Comprendre la quantification de l’imagerie optique des gaz

L’imagerie quantitative optique des gaz offre aux opérateurs de l’industrie pétrolière et gazière un outil pour améliorer la sécurité des travailleurs et pour assurer une meilleure gestion de l’environnement et un fonctionnement plus rentable.

Par Craig R O’Neill, FLIR

L’imagerie optique quantitative des gaz (qOGI), technologie relativement récente, s’est rapidement avérée être une alternative viable aux analyseurs de vapeurs toxiques et aux échantillonneurs Bacharach Hi Flow® pour les opérateurs de l’industrie pétrolière et gazière afin de quantifier les fuites de gaz. Cet article décrit la méthode qOGI, son fonctionnement, ses applications et l’équipement nécessaire à son utilisation. Cet article décrit la méthode qOGI, son fonctionnement, ses applications et l’équipement nécessaire à son utilisation. L’article décrit également en détail la comparaison de la méthode qOGI avec d’autres technologies de quantification des fuites.

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

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

Il s’’agit de fuites que vous pourriez normalement visualiser sur votre caméra OGI. Historiquement, les caméras OGI se sont limitées à une analyse qualitative indiquant l’existence d’une fuite, mais ne donnant que peu d’indications sur son volume. Cependant, en combinant une caméra OGI existante avec une solution qOGI, vous pouvez visualiser et quantifier ces fuites en unités de débit massique et volumétrique, ainsi que la concentration sur la longueur de tracé (ppm-m).

LA MÉTHODE QOGI PAR RAPPORT AUX AUTRES TECHNOLOGIES

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

Les dispositifs TVA et BHFS peuvent renvoyer différentes interprétations de la même fuite, en fonction de l’endroit et du moment où la fuite est échantillonnée, ainsi que de la manière dont l’appareil est positionné. Ce défaut est le résultat de la fonctionnalité de ces appareils : ils fournissent un instantané des fuites dans le temps, tandis qu’un système qOGI fournit un taux de fuite moyen au fil du temps.

En outre, les dispositifs TVA et BHFS sont limités dans leur capacité à quantifier certains gaz que les inspecteurs peuvent trouver. 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 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 certitude.

Cependant, la sécurité des inspecteurs pourrait être le plus grand avantage de la méthode qOGI. Prenez en compte la nature des dispositifs TVA et BHFS appliqués aux dispositifs DTM difficiles à surveiller :
sources de fuite possibles situées à une distance suffisante du dispositif de mesure rendant leur quantification difficile.

Au mieux, l’échafaudage peut être érigé, dans l’espoir que sa construction ne soit pas trop coûteuse ou chronophage. Ensuite, un inspecteur, encombré par un harnais de sécurité et portant tous les équipements de protection individuelle appropriés, doit grimper dangereusement près du ou, dans certains cas, dans le panache du dégagement gazeux pour tenter de quantifier la fuite.

Dans d’autres cas, la fuite potentielle peut être complètement inaccessible à un inspecteur pour des raisons de sécurité ou un manque d’espace de fonctionnement.

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

Par contre, l’utilisation et l’entretien d’un BHFS sont gourmands en main-d’œuvre. Son utilisation exige que l’inspecteur scelle la fuite le mieux possible, en utilisant du ruban adhésif et du plastique, afin de permettre la mesure la plus précise possible. Bien que ces dispositifs soient capables d’une précision élevée, ils doivent être étalonnés chaque semaine et vérifiés quotidiennement.

Il faut également prendre en compte la manière dont les conditions environnementales affectent ces dispositifs. Bien qu’une mesure TVA puisse être affectée par l’humidité, la température et les contaminants, le vent peut avoir un effet considérable, car la technologie pourrait potentiellement rater une fuite (Fig. 1) ; les limitations environnementales d’un BHFS dépendent de son capteur particulier : les mesures d’un système qOGI peuvent être affectées par la température (voir ci-dessous) et la vitesse du vent, qui sont prises en compte dans les paramètres d’entrée de la tablette.

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

COMMENT FONCTIONNE LA MÉTHODE QOGI ?

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

Figure 2 : facteurs affectant l’image du gaz 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. Les facteurs de réponse (RF) ont été développés pour près de 400 composés : ces RF, qui indiquent les longueurs d’onde auxquelles différents gaz absorbent l’énergie, permettent à un utilisateur d’évaluer si l’imagerie d’un composé chimique peut être réalisée par une caméra IR spécifique. Ils peuvent également être utilisés pour ajuster les résultats à partir d’une méthode qOGI, ce qui permet d’appliquer un seul étalonnage avec un seul gaz à la mesure de plusieurs gaz.
Le RF précisera également la sensibilité d’un composé spécifique par rapport au produit chimique de référence. Par exemple, le RF pour le propane est 1. Si une valeur RF pour un autre composé est de 0,3, cela signifie que la sensibilité du composé est 30 % celle du propane. Si un produit chimique a un RF inférieur à 0,1, il est probable que le produit chimique ne sera pas visible par les caméras OGI dans les mêmes conditions que le produit chimique de référence.

Température Delta — ΔT — Il doit exister un différentiel de température suffisant entre le panache de gaz et l’arrière-plan. Une ΔT plus élevée entraînera un panache plus visible sur l’écran de la caméra OGI. Pour qOGI, une ΔT élevée signifie un rapport signal/bruit plus élevé, ce qui crée de meilleures données de mesure.

Les utilisateurs de la méthode QOGI devront visualiser la fuite sous différents angles pour garantir la ΔT la plus élevée possible. Vous recherchez une différence de température de 2 °C minimum entre l’air ambiant à proximité de la fuite de gaz et la température apparente de l’arrière-plan dans l’image. ΔT doit généralement être considérée comme le facteur le plus important dans la collecte d’une mesure précise.

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

Présence de gaz — ɠ — L’image doit contenir du gaz en quantité supérieure à la limite de détection minimale du système.

Étant donné qu’il doit y avoir suffisamment de gaz présent dans une scène pour pouvoir en faire l’imagerie, la fonction de la méthode qOGI est de standardiser 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 ex., la même mesure donnera le même résultat même lorsque ΔT est différent en raison de différentes conditions de mesure).

La méthode QOGI peut produire deux types de résultats :

1. la longueur de tracé de la concentration, exprimée en ppm-m au niveau du pixel, et
2. le taux de fuite massique ou volumétrique (par ex., grammes/h ou litres/min).

Figure 3 : exemples de propane avec différentes longueurs de tracé de la concentration

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

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

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

Caméra d’imagerie optique du gaz FLIR GFx320

En mode Q, vous pouvez stocker 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 postérieurement.

La tablette elle-même est dotée d’une technologie prête à l’emploi, conçue et fabriquée pour une utilisation plug&play avec les caméras OGI FLIR (un câble USB connecte les appareils pendant l’utilisation sur le terrain et la carte SD de la caméra peut être retirée pour un fonctionnement en mode Q) et ne nécessite pas d’étalonnage régulier. Ainsi, il est facile de mettre en œuvre la méthode qOGI pour les utilisateurs de caméras OGI existantes.

De plus, les composants de la tablette ne sont pas soumis à la même détérioration que ceux des systèmes TVA et les BHFS régulièrement exposés à des gaz toxiques. Bien que les composants de remplacement des TVA puissent être facilement disponibles, les dispositifs BHFS n’ont pas été fabriqués depuis 2016.

Enfin, notez qu’alors que la méthode qOGI permet aux utilisateurs de visualiser les fuites dans le cadre du processus de quantification, le mouvement peut nuire à ses performances (comme avec n’importe quelle caméra). Ainsi, les utilisateurs doivent stabiliser la caméra via un trépied.

CONCLUSIONS

Étant donné que la méthode qOGI est une technologie récente, aucune réglementation américaine n’existe pour son utilisation, mais ses avantages en tant qu’outil à des fins internes sont clairs. En effet,
un leader de l’industrie pétrolière et gazière a testé sur le terrain la technologie, explorant sa viabilité pour tout quantifier, des demandes ICR en amont et des émissions de réservoir 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 méthodes alternatives de quantification des gaz, la méthode qOGI a été soumise à des tests tiers rigoureux de CONCAWE3 et s’est avérée plus facile, plus rapide et plus précise que les technologies telles qu’un TVA. La méthode qOGI permet d’assurer la rentabilité des caméras OGI existantes et place les opérateurs pétroliers et gaziers 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 s’est activement impliqué sur le marché de l’OGI depuis l’introduction des imageurs de gaz optiques commerciaux en juin 2005. Actuellement, il est responsable à l’échelle mondiale du secteur d’activité de l’imagerie optique du gaz et de la stratégie des solutions FLIR dans l’industrie pétrolière et gazière. À ce poste, il est le lien entre les clients, les parties prenantes du secteur, les partenaires stratégiques et de nombreux aspects verticalement intégrés de la division FLIR Instruments, 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 leader de la fabrication de systèmes de capteurs qui améliorent la manière dont les situations sont perçues et appréhendées et contribuent ainsi à sauver des vies, augmenter la productivité et protéger l’environnement. Avec près de 3 500 collaborateurs, l’objectif de FLIR est de devenir le « sixième sens du monde » en tirant profit de l’imagerie thermique et des technologies annexes pour fournir des solutions innovantes et intelligentes de sécurité et de surveillance, de contrôle des conditions et de l’environnement, de loisirs de plein air, de traitement de l’image, de navigation et de détection avancée des menaces. Pour plus d’informations, rendez-vous sur www.flir.com et suivez @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 plus d’informations sur l’imagerie optique des gaz, veuillez consulter le site : www.FLIR.com/ogi