 et 9 bars en fonction des besoins du moteur : une pression basse pour une conduite économe en carburant dans les plages de vitesses basses, et une pression plus élevée lorsque davantage de puissance et de couple sont requis.

L’efficacité de la combustion dans le cylindre d’un moteur dépend fortement de la température et de la pression du GNC : une augmentation de la pression à volume constant se traduira par une densité massique plus élevée du gaz, augmentant ainsi son pouvoir calorifique.

Bien que la température initiale et la pression d’injection puissent être modifiées, des pertes de puissance et une faible manœuvrabilité peuvent survenir si ces éléments ne sont pas calibrés avec précision au cours du développement.

Injecter du GNC sous pression

Généralement, le GNC est alimenté depuis un réservoir haute pression vers la rampe d’alimentation via un régulateur de pression. Pour une combustion efficace du carburant, la quantité de gaz naturel injectée doit toujours correspondre à la masse d’air requise par le moteur. Pour cela, la gestion électronique du moteur utilise généralement un débitmètre pour déterminer la quantité exacte d’air nécessaire, puis la quantité de GNC à injecter.

Dans les moteurs à injection directe, le GNC est alimenté vers le collecteur d’admission par un distributeur de gaz naturel. Un capteur de pression mesure la pression et la température dans le distributeur de gaz naturel, permettant ainsi aux injecteurs de gaz naturel de fournir la quantité précise de carburant requise.

Alternativement, l’injection peut également être mise en œuvre sans distributeur de gaz naturel, en alignant chaque injecteur avec un cylindre correspondant. Avec ce principe d’injection multipoint, le gaz est injecté sous pression à chaque collecteur d’admission de cylindre, en amont de la soupape d’admission.

Étant donné que les variations de pression ont une influence importante sur les performances d’un moteur qui fonctionne au GNC, le couple du moteur et les émissions de gaz d’échappement (CO, CO2, NOx et hydrocarbures) doivent être enregistrés lors des essais du moteur.

Optimiser la pression du rail dans toutes les conditions de conduite

Pour optimiser un système au GNC, il est important que la pression à l’intérieur du rail soit mesurée avec précision à diverses ouvertures du papillon des gaz pendant les phases de conception et d’essais, et qu’elle soit comparée au couple du moteur et aux émissions de gaz d’échappement correspondantes. Par conséquent, la plupart des ingénieurs en développement ont besoin de capteurs de pression de haute qualité.

Il est important que ces capteurs fournissent des lectures précises sur une large plage de pressions, tout en conservant leur intégrité à des températures élevées.

Bien qu’une augmentation de la pression du GNC réduise les émissions de CO2, de HC et de NOx, elle a également pour effet d’augmenter le CO des gaz d’échappement. Il est donc indispensable d’enregistrer avec précision les effets de la modulation de la pression d’injection de GNC.

Pendant les tests, un régulateur de pression est utilisé pour contrôler la pression d’injection mesurée par un capteur de pression situé dans le rail. Et un débitmètre analogique, en général d’une capacité de 2,5 m3/h, est utilisé pour mesurer et contrôler le débit d’air entrant. Enfin, un dynamomètre de châssis est utilisé pour enregistrer le couple moteur.

Tout au long des tests, la température et le débit du gaz sont maintenus à des valeurs constantes, respectivement de 22 °C et de 0,1 SCFH. Un ventilateur de forte puissance est utilisé pour maintenir la température du moteur pendant les tests, et un équipement de contrôle des émissions est fixé à la sortie d’échappement pour enregistrer la teneur en CO, CO2, hydrocarbures et NOx des gaz d’échappement.

Le processus est assez complexe et exige que la pression, le couple et les émissions du rail soient mesurés à des centaines de points d’ouverture du papillon des gaz afin de créer une cartographie efficace des besoins du moteur.

Mesurer, enregistrer et saisir toutes ces données dans des tableaux appropriés prend beaucoup de temps. Par conséquent, les ingénieurs de développement se tournent souvent vers des outils de modélisation pour accélérer le développement. Ces outils fournissent généralement un environnement de simulation et de conception permettant de développer des systèmes dynamiques et intégrés, réduisant ainsi le nombre de versions matérielles requises pour concevoir le système.

Le modèle de simulation est codé avec les informations obtenues lors des tests en temps réel, puis intégré dans un exécutable utilisant un compilateur C afin de l’exécuter sur un système d’exploitation en temps réel.

Une fois les données de base capturées, il est possible de générer un nombre infini de simulations en temps réel qui sont applicables à n’importe quel aspect du cycle de conception – du concept initial à la conception du contrôleur, en passant par les essais et la validation à l’aide de tests HIL (Hardware-in-the-loop).

Un programme d’essai utilisant des équipements et des capteurs de pression professionnels, permet aux véhicules fonctionnant au GNC d’atteindre des performances et une manœuvrabilité comparables aux véhicules fonctionnant aux combustibles fossiles, tout en réduisant les coûts et les émissions

Les diagraphies de forages nécessitent des capteurs de pression robustes et performants

Les diagraphies de forages nécessitent des capteurs de pression robustes et performants

Le terme «diagraphie de forage» (ou mud logging en anglais) fait référence aux méthodes analytiques appliquées à la boue de forage lors des opérations de forage. Lors de ce processus, l’usage de capteurs de pression puissants et robustes est essentiel.

Bien que le terme «diagraphie de forage» soit relativement explicite, il offre une description incomplète du processus: les techniciens de surveillance de forages (ou mud logger en anglais) sont chargés de la collecte et de l’étude d’échantillons de forage. Ils analysent en temps réel les données provenant du processus de forage. C’est la raison pour laquelle ce type de diagraphie est aussi appelé «diagraphie instantanée». La boue de forage est le composant le plus important d’une diagraphie car elle transporte les informations de forage depuis le fond du trou jusqu’à la surface, où les déblais (c.-à-d. les morceaux de formations rocheuses) contenus dans le fluide de forage sont examinés.

Ces analyses fournissent un protocole de profondeur permettant de déterminer la profondeur des hydrocarbures, d’identifier la lithologie de forage et de surveiller les gaz naturels susceptibles de pénétrer dans la boue de forage. Les diagraphies de forages servent également à estimer la pression interstitielle ainsi que la porosité et la perméabilité de la formation forée. Elles permettent aussi de collecter, de surveiller et d’évaluer les hydrocarbures, d’évaluer la productibilité des formations contenant des hydrocarbures et de conserver un enregistrement des paramètres de forage. Ces données sont essentielles pour garantir des opérations de forage sûres et rentables.

Les diagraphies instantanées sont effectuées en temps réel dans des laboratoires mobiles installés sur le site de forage. Les données en temps réel sont directement utilisées pour le contrôle du forage. Les diagraphies de forages sont généralement effectuées par des spécialistes engagés par la société de forage. STS fournit des capteurs de pression à plusieurs prestataires de services de diagraphies de forages.

La caractéristique essentielle des capteurs de pression utilisés dans les processus de forage: durabilité

Pour surveiller le processus de forage, les techniciens de surveillance de forages montent divers capteurs sur l’appareil de forage. La détection de pertes, même mineures, de la pression des tiges de forage nécessite un très haut degré de précision. Des temps de réponse immédiats sont également nécessaires pour éviter tous problèmes de repêchage et pour minimiser les risques et les coûts associés à d’éventuelles anomalies.

Les sites de forage sont des environnements difficiles qui peuvent être très exigeants pour les capteurs de pression. Les deux facteurs les plus importants à cet égard sont la boue et les vibrations des opérations de forage.

Image 1: Capteur de pression certifié ATEX pour des applications de diagraphie

Pour faire face à ces conditions difficiles, STS fournit aux prestataires de services de diagraphies des capteurs ATM/ECO/EX équipés de boitiers personnalisés. Les capteurs de pression certifiés ATEX sont optimisés pour des plages de haute pression. Les vibrations générées lors des processus de forage affectent principalement la zone située entre le tube et le raccord de pression. Pour résoudre ce problème, STS utilise une double soudure sur le raccord et un tube en acier inoxydable plus épais (26,5 mm). Outre les plages de haute pression et les vibrations, une autre difficulté est à prendre en considération : la boue peut obstruer le canal de pression. Pour éviter tout problème d’obstruction, nous avons élargi le canal de pression à 10 mm. Étant donné que les techniciens de surveillance de forages travaillent principalement avec des pressions statiques, l’augmentation du canal de pression n’engendre aucun risque de détérioration de la membrane de pression.

La télémétrie d’impulsion via la boue : transmissions de données MWD avec des capteurs de pression

La télémétrie d’impulsion via la boue : transmissions de données MWD avec des capteurs de pression

Les transmissions de données hydrauliques nécessitent des capteurs de pression sensibles, capables de supporter des pressions élevées. Cela est particulièrement vrai lorsqu’ils sont utilisés dans des applications de mesure en cours de forage (MWD).

Les mesures MWD sont devenues une application courante, en particulier dans le forage directionnel en mer. La collecte de données en temps réel est essentielle pour mesurer la trajectoire du trou foré. À cette fin, divers capteurs sont montés sur la tête de forage pour fournir des informations en temps réel sur l’environnement de forage. Des capteurs d’inclinaison, de température, d’ultrasons et de rayonnement sont utilisés. Ces différents capteurs sont connectés de manière physique ou numérique à une unité logique, qui convertit les informations en chiffres binaires. Les données de fond de trou sont transmises à la surface par télémétrie d’impulsion via la boue. En plus de la surveillance et du contrôle du processus de forage, les données sont utilisées pour d’autres aspects, notamment :

  • Le contrôle de l’état de la tête de forage.
  • L’enregistrement des formations géologiques traversées par le forage.
  • La création de statistiques de performances pour identifier les améliorations possibles.
  • L’analyse des risques pour les futurs forages.

La télémétrie d’impulsion via la boue est un système de transmission à codage binaire qui utilise des liquides. Une vanne modifie la pression de la boue de forage dans la colonne de forage, et convertit les enregistrements des capteurs montés sur la tête de forage en impulsions de pression. Les pulsations atteignent la surface via la boue de forage. Les impulsions de pression sont mesurées à la surface par un capteur de pression, puis elles sont converties en signal électrique. Ce signal est transmis à un ordinateur, puis numérisé.

STS fournit aux sociétés de forage directionnel en mer des capteurs de pression analogiques optimisés pour la télémétrie d’impulsion via la boue. Les capteurs doivent répondre à des exigences élevées : ils doivent être extrêmement sensibles afin de garantir des relevés fiables et précis, même pour les plus petites différences de pression. Les capteurs doivent également pouvoir résister à des pressions allant jusqu’à 1 000 bars, car de très fortes pressions sont nécessaires pour alimenter la tête de forage dans les trous de forage profonds. Les capteurs de pression utilisés à la surface pour la télémétrie d’impulsion via la boue sont également exposés à ces forces extrêmes.

Outre leur haute sensibilité, les capteurs doivent offrir des temps de réponse très rapides pour assurer une bonne transmission des données en temps réel. Et pour éviter des résultats de mesure faussés, les capteurs doivent être étudiés pour résister aux interférences de bruit de signal. Les pompes à boue, en particulier, sont les éléments qui peuvent causer le plus de bruit de signal dans les applications de forage. L’entraînement de la tête de forage est une autre source d’interférence. Pour cette raison, les capteurs analogiques avec un signal de sortie de 4-20 mAconstituent la meilleure solution pour la télémétrie d’impulsion via la boue.

Solutions novatrices pour la détection de la pression dans la production du biogaz

Solutions novatrices pour la détection de la pression dans la production du biogaz

L’analyse micro-biologique est une composante importante du processus de fabrication du biogaz. Cette installation est équipée de transmetteurs de pression et de température combinés de STS.

L’institut d’ingénierie agricole et d’élevage animal du centre de recherche fédéral Bavarois a examiné parmi d’autres éléments, l’influence des agents activateurs ou des substances toxiques sur le processus de production du biogaz. Par opposition au processus continu d’une centrale de biogaz, les investigations de potentiel tel que celui-ci sont menées au moyen de procédures batch intermittentes. Pour ces investigations, un système mini-batch a été spécialement développé. Celui-ci est basé sur des transmetteurs combinés de pression et de température de STS.

Mesure de l’activité micro-biologique

Pour garantir une surveillance fiable de la température, essentielle dans de telles investigations en raison du rôle vital de celle-ci dans l’activité micro-biologique, le système mini-batch est immergé dans un bain d’eau. Ce bain ne contient pas moins de 33 points de mesure qui permettent de tester 10 variantes, de même qu’un exemple de surveillance, en vue d’une évaluation parallèle et statistique. La mesure de l’activité micro-biologique a lieu indirectement pendant la production en continu du biogaz au moyen des transmetteurs de pression ATM/N de STS.

En vue de calculer également la productivité du méthane, la composition du gaz est analysée régulièrement par une chromatographie de gaz. Après avoir ajouté 100 ml de contenu fermenté dans des bouteilles Schott-Duran de 300 ml, les transmetteurs de pression ATM/N sont en mesure d’enregistrer précisément l’augmentation de la pression entraînée par la production de biogaz. À partir de là, une évaluation statistique et une estimation exactes de l’ajout de substances dans la production de biogaz est possible tout comme la comparaison entre les variantes individuelles.

Les capteurs combinés sont très polyvalents

Grâce à l’enregistrement de ces deux paramètres de processus à partir d’un seul port de pression, les capteurs combinés pour la pression et la températureprésentent un avantage important. La sonde de température est immergée dans le médium et fournit une plage de mesure de -25 à + 50 °C. Toutes les connections sont soudées et conformes au taux de protection IP68. Ainsi, outre leur utilisation industrielle habituelle, ces capteurs peuvent être avantageusement utilisés dans les secteurs industriels agroalimentaire et pharmaceutique. Ces transmetteurs sont classiquement utilisés également dans la construction industrielle et mécanique, dans les technologies de test et de calibrage, dans l’ingénierie de process et la technologie environnementale ainsi que dans la construction de bateaux. Ils peuvent être également installés dans l’environnement industriel des centrales de biogaz pour déterminer le niveau de remplissage à l’intérieur des fermenteurs.

Les caractéristiques suivantes distinguent ces capteurs de pression:
plages de mesure de 0 à 50 mbar, de 0 à 25 bar, haute réactivité et précision (< 0,1 % FS), adaptabilité mécanique et électrique pour les applications destinées à l’utilisateur final en raison du système modulaire choisi par le fabricant. Sur demande, les capteurs peuvent être fournis avec un design de sécurité intrinsèque. C’est grâce à ces propriétés techniques que les capteurs de pression s’adaptent aux divers champs d’application de la technologie de mesure, tout comme aux bancs d’essai et aux équipements de calibrage.

Original publication: INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2014 

La surveillance d’un réseau de distribution de gaz par des mesures de pression en continue

La surveillance d’un réseau de distribution de gaz par des mesures de pression en continue

Les enregistreurs de données autonomes de la société AIRVALVE utilisent des capteurs de pression STS pour surveiller les points critiques du réseau de distribution de gaz appartenant à la société SWK Netze GmbH. Ce procédé garantit une excellente fiabilité de planification pour un coût de mise en œuvre relativement faible.

SWK Netze GmbH effectue des mesures approfondies sur son réseau de distribution de gaz pour étalonner son programme de gazoduc. À cette fin, des mesures de pression continues doivent être effectuées en quinze points critiques pour répondre à leur projet de « surveillance du réseau de distribution de gaz ». Outre leurs attentes élevées concernant la précision des valeurs mesurées, il était crucial que les instruments de mesure puissent fonctionner de manière fiable sur une longue période de temps et qu’ils disposent d’une force de signal suffisante pour transmettre les mesures à intervalles réguliers, même en étant positionnés sous terre. Pour réduire au minimum les travaux d’installation souterraine et de tuyauterie, les pressions devaient être mesurées aux raccords de ventilation déjà existants et le matériel de mesure devait être installé dans des bouches d’accès de taille 3.

Pour mettre en œuvre ce projet, le choix s’est porté sur les enregistreurs de données LS-42 de AIRVALVE. Lors d’essais précédents, ces enregistreurs de données sont apparus comme les seuls à disposer d’une antenne intégrée hautes performances, permettant une transmission stable du signal même dans des installations souterraines.

La stabilité à long terme et la facilité d’utilisation sont des facteurs clés

Grâce à leur batterie hautes performances interchangeable, ces enregistreurs de données fonctionnent sans aucune connexion électrique ou téléphonique sur une durée de plus de 10 ans. Ces instruments de mesure faciles à monter et configurables à distance assurent une transmission sécurisée des mesures par l’usage de cartes SIM librement sélectionnables ou d’une communication multi-réseaux avec tunnel VPN privé (voir l’illustration 1 pour les détails de conception de ces instruments de mesure). Ces enregistreurs de données sont donc parfaitement adaptés aux installations difficiles d’accès qui doivent être surveillées sur de longues périodes sans nécessiter de maintenance fréquente

Illustration 1: Conception de l’enregistreur de données
Source: AIRVALVE

Bien entendu, ces exigences en termes de durabilité et de performances opérationnelles ont également été appliquées aux capteurs utilisés pour les mesures de pression. AIRVALVE a choisi les capteurs de pression ATM.ECO/N de STS. Ces capteurs de 100 mbar sont alimentés par la batterie interchangeable de l’enregistreur de données. Ils disposent d’un robuste boîtier en acier inoxydable et fournissent des résultats précis (≤ ± 0,70 %) sur une plage de température comprise entre -5 et 50° C. En termes de stabilité à long terme, le capteur ATM.ECO/N se situe à < 0,5 %.

Assemblage du système de mesure sur le réseau de distribution de gaz

L’ensemble du système de mesure permettant de surveiller le réseau de distribution de gaz est logé dans des bouches d’accès (voir l’illustration 2). En utilisant des raccords de ventilation déjà existants, les travaux nécessaires ont pu être effectués sans dépenses majeures. Pour effectuer les mesures de pression, le bouchon de la colonne de ventilation a été remplacé par un raccord de réduction (1). Le raccord de mesure peut être fermé à l’aide d’une vanne sphérique en acier inoxydable (2). L’étalonnage du capteur de pression est facilité par un couplage Minimess (3). Le capteur de pression (4) est raccordé via un boîtier de jonction d’égalisation de pression (5) à l’enregistreur de données AIRVALVE (6). Le tout est ensuite fixé à une ancre au sol (7) par une fermeture à verrouillage rapide.

Illustration 2: Vue d’ensemble du système de mesure
Source: AIRVALVE

Les mesures sont effectuées toutes les 5 minutes. Cet intervalle de mesure est ajustable de 1 à 60 minutes. Les valeurs mesurées sont transmises plusieurs fois par jour au centre de contrôle. Les lectures peuvent être transmises via des cartes multi-réseaux sécurisées par VPN ou via des cartes SIM standard, et les communications transites via des centres de contrôle Internet ou des systèmes SCADA. Pour cette application, SWK Netze GmbH a opté pour les serveurs hautement sécurisés du centre de contrôle Internet « Web-LS » pour gérer leurs données.