Comprendre la quantification de l’imagerie optique des gaz

L’imagerie optique quantitative des gaz offre aux opérateurs de l’industrie pétrolière et gazière un outil permettant d’améliorer la sécurité des travailleurs, de renforcer la gestion de l’environnement et de rentabiliser les opérations.

Par Craig R O’Neill, FLIR

Une technologie relativement jeune, l’imagerie optique quantitative des gaz (qOGI) s’avère rapidement être une alternative viable aux analyseurs de vapeurs toxiques et aux échantillonneurs Bacharach Hi Flow® comme outil permettant aux opérateurs de l’industrie du pétrole et du gaz naturel de quantifier les fuites de gaz.Cet article décrit la qOGI, son fonctionnement, ses applications et l’équipement nécessaire à son utilisation. L’article détaille également comment la qOGI se compare aux autres technologies de quantification des fuites.

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QU’EST-CE QUE L’IMAGERIE OPTIQUE QUANTITATIVE DES GAZ?

L’imagerie optique quantitative de gaz est la capacité d’utiliser l’imagerie optique de gaz – spécifiquement, l’OGI d’hydrocarbures refroidis – combinée à une solution algorithmique, pour quantifier les fuites de gaz invisibles à l’œil nu.

Ce sont des fuites que vous pourriez normalement visualiser sur votre caméra OGI. Historiquement, les caméras OGI se sont limitées à une analyse qualitative – indiquant qu’une fuite se produit mais donnant peu d’indications sur la quantité de fuite. Mais maintenant, en combinant une caméra OGI existante avec une solution qOGI, vous pouvez visualiser et quantifier ces fuites en unités de taux de fuite massique et volumétrique, ainsi qu’en concentration sur la longueur du trajet (ppm-m).

QOGI VS. TECHNOLOGIES DE RECHANGE

En termes de capacité, ni un analyseur de vapeurs toxiques (TVA, communément appelé « renifleur ») ni un échantillonneur Bacharach Hi Flow® (BHFS) ne peuvent quantifier une variété de fuites de gaz en taux de fuite massique et volumétrique, ainsi que la longueur du chemin de concentration. Un TVA offre une analyse de la concentration, mais pas de mesure du débit. Un BHFS est capable de mesurer à la fois le débit et la concentration.

Les appareils TVA et BHFS peuvent renvoyer des interprétations différentes de la même fuite, selon l’endroit et le moment où la fuite est échantillonnée, ainsi que la façon dont l’appareil est positionné. Cette lacune résulte de la fonctionnalité de ces dispositifs : ils fournissent un instantané de la fuite dans le temps, alors qu’un système qOGI fournit un taux de fuite moyen glissant dans le temps.

De plus, les appareils TVA et BHFS sont limités dans leur capacité à quantifier certains gaz que les inspecteurs peuvent rencontrer. Un système qOGI a la capacité d’identifier et de quantifier plus de 400 composés chimiques. De plus, étant donné qu’un système qOGI analyse les informations provenant d’un flux de caméra OGI enregistré, l’utilisateur dispose de preuves visuelles pour aider à confirmer l’analyse du système. Aucune autre technologie n’offre une telle garantie.

La sécurité de l’inspecteur, cependant, pourrait être le plus grand avantage de qOGI. Tenez compte de la nature des dispositifs TVA et BHFS appliqués à des produits
difficiles à surveiller (DTM) -- des sources de fuites possibles situées à une distance suffisante du mesureur pour poser des défis à leur quantification.

Au mieux, on peut monter un échafaudage, en espérant que sa construction ne soit pas trop coûteuse ou trop longue. Ensuite, un inspecteur, encombré d’un harnais de sécurité et portant tout l’équipement de protection individuelle approprié, doit grimper dangereusement près du – ou, dans certains cas, à l’intérieur du – panache de gaz qui s’échappe pour tenter de quantifier la fuite.

Dans d’autres cas, la fuite potentielle peut être totalement inaccessible par un inspecteur pour des raisons de sécurité ou de manque d’espace d’exploitation.

Même lorsqu’une fuite est découverte (ou suspectée) dans un endroit plus accessible, un système qOGI offre une facilité d’utilisation supérieure. Un TVA nécessite un étalonnage fréquent à l’aide d’une trousse d’étalonnage sur le terrain et ne fonctionne que « sur le moment ».

En revanche, l’utilisation et la maintenance d’un BHFS demandent beaucoup de travail. Pour l’utiliser, l’inspecteur doit colmater la fuite du mieux qu’il peut, à l’aide d’un mélange de ruban adhésif et de plastique, afin de permettre une lecture aussi précise que possible. Bien que ces appareils soient capables d’une grande précision, ils doivent être étalonnés chaque semaine, ainsi que vérifiés quotidiennement.

Il faut également tenir compte de la façon dont les conditions environnementales affectent ces appareils. Alors que le relevé d’un TVA peut être affecté par l’humidité, la température et les contaminants, le vent peut avoir l’effet le plus dramatique, car la technologie peut potentiellement manquer une fuite (Fig. 1); les limites environnementales d’un BHFS dépendent de son capteur particulier; les relevés d’un système qOGI peuvent être affectés par la température (comme discuté ci-dessous) et la vitesse du vent, qui sont pris en compte dans les paramètres d’entrée de la tablette.

Figure 1 : L’effet néfaste du vent sur les mesures de l’analyseur de vapeurs toxiques (TVA)

COMMENT FONCTIONNE LE QOGI?

La capacité à quantifier la taille de la fuite sans être à proximité du panache de gaz est le plus grand différentiateur entre qOGI et les technologies concurrentes, ainsi que le plus grand avantage de qOGI. Lors de l’utilisation des caméras OGI à distance, trois facteurs permettent à la caméra de visualiser le gaz (Fig. 2).

Figure 2 : Facteurs affectant l’image gazeuse dans une caméra OGI

Absorption IR – α(λ) –  Tout d’abord, le gaz à détecter doit avoir un pic d’absorption IR qui chevauche la fenêtre spectrale de la caméra OGI. Des facteurs de réponse (FR) ont été développés pour près de 400 composés. Ces FR, qui indiquent les longueurs d’onde auxquelles les différents gaz absorbent l’énergie, permettent à un utilisateur d’évaluer si un composé chimique peut être capté par une caméra IR spécifique. Ils peuvent également être utilisés pour ajuster les résultats d’une méthode qOGI, ce qui permet d’appliquer un seul étalonnage avec un seul gaz à la mesure de plusieurs gaz.
Le FR précisera également la sensibilité d’un composé spécifique par rapport au produit chimique de référence. Par exemple, le FR du propane est de 1. Si la valeur FR d’un autre composé est de 0,3, cela signifie que ce composé a 30 % de la sensibilité du propane. Si un produit chimique a un FR inférieur à 0,1, il est probable que ce produit ne sera pas visible par les caméras OGI dans les mêmes conditions que le produit chimique de référence.

Température delta – —T –  Il doit exister un différentiel de température suffisant entre le panache de gaz et le fond. Une ΔT plus élevée entraînera un panache plus visible sur l’écran de la caméra OGI. Pour la qOGI, une ΔT élevée signifie un rapport signal/bruit plus élevé, ce qui crée de meilleures données de mesure.

Les utilisateurs de la QOGI devront observer la fuite sous différents angles afin d’obtenir la ΔT la plus élevée possible. Au minimum, vous recherchez à obtenir 2 °C de différence de température entre l’air ambiant à proximité de la fuite de gaz et la température apparente de l’arrière-plan de l’image. La ΔT doit généralement être considérée comme le facteur le plus important pour obtenir une lecture précise.

Image d’une fuite de gaz montrant les effets de la Delta T lorsque le gaz passe d’un fond chaud (le mur) à un fond qui est à température ambiante (la clôture)

Présence de gaz – ɠ –  Il doit y avoir une présence de gaz dans l’image supérieure à la limite de détection minimale du système.

Étant donné qu’il doit y avoir suffisamment de gaz présent dans une scène à capter, la fonction de qOGI est de normaliser l’effet des deux autres facteurs – α(λ) et ΔT – pour permettre la quantification du gaz présent. Cette mesure sera cohérente dans différentes conditions de mesure (par exemple, la même lecture donnera le même résultat même si la ΔT est différente en raison de différentes conditions de mesure).

La QOGI peut produire deux types de résultats :

1. la longueur du trajet de concentration, exprimée en ppm-m au niveau du pixel, et
2. le débit de plomb massique ou volumétrique (par exemple, grammes/heure ou litres/min).

Figure 3 : Exemples de propane avec des longueurs de trajet de concentration variables

Le taux de fuite massique ou volumétrique nécessite un processus algorithmique supplémentaire pour agréger les mesures au niveau du pixel dans l’effet de la fuite dans son ensemble. L’algorithme prend également en compte la distance et les conditions de vent qui affectent la mesure du taux de fuite massique ou volumétrique.

Une solution qOGI offre deux modes de fonctionnement : l’utilisation en temps réel et le mode Q.

Sur le terrain (utilisation en temps réel), il vous suffit de brancher une tablette renforcée – contenant le logiciel qui quantifie le gaz en cours d’imagerie – directement sur votre caméra FLIR OGI (GF320, GFx320 ou GF620), et il commencera immédiatement à quantifier la vue en direct de la fuite.

Caméra d’imagerie optique de gaz GFx320 de FLIR

En mode Q, vous pouvez enregistrer la vidéo dans la caméra pour une utilisation ultérieure. Vous pouvez ensuite télécharger les fichiers sur la tablette, ce qui vous permet de quantifier les fuites après coup.

La tablette elle-même comprend une technologie de série, conçue et fabriquée pour une utilisation prêt-à-brancher avec les caméras FLIR OGI (un câble USB relie les appareils pendant l’utilisation sur le terrain, et la carte SD de la caméra peut être retirée pour le fonctionnement en mode Q) et ne nécessite pas d’étalonnage régulier. Ainsi, la mise en œuvre de la qOGI est transparente pour les utilisateurs existants de la caméra OGI.

De plus, la tablette n’est pas soumise à la même détérioration des composants que celle subie par les systèmes TVA et BHFS régulièrement exposés à des gaz toxiques. Alors que les composants de remplacement pour les TVA peuvent être facilement disponibles, les dispositifs BHFS ne sont plus fabriqués depuis 2016.

Enfin, notez que comme la qOGI permet aux utilisateurs de visualiser les fuites dans le cadre du processus de quantification, le mouvement peut nuire à ses performances (comme pour toute caméra). Les utilisateurs doivent donc stabiliser la caméra à l’aide d’un trépied.

CONCLUSIONS

Étant donné que la qOGI est une technologie jeune, il n’existe aucun réglement américain pour son utilisation, mais ses mérites en tant qu’outil à des fins internes sont clairs. En effet,
un chef de file de l’industrie pétrolière et gazière, a testé sur le terrain2 la technologie, en explorant sa viabilité pour tout quantifier, des demandes d’ICR en amont et des émissions des réservoirs aux composants DTM LDAR (en aval) et à la surveillance de la maintenance/fiabilité.
En plus de ses avantages évidents en matière de sécurité par rapport aux autres méthodes de quantification des gaz, la qOGI a été soumise à des tests rigoureux par une tierce partie, le CONCAWE3, et s’est avérée plus facile, plus rapide et plus précise que des technologies telles que le TVA. La QOGI est également rentable en tant que complément aux caméras OGI existantes et permet aux opérateurs pétroliers et gaziers d’être à la pointe de la conscience environnementale dans les communautés où ils opèrent.

À PROPOS DE L’AUTEUR

Craig R O’Neill travaille pour FLIR depuis plus de 17 ans et est activement impliqué dans le marché OGI depuis l’introduction des imageurs optiques de gaz commerciaux en juin 2005. Actuellement, il est responsable au niveau mondial de la ligne d’activité Imagerie optique des gaz et de la stratégie des solutions de FLIR dans l’industrie pétrolière et gazière. Dans ce rôle, il est la pièce de liaison entre les clients, les parties prenantes de l’industrie, les partenaires stratégiques et de nombreux aspects verticalement intégrés de la division Instruments de FLIR, notamment les ventes, le marketing, l’ingénierie et la gestion des produits. Son objectif est d’assurer l’alignement de FLIR pour fournir des solutions de détection qui répondent aux besoins de l’industrie pétrolière et gazière.

À PROPOS DE FLIR SYSTEMS, INC.

Fondée en 1978 et basée à Wilsonville, dans l’Oregon, FLIR Systems est un chef de file mondial dans la fabrication de systèmes de capteurs qui améliorent la perception et la conscience, contribuant à sauver des vies, à améliorer la productivité et à protéger l’environnement. Grâce à ses près de 3 500 employés, la vision de FLIR est d’être « le sixième sens du monde » en exploitant l’imagerie thermique et les technologies adjacentes pour fournir des solutions innovantes et intelligentes pour la sécurité et la surveillance, la surveillance de l’environnement et des conditions, les loisirs de plein air, la vision artificielle, la navigation et la détection des menaces avancées. Pour en savoir plus, veuillez consulter le site flir.quebec et suivre @flir.

Ressources

1. http://docs.wixstatic.com/ugd/5922b2_fa557e034d654f54865a63902fb93d6e.pdf

2. http://docs.wixstatic.com/ugd/5922b2_0b8501e272274446a9aceda959ff5565.pdf

3. https://www.concawe.eu/wp-content/uploads/2017/01/rpt_17-2.pdf

Pour en savoir plus sur l’imagerie optique des gaz, veuillez visiter : flir.quebec/instruments/optical-gas-imaging/