FR3130031A1 - Systeme et procede pour la localisation de la source d’une emisson de gaz ou de particules - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé pour déterminer la position d’une source émettrice d’au moins un composé gazeux et/ou de particules dans une zone géographique, comprenant au moins une étape de mesure de la concentration en composé gazeux, de la direction et de la vitesse du vent pour différentes positions géographiques consécutives prédéfinies de manière à s’écarter d’au plus 45° par rapport à une direction instantanée ou moyenne du vent. Puis on détermine au moins un couple formé d’un minimum et d’un maximum consécutifs de la courbe et on détermine la position de la source émettrice à partir des positions du système de mesure mobile correspondant aux maxima des couples, des écarts temporels entre les maximum et minimum des couples, et de vitesses et directions moyennes du vent entre les minimum et maximum des couples.
Figure 4 à publier
Description
La présente invention concerne de manière générale le domaine de la surveillance de fuites de gaz et/ou de la surveillance de sources émettrices de particules, plus particulièrement la surveillance de fuites d’un gaz alimentant ou destiné à alimenter les réseaux de distribution de gaz, tels que le gaz naturel ou le biométhane.
Des fuites de gaz naturel ou de biométhane peuvent se produire de manière non limitative au niveau de sites de stockage de ces gaz (par exemple des réservoirs géologiques ou des cuves), au niveau d'installations pour le transport du gaz (par exemple des conduites à haute pression pour le transport du gaz sur de grandes distances), au niveau d'installations pour la distribution du gaz (par exemple les postes d'injection dans le réseau de distribution, les conduites permettant la distribution locale à différentes entités, particuliers, entreprises, etc...), ou encore au niveau des installations utilisant ces gaz (par exemple des centrales thermiques à gaz, certaines industries chimiques et pétrochimiques, des habitations à usage domestique etc.).
Le gaz naturel est un gaz d'origine fossile, constitué d'un mélange d'hydrocarbures gazeux, dont le méthane est l'un des principaux composants. A l'issue de son extraction d'un gisement du sous-sol, le gaz subit des traitements, dont notamment une séparation des condensats du gaz, une désacidification, une désulfuration. C'est à l'issue de ces traitements que le gaz naturel peut être injecté dans le réseau de distribution du gaz naturel. Le gaz naturel est composé à 95% de méthane (CH4), de moins de 4% d'éthane (C2H6) et d'azote (N2), et de moins de 1% de dioxyde de carbone (CO2) et de propane (C3H8).
Le biométhane résulte de l'épuration d'un biogaz, qui est produit par la décomposition anaérobie de déchets d'origine organique, tels que les boues des stations d'épuration, les déchets agricoles, les décharges. Le biogaz est principalement composé de méthane (de 40 à 70 %), de CO2 et de vapeur d'eau, mais il contient également des impuretés, telles que des composés soufrés (H2S, SO2, …), des siloxanes, des halogénés ou bien encore des COV (Composés Organiques Volatiles). Le biogaz n'est donc pas directement exploitable. Pour pouvoir exploiter un biogaz, il est nécessaire qu'il soit épuré (ou encore purifié), notamment pour éliminer le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène, mais également les autres impuretés. On obtient ainsi du biométhane que l'on peut injecter dans un réseau de distribution, qui est en général le réseau de distribution du gaz naturel.
Le gaz naturel est inodore, hautement explosif (5 à 15% dans l’air) et mortel lorsqu’il est inhalé à forte concentration. Pour déceler d’éventuelles fuites et éviter tout risque d’explosion, le gaz naturel est artificiellement odorisé avant d’être injecté dans le réseau de transport. Il en est de même pour le biométhane. Cela permet de différencier si les émanations de gaz résultent d'une fuite, afin notamment de déclencher une alerte, ou bien détecter s'il s'agit d'émanations naturelles. Les molécules odorantes utilisées sont historiquement les mercaptans tels que l’éthane mercaptan (appelé aussi éthanethiol ou mercaptan éthylique), le méthane mercaptan (appelé aussi méthanethiol ou mercaptan méthylique). De nos jours et en particulier en Europe, la molécule de tétrahydrothiophène (connue aussi sous l'acronyme THT, de formule C4H8S) est la molécule principalement utilisée pour odoriser les gaz destinés à être distribués. Le THT est un liquide incolore et inflammable, avec une odeur caractéristique de soufre (il s'agit d'un composé organique soufré). Les produits odorants sont injectés en très faibles quantités (environ 10 ppb) dans le gaz à odoriser.
Dans la surveillance industrielle et environnementale des gaz, il est nécessaire de mesurer précisément les concentrations anormales de gaz, mais également de les localiser dans l’environnement. Le défi réside dans la localisation de la source. En effet de nombreuses mesures sont réalisées dans l’air ambiant et les concentrations anormales mesurées proviennent d’une source de gaz parfois à plusieurs dizaines de mètres de la mesure. L’évolution de ce panache de gaz dans l’air ambiant est principalement liée aux conditions météorologiques, et notamment à l’intensité et à la direction du vent.
Les documents suivants seront cités au cours de la description :
C. Couillet : Dispersion atmosphérique (Mécanismes et outils de calcul), rapport INERIS-DRA-2002-25427, 2002, https://www.ineris.fr/sites/ineris.fr/files/contribution/Documents/46web.pdf
E. Demael and B. Carissimo : Comparative Evaluation of an Eulerian CFD and Gaussian Plume Models Based on Prairie Grass Dispersion Experiment, JOURNAL OF APPLIED METEOROLOGY AND CLIMATOLOGY, vol 47, 2008.
L. J. Klein, R. Muralidhar, F. J. Marianno, J.B. Chang, S. Lu, H.F. Hamann: Geospatial Internet of Things: Framework for fugitive Methane Gas Leaks Monitoring, GIScience 2016.
P. Kumar, G. Broquet, C. Yver-Kwok, O. Laurent, S. Gichuki, C. Caldow, F. Cropley, T. Lauvaux, M. Ramonet, G. Berthe, F. Martin, O. Duclaux, C. Juery, C. Bouchet, and P. Ciais. Mobile atmospheric measurements and local-scale inverse estimation of the location and rates of brief CH4 and CO2 releases from point sources. Atmospheric Measurement Techniques, European Geosciences Union, 2021, 14 (9), pp.5987 - 6003.
De manière générale, les modèles de chimie-transport permettent de décrire l’évolution de polluants atmosphériques ou de particules (aérosols, gaz, poussières) rejetés dans l'atmosphère. Cette évolution est due au transport par le vent des polluants (particules, molécules de gaz) dans l'atmosphère et aux réactions chimiques auxquelles les polluants participent. En estimant les concentrations de divers polluants, les modèles de chimie-transport permettent notamment de simuler la qualité de l'air ou de simuler un rejet continu de particules.
De manière générale, les méthodes utilisées pour la détermination d’un point de fuite d’un gaz suite à un rejet de celui-ci dans l’atmosphère à un débit donné reposent sur la résolution d’un problème inverse. On trouvera par exemple une description de ces méthodes dans les documents (Klein et al., 2016 ; Kumar et al., 2021) Plus précisément, pour ce problème inverse, on considère une région spatiale du site étudié dans laquelle on pressent que le point de fuite se situe. Puis on subdivise cette région à l’aide d’un maillage cartésien composé de cellules. Chaque nœud du maillage est alors considéré comme un point de fuite potentiel. Le problème inverse consiste à rechercher de manière itérative le débit source en chaque nœud du maillage permettant d’expliquer (ou encore de satisfaire) au mieux (par exemple au sens des moindres carrés) les mesures de concentrations. A noter que pour la résolution du problème direct, ces méthodes supposent que le vent et les conditions atmosphériques restent stationnaires sur une durée suffisante et sont spatialement homogènes, ce qui conduit à un modèle de panache gaussien, comme discuté par exemple dans le document (Klein et al., 2016). A la suite de la résolution du problème inverse, on obtient le débit en chaque nœud de la grille, et on détermine, à partir de ces débits, l’erreur produite en chaque nœud de la grille permettant d’en déduire la position du point de fuite. Ces méthodes présentent l’inconvénient d’être coûteuses en temps de calcul, et ce d’autant plus que le maillage est fin. Or pour obtenir une bonne précision de la localisation de la source, il est nécessaire d’avoir un maillage fin. De plus, ces méthodes ne peuvent trouver une position de la source en dehors du maillage cartésien prédéfini.
La présente invention permet de pallier ces inconvénients. Plus précisément, la présente invention concerne un procédé mis en œuvre à partir de mesures de concentration réalisées par une station de monitoring mobile, le procédé étant très peu coûteux en temps de calcul et en mémoire, et permettant de déterminer de manière fiable et quasi en temps réel, l'emplacement de l'origine d’une fuite de gaz et/ou de particules. De plus, le procédé selon l’invention ne requiert pas de pré-supposer d’un emplacement de la source émettrice.
L’invention concerne un procédé pour déterminer la position d’une source émettrice d’au moins un composé gazeux et/ou de particules dans une zone géographique, au moyen d'un système de mesure mobile comprenant au moins un capteur pour mesurer une concentration en ledit composé gazeux et/ou en lesdites particules et un capteur pour mesurer une vitesse et une direction du vent. Le procédé selon l’invention comprend au moins les étapes suivantes :
a) on mesure ladite concentration en ledit composé gazeux et/ou en lesdites particules, ladite vitesse et ladite direction du vent pour une succession de positions dudit système de mesure mobile formant une trajectoire de déplacement dudit système de mesure mobile dans ladite zone géographique, chacune desdites positions correspondant à un temps de mesure dudit système de mesure mobile, lesdites positions de ladite succession de positions dudit système de mesure mobile positions étant déterminées de manière à ce que chacun des segments entre deux positions consécutives de ladite succession de positions dudit système de mesure mobile forme un angle compris entre 45° et 135° avec une direction instantanée ou moyenne du vent issue de ladite direction du vent mesurée, et on obtient une première courbe représentative de l’évolution de ladite concentration pour chacun desdits composés gazeux et/ou pour lesdites particules en fonction du temps de mesure dudit système de mesure mobile, et des deuxième et troisième courbes représentatives respectivement de l’évolution de la vitesse et de la direction du vent en fonction du temps de mesure dudit système de mesure mobile ;
b) à partir de critères prédéfinis, pour chacune desdites premières courbes, on détermine au moins un couple formé par un minimum et un maximum consécutifs de ladite première courbe, et, pour chacun desdits couples de chacune des premières courbes, on détermine une position dudit système de mesure mobile correspondant audit maximum dudit couple et un écart temporel entre un temps de mesure dudit système de mesure mobile correspondant audit maximum dudit couple et un temps de mesure dudit système de mesure mobile correspondant audit minimum dudit couple ;
c) pour chaque composé gazeux et/ou particules, on détermine ladite position de ladite source émettrice dudit composé gazeux ou desdites particules dans ladite zone géographique à partir desdits positions dudit système de mesure mobile correspondant auxdits maximum desdits couples déterminés pour ledit composé gazeux ou lesdites particules, desdits écarts temporels entre lesdits maximum et minimum desdits couples déterminés pour ledit composé gazeux ou lesdites particules, et de vitesses et directions moyennes du vent entre lesdits temps de mesure dudit système de mesure mobile correspondant auxdits minimum et maximum desdits couples.
Selon une mise en œuvre de l’invention, on peut déterminer ladite position de ladite source émettrice d’un composé gazeux ou de particules selon une formule du type :
où NE est le nombre desdits couples déterminés, est la ladite position dudit système de mesure mobile le long de ladite trajectoire correspondant audit maximum dudit couple ne , est l’écart temporel entre lesdits maximum et minimum dudit couple ne, et est un vecteur orienté selon ladite direction moyenne du vent entre lesdits temps de mesure dudit système de mesure mobile correspondant auxdits minimum et maximum dudit couple ne et dont la norme est ladite vitesse moyenne du vent entre lesdits temps de mesure dudit système de mesure mobile correspondant auxdits minimum et maximum dudit couple ne.
Selon une mise en œuvre de l’invention, l’angle formé entre ledit segment entre lesdites première et deuxième positions dudit couple de positions consécutives de ladite trajectoire et ladite direction du vent mesurée pour ladite première position dudit couple ou ladite direction du vent moyenne mesurée préalablement à l’étape a) peut être compris entre 80° et 100°, et vaut de préférence 90°.
Selon une mise en œuvre de l’invention, à l’issue de l’étape a), on peut appliquer un filtre Butterworth à au moins une des premières et/ou deuxième et/ou troisième courbes et on peut appliquer les étapes b) et/ou c) à partir desdites premières et/ou deuxième et/ou troisième courbes filtrées.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits critères prédéfinis de ladite première courbe peuvent être formés à partir d’une première et d’une deuxième valeur seuil et définies selon des formules du type :
Où Cmin et Cmax sont respectivement des minimum et maximum globaux de ladite première courbe.
Selon une mise en œuvre de l’invention, on peut déterminer l’ensemble desdits couples formés d’un minimum et d’un maximum consécutifs de ladite première courbe de la manière suivante :
i) on parcourt les N échantillons de ladite première courbe jusqu’à ce qu’un desdits échantillons n vérifie l’inégalité suivante :
où , et sont respectivement ladite concentration mesurée à l’échantillon n-1, à l’échantillon n, et à l’échantillon n+1, et on initialise un tableau nmin avec ledit indice n.
ii) on poursuit le parcours desdits N échantillons de ladite première courbe jusqu’à ce qu’un desdits échantillons n vérifie l’inégalité suivante :
et on incrémente un tableau nmax avec ledit indice n.
iii) on poursuit le parcours desdits N échantillons de ladite première courbe jusqu’à ce qu’un desdits échantillons n vérifie l’inégalité suivante :
et on incrémente ledit tableau nmin avec ledit indice n.
et on répète les étapes ii) et iii) en poursuivant le parcours desdits N échantillons de ladite courbe pour déterminer l’ensemble des NI couples (nmin(i), nmax(i)) formés desdits indices nmin(i) et nmax(i) des échantillons correspondant à un minimum et à un maximum de ladite première courbe, avec i variant de 1 à NI
Selon une mise en œuvre de l’invention, on peut ne conserver que lesdits NE couples formés d’un minimum suivi d’un maximum de ladite première courbe pour lesquels avec i variant de 1 à NI, avec .
En outre, l’invention concerne un produit programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, comprenant des instructions de code de programme pour au moins la mise en œuvre des étapes b) et c) décrites ci-dessus, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
[Fig 1]
La présente les positions géographiques d’un système de mesure mobile se déplaçant le long d’une trajectoire de déplacement pour un exemple d’application du procédé selon l’invention.
[Fig 2A]
La présente l’évolution d’une concentration en méthane mesurée en fonction du temps le long de la trajectoire de déplacement du système de mesure mobile présentée en .
[Fig 2B]
La présente l’évolution d’une direction du vent mesurée en fonction du temps le long de la trajectoire de déplacement du système de mesure mobile présentée en .
[Fig 2C]
La présente l’évolution d’une vitesse du vent mesurée en fonction du temps le long de la trajectoire de déplacement du système de mesure mobile présentée en .
[Fig 3]
La met en évidence des minima de la courbe de la déterminés au moyen du procédé selon l’invention, chaque minimum étant suivi d’un maximum.
[Fig 4]
La présente une portion de la , comprenant au moins un minimum suivi d’un maximum.
[Fig 5]
La correspond à la , sur laquelle on présente en outre la position de la source de la fuite de gaz déterminée au moyen du procédé selon l’invention ainsi que la position réelle de la source émettrice du gaz.
Claims (8)
- Procédé pour déterminer la position d’une source émettrice d’au moins un composé gazeux et/ou de particules dans une zone géographique, au moyen d'un système de mesure mobile comprenant au moins un capteur pour mesurer une concentration en ledit composé gazeux et/ou en lesdites particules et un capteur pour mesurer une vitesse et une direction du vent, caractérisé en ce que ledit procédé comprend au moins les étapes suivantes :
a) on mesure ladite concentration en ledit composé gazeux et/ou en lesdites particules, ladite vitesse et ladite direction du vent pour une succession de positions dudit système de mesure mobile formant une trajectoire de déplacement dudit système de mesure mobile dans ladite zone géographique, chacune desdites positions correspondant à un temps de mesure dudit système de mesure mobile, lesdites positions de ladite succession de positions dudit système de mesure mobile positions étant déterminées de manière à ce que chacun des segments entre deux positions consécutives de ladite succession de positions dudit système de mesure mobile forme un angle compris entre 45° et 135° avec une direction instantanée ou moyenne du vent issue de ladite direction du vent mesurée, et on obtient une première courbe représentative de l’évolution de ladite concentration pour chacun desdits composés gazeux et/ou pour lesdites particules en fonction du temps de mesure dudit système de mesure mobile, et des deuxième et troisième courbes représentatives respectivement de l’évolution de la vitesse et de la direction du vent en fonction du temps de mesure dudit système de mesure mobile ;
b) à partir de critères prédéfinis, pour chacune desdites premières courbes, on détermine au moins un couple formé par un minimum et un maximum consécutifs de ladite première courbe, et, pour chacun desdits couples de chacune des premières courbes, on détermine une position dudit système de mesure mobile correspondant audit maximum dudit couple et un écart temporel entre un temps de mesure dudit système de mesure mobile correspondant audit maximum dudit couple et un temps de mesure dudit système de mesure mobile correspondant audit minimum dudit couple ;
c) pour chaque composé gazeux et/ou particules, on détermine ladite position de ladite source émettrice dudit composé gazeux ou desdites particules dans ladite zone géographique à partir desdits positions dudit système de mesure mobile correspondant auxdits maximum desdits couples déterminés pour ledit composé gazeux ou lesdites particules, desdits écarts temporels entre lesdits maximum et minimum desdits couples déterminés pour ledit composé gazeux ou lesdites particules, et de vitesses et directions moyennes du vent entre lesdits temps de mesure dudit système de mesure mobile correspondant auxdits minimum et maximum desdits couples. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine ladite position
où NE est le nombre desdits couples déterminés, - Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’angle formé entre ledit segment entre lesdites première et deuxième positions dudit couple de positions consécutives de ladite trajectoire et ladite direction du vent mesurée pour ladite première position dudit couple ou ladite direction du vent moyenne mesurée préalablement à l’étape a) est compris entre 80° et 100°, et vaut de préférence 90°.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, à l’issue de l’étape a), on applique un filtre Butterworth à au moins une des premières et/ou deuxième et/ou troisième courbes et on applique les étapes b) et/ou c) à partir desdites premières et/ou deuxième et/ou troisième courbes filtrées.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits critères prédéfinis de ladite première courbe sont formés à partir d’une première et d’une deuxième valeur seuil
Où Cmin et Cmax sont respectivement des minimum et maximum globaux de ladite première courbe. - Procédé selon la revendication 5, dans lequel on détermine l’ensemble desdits couples formés d’un minimum et d’un maximum consécutifs de ladite première courbe de la manière suivante :
i) on parcourt les N échantillons de ladite première courbe jusqu’à ce qu’un desdits échantillons n vérifie les inégalités suivantes :
où
ii) on poursuit le parcours desdits N échantillons de ladite première courbe jusqu’à ce qu’un desdits échantillons n vérifie l’inégalité suivante :
et on incrémente un tableau nmax avec ledit indice n.
iii) on poursuit le parcours desdits N échantillons de ladite première courbe jusqu’à ce qu’un desdits échantillons n vérifie l’inégalité suivante :
et on incrémente ledit tableau nmin avec ledit indice n.
et on répète les étapes ii) et iii) en poursuivant le parcours desdits N échantillons de ladite courbe pour déterminer l’ensemble des NI couples (nmin(i), nmax(i)) formés desdits indices nmin(i) et nmax(i) des échantillons correspondant à un minimum et à un maximum de ladite première courbe, avec i variant de 1 à NI - Procédé selon la revendication 6, dans lequel on ne conserve que lesdits NE couples formés d’un minimum suivi d’un maximum de ladite première courbe pour lesquels
- Produit programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, comprenant des instructions de code de programme pour la mise en œuvre au moins des étapes b et c) du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
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