Brevet FR2664975A1 — publié le 19920124

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de comptage, en terme de quantité d'énergie, de gaz combustible. Les gaz, tel que le gaz naturel, les gaz de pétrole ou les gaz de cokerie, sont utilisés essentiellement comme combustibles Ils peuvent être livrés en vrac sur le site de consommation Plus souvent, les sociétés distributrices ont installé entre points de production et points de consommation sur tous leurs territoires des réseaux de distribution de gaz10 sous pression sur lesquels les consommateurs viennent prélever au fur et à mesure de leurs besoins les quantités qui leur sont nécessaires se pose alors le problème du comptage de ces quantités de gaz. Pour les gaz dont on utilise les propriétés combustibles, ce qui est en fait utile et doit être facturé n'est pas le volume mais la quantité effective d'énergie qui aura été fournie par le distributeur Il faut donc connaître les consommations en termes d'énergie. La solution adoptée à l'heure actuelle est de placer au point de livraison un compteur qui totalise les volumes de gaz prélevés S'il s'agit d'un petit consommateur, on se contente de multiplier le volume ainsi obtenu par un coefficient tenant compte de la température, de la pression et du pouvoir calorifique moyens du gaz livré.25 S'il s'agit d'un consommateur moyen, afin d'améliorer la précision, le comptage sera constitué, en plus du compteur volumétrique, d'un transducteur de pression et d'un transducteur de température afin de déterminer les volumes corrigés livrés sur le site, en fait les masses de gaz effectivement consommées Bien entendu cette correction augmente le prix de revient de l'installation Il est toujours nécessaire, pour passer des masses aux quantités d'énergie de multiplier lesdites masses par un coefficient tenant compte du pouvoir calorifique du gaz Ce genre de35 comptage serait précis si le pouvoir calorifique en question était parfaitement connu et constant Ce n'est pas le cas d'o l'apparition d'une erreur plus ou moins acceptable due au fait que l'on utilise un pouvoir calorifique moyen, mesuré de façon discontinue, sur un site qui n'est pas généralement le site de livraison. S'il s'agit de très gros échanges et que l'on désire une grande précision de mesure des quantités d'énergie fournies, on installe sur le site, en plus du comptage volumétrique corrigé en température et pression, un laboratoire qui mesure en continu les caractéristiques du gaz transité, c'est à dire au minimum le pouvoir calorifique supérieur et la densité L'ensemble est alors piloté par un ou plusieurs organes de calcul Une telle solution donne bien sûr des mesures de grande précision mais nécessite la mise en oeuvre de moyens matériels, humains et financiers importants. Le problème à résoudre est donc de trouver une méthode plus simple permettant d'assurer le comptage de l'énergie fournie par un gaz combustible dans de bonnes conditions de précision et qui soit indépendante des conditions de température et de pression sans être obligé d'installer sur place un laboratoire de mesure complexe et onéreux. La présente invention consiste en un procédé de comptage des quantités d'énergie fournies par un réseau de distribution de gaz combustible Le procédé o l'on mesure de façon cyclique le volume brut VN de gaz livré pendant le temps t du cycle est caractérisé en ce que l'on prélève simultanément un volume v E calibré de ce gaz aux mêmes conditions de température et de pression, que l'on mesure l'énergie e N fournie par la combustion de v E et que l'on calcule l'énergie EN disponible dans le volume VN livré dans le même temps t, EN = VN x e N x K, K dépendant notamment du volume calibré v E Après le temps t, immédiatement, un nouveau cycle est recommencé et le nouveau volume prélevé Vn+l est affecté d'une énergie totale disponible EN+ 1 Les cycles se poursuivent de façon continue, il suffit alors de cumuler les valeurs EN, EN+,, EN+n pour disposer des35 énergies livrées par heure, par jour, par mois. L'avantage du procédé résulte du fait que les quantités calibrées de gaz prélevées lors de chaque cycle le sont dans les mêmes conditions de température et de pression que celles o sont mesurées VN si bien que ces conditions n'ont pas d'influence sur la valeur finale de EN L'énergie de combustion du gaz étant mesurée en permanence et simultanément aux mesures de volume, les variations de composition de ce gaz n'ont aucune influence sur les mesures. La présente invention consiste également en un dispositif de comptage des quantités d'énergie fournies par un réseau de distribution de gaz combustible comportant, sur la conduite, au point de livraison, un organe de comptage du volume brut de gaz livré caractérisé en ce qu'il comporte également un échantillonneur qui prélève en permanence, aux conditions de température et de pression de la conduite, des volumes de gaz déterminés et un analyseur qui mesure les éléments nécessaires à la détermination des quantités d'énergie correspondant auxdits volumes Un calculateur traite l'ensemble des informations et ramène en permanence lesdites quantités aux volumes bruts livrés pendant le même temps Le calculateur intègre alors les résultats et donne les quantités totales d'énergie fournies par le réseau au20 point de distribution. L'échantillonneur, placé sur la conduite de livraison à proximité du compteur volumétrique, est enrobé d'un circuit thermique de façon que le gaz soit prélevé non seulement à une pression identique à celle qui servira au comptage volumétrique principal mais aussi aux mêmes conditions de température Pour améliorer encore l'identité des températures entre le gaz du réseau principal et le gaz prélevé, l'échantillonneur est placé directement dans la conduite principale de livraison L'échantillonneur est conçu30 de telle façon qu'il assure en permanence le prélèvement de volumes fixes de gaz sur la conduite de livraison et l'envoi de ces volumes de gaz vers l'analyseur. A la sortie de l'échantillonneur, le déversement vers l'analyseur est régulé en pression de façon que ce dernier ne soit pas affecté par les variations de pression qui peuvent intervenir sur le réseau de distribution. L'analyseur permet de calculer la quantité de chaleur dégagée par la combustion de l'échantillon aux conditions du moment, c'est à dire l'énergie que dégage l'unité de volume de gaz lorsqu'on le brûle Puisque l'on connait pendant le même temps le volume de gaz mesuré au compteur principal il est facile de calculer la quantité d'énergie correspondante et, en intégrant, les quantités d'énergie livrées en permanence. Un avantage du dispositif objet de l'invention est de mesurer en permanence, dans les conditions même de la livraison, les quantités d'énergie fournie si bien que celles-ci ne dépendent ni de la nature chimique du gaz ni des10 conditions de température et de pression. Un calculateur prend en compte en permanence les valeurs du débit d'air à l'analyseur, du débit volumétrique de gaz au point de livraison et délivre ainsi les quantités d'énergie fournies au consommateur.15 D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard des dessins annexés, o la figure 1 représente une vue d'ensemble du dispositif, la figure 2 représente un schéma de principe d'un échantillonneur, La figure 1 montre schématiquement l'ensemble du dispositif objet de l'invention Sur la conduite réseau ( 1) est placé un système classique de comptage volumétrique de gaz ( 2) Il n'est demandé à ce comptage aucune caractéristique particulière du fait de l'invention si ce n'est qu'il doit être équipé d'une sortie, accessible par un calculateur, donnant en particulier le débit instantané de30 gaz Les autres caractéristiques du compteur ( 2) seront déterminées par l'homme du métier en fonction des conditions de livraison telles que débit maximum, pression, température. A proximité du compteur ( 2) un piquage ( 8) pour un capillaire ( 9) alimente une voie d'une vanne trois voies ( 6). La vanne ( 6) peut occuper deux positions, l'une mettant le capillaire ( 9) en communication avec le capillaire ( 10) et fermant le capillaire ( 11), l'autre faisant communiquer ( 9) avec ( 11) et fermant ( 10) Les capillaires ( 10) et ( 11) sont reliés à un échantillonneur ( 3) A la sortie de cet échantillonneur deux capillaires ( 12) et ( 13) sont reliés à une vanne trois voies ( 7) Elle peut occuper deux positions, l'une mettant un capillaire ( 14) en communication avec ( 12), l'autre mettant ( 14) en communication avec ( 13) Le capillaire ( 14) alimente l'analyseur ( 4) Le gaz prélevé sur la conduite ( 1) est donc envoyé, via l'échantillonneur ( 3), à l'analyseur ( 4). La figure ( 2) montre le fonctionnement de l'échantillonneur ( 3) Il est composé d'un cylindre ( 20) à l'intérieur duquel se déplace un piston ( 21) Le gaz en provenance du réseau est conduit par le capillaire ( 14) alternativement vers la partie ( 23) et la partie ( 24) du cylindre en fonction de la position de la vanne ( 6) A la sortie de l'échantillonneur, le gaz est dirigé vers l'analyseur via la vanne trois voies ( 7) depuis les parties ( 23) ou ( 24) du cylindre ( 20) les vannes ( 6) et ( 7) sont disposées de façon telle que si ( 9) et ( 23) sont mis en communication via la vanne ( 6), ( 24) et ( 14) sont mis en communication via la vanne ( 7) et vice versa. A un moment donné, correspondant aux flèches en trait plein sur la figure ( 2), le gaz en provenance du réseau pousse le piston ( 21) et refoule le gaz contenu en ( 24) vers l'analyseur Après un certain temps, le piston ( 21) arrive au contact d'un fin de course ( 26) qui inverse la position des25 deux électrovannes ( 6) et ( 7) Le mouvement du gaz s'inverse alors comme l'indiquent les flèches en pointillé sur la figure ( 2) Le mouvement du piston s'inverse également jusqu'à atteindre le fin de course ( 25) A ce moment, les vannes ( 6) et ( 7) sont à nouveau inversées et le cycle recommence Le mouvement entre les deux fins de course ( 25) et ( 26) représente donc l'envoi de volumes fixes de gaz vers l'analyseur. Le fonctionnement est donc tel que pendant un cycle N o l'on mesure un volume VN au compteur ( 2), l'échantillon analysé est celui prélevé au cycle précédent La valeur e N de l'énergie de l'échantillon correspondant au prélèvement VN sera donné au cycle suivant pendant que l'on mesure VN î. L'échantillonneur ( 3) est placé sur la conduite principale ( 1) et enrobé d'un ciment thermique maintenu par une coquille afin que le gaz soit prélevé aux conditions de températures de la conduite Avantageusement, un calorifuge5 classique complète ce dispositif. L'analyseur utilisé peut être, avantageusement, un appareil fabriqué par la société FLUID-DATA, type CAL 2000, société représentée en France par la société FLUIDYSTEME Le CAL 2000 est un appareil qui peut mesurer soit le PCI soit10 l'indice de Wobbe Le principe de base est le suivant: un débit de gaz régulier, en provenance de l'échantillonneur, arrive à un brûleur Parallèlement, on y envoie un débit d'air Une partie de cet air est utilisée pour la combustion, l'autre partie est directement mélangée aux15 produits de la combustion La combustion échauffe une barre de métal qui se dilate en fonction de la température Cette dilatation est prise en compte par un système qui régule le débit d'air d'alimentation de façon à maintenir la barre de métal à une longueur constante donc à une température20 constante Ce débit d'air va donc varier selon la chaleur apportée par le gaz et sa mesure permet d'accéder directement à la quantité d'énergie dégagée L'appareil peut fonctionner à pression constante ou à débit constant Dans le cas du dispositif de comptage objet de l'invention, le mode d'injection n'importe pas car c'est le même volume brut qui est prélevé à chaque cycle La précision de mesure n'est donc liée, pour la partie calorimétrique, qu'à la mesure de débit d'air La capacité de l'échantillonneur ( 3) peut varier de 0,1 à 1 litre pour des débits d'analyse de 10 à 200 litres par heure aux conditions normales. Un calculateur est couplé en permanence à l'ensemble de comptage objet du dispositif Il a pour fonctions de gérer les électrovannes ( 6) et ( 7) de l'échantillonneur, de prendre en compte les impulsions données par le compteur de volume35 ( 2), de prendre en compte le signal délivré par l'analyseur ( 4), de calculer l'énergie de chaque séquence et cumuler les énergies horaires, journalières, mensuelles, et de gérer l'étalonnage du système Il comporte notamment des entrées/sorties pour les fins de courses ( 25) et ( 26), pour les électrovannes ( 6) et ( 7), une entrée 4-20 m A pour le signal délivré par l'analyseur ( 4) et, une entrée pour les impulsions délivrées par le compteur ( 2) Les entrées-sorties se font notamment par un index totalisateur de volumes en façade, une imprimante et un clavier permettant de modifier s'il y a lieu les paramètres de calcul, de lancer le processus d'étalonnage, de régler les échelles des entrées, d'accéder aux valeurs de certaines variables et de les afficher sur imprimante. Le déroulement d'un cycle N du dispositif est le suivant: un volume VE, volume brut de gaz à la pression PN et à la température TN est prélevé dans l'échantillonneur ( 3); simultanément un volume v E, volume brut prélevé à PN-1 et TNî 1 au cycle N-1, est poussé vers l'analyseur ( 4); l'analyseur mesure la quantité d'énergie e N correspondant à celle du volume v E prélevé au cycle précédent; le compteur ( 2) mesure le volume brut VN à PN et TN transitant dans la conduite. Une fois le cycle N+ 1 achevé, le calculateur calcule la quantité d'énergie livrée pendant la séquence N, à savoir EN = K x VN x e N+î, formule dans laquelle K est un coefficient tenant compte des caractéristiques du système et de la courbe d'erreur du compteur L'analyseur ( 4) mesure en fait des valeurs de quantités de chaleur correspondant au pouvoir calorifique inférieur Pour passer aux valeurs correspondant au pouvoir calorifique supérieur, il suffit de30 multiplier les résultats obtenus par 1,11 Une étude des différents types de gaz circulant dans les réseaux de distribution montre en effet que l'erreur introduite par cette approximation n'entraîne pas une erreur supérieure à 0,2 % Afin d'apprécier les résultats obtenus grâce au procédé et au dispositif objet de l'invention, deux dispositifs de comptage ont été installés en parallèle sur un site de livraison de gaz Une des installations de comptage a été réalisée selon le dispositif de l'invention, l'autre a été constitué d'un comptage de volume sur le site, complété par la mesure des caractéristiques du gaz dans un laboratoire situé sur le réseau en amont, l'ensemble servant de référence Le comptage de référence était un comptage par 5 orifice équipé de transducteurs de pression différentielle "ROSEMOUNT 1151 ", d'un transducteur de pression Rosemount et d'une sonde de température associée à une calculatrice "MECI CDN 44 " effectuant le calcul de débit Le laboratoire de mesure n'étant pas implanté directement sur le site, des temps de transit ont été calculés pour l'affectation des caractéristiques du gaz à son passage à la station Ces temps n'excédaient pas quelques heures L'incertitude des mesures sur cette chaîne de référence peut être estimée à 2 %, compte tenu de l'erreur sur le comptage de volume et de15 l'imprécision sur les temps de transit. Les énergies transitées pendant les sept mois o l'expérimentation a été poursuivie, ont varié entre 1 500 000 et 2 400 000 k Wh/jour Les écarts moyens mensuels ressortent du tableau suivant: Mois Ecart moyen mensuel Ecart type Septembre 1989 -0,51 0,62 Octobre 1989 0,61 0,96 Novembre 1989 1,51 0,31 Décembre 1989 1,12 0,30 Janvier 1990 0,28 0,34 Février 1990 0,55 1, 55 Mars 1990 -1,49 1,20 On notera que l'écart moyen mensuel se situe à l'intérieur de la plage d'incertitude de la chaîne de référence. L'augmentation de l'écart type à partir du mois de Février correspond à un moins bon fonctionnement de l'analyseur dû au fait qu'aucune maintenance ne lui a été apportée Une maintenance après quatre mois de fonctionnement35 aurait permis d'éviter cette dérive qui de toute façon n'a pas eu pour effet de faire sortir les mesures de la plage des 2 % On peut donc estimer que le procédé et dispositif selon l'invention ont donné des résultats équivalents en qualité à une chaîne de référence dont l'installation et l'exploitation est beaucoup plus onéreuse. REVENDICATIONS 1 Procédé de comptage des quantités d'énergie fournies par un réseau de distribution de gaz combustible o l'on mesure de façon cyclique la valeur VN de gaz livré pendant le temps t caractérisé en ce que l'on prélève pendant le même temps un volume calibré v E aux mêmes conditions de pression et de température, que l'on mesure l'énergie e N fournie par la combustion de VE et que l'on en déduit l'énergie contenue dans le volume VN, à un coefficient près en multipliant VN par e N. 2 Procédé de comptage suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les cycles se succèdent sans interruption et que l'on intègre les résultats successifs pour obtenir les valeurs des énergies livrées par heure, par jour et par mois. 3 Dispositif de comptage des quantités d'énergie fournies par un réseau de distribution ( 1) de gaz combustible comportant, sur la conduite, au point de livraison un organe de comptage ( 2) du volume brut de gaz livré caractérisé en ce qu'il comporte également un échantillonneur ( 3) qui prélève en permanence, aux conditions de température et de pression de la conduite, des volumes de gaz déterminés, un analyseur ( 4) qui mesure les éléments nécessaires à la détermination des quantités d'énergie correspondant auxdits volumes et un calculateur ( 5) qui ramène en permanence lesdites quantités aux volumes bruts livrés pendant le même temps et intègre l'ensemble afin de délivrer les quantités d'énergie totales appelées du réseau ( 1) par le consommateur. 4 Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que l'échantillonneur ( 3) se compose d'un cylindre ( 20) séparé en deux zones ( 23) et ( 24) par un piston ( 21), une zone étant alimentée par le réseau ( 1) tandis que l'autre alimente l'analyseur ( 4). il Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce que deux électrovannes trois voies ( 5) et ( 6) commandées par le déplacement du piston ( 21) assurent les mises en communication des zones ( 23) et ( 24) alternativement avec le réseau et avec l'analyseur. 6 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que l'échantillonneur ( 3), placé à proximité du compteur volumétrique ( 2) et sur la même tuyauterie, est enrobé d'un calorifuge permettant au gaz prélevé de garder la même température que dans la conduite principale. 7 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que le cylindre ( 20) de l'échantillonneur ( 3) est placé à l'intérieur de la conduite principale ( 1). 8 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 7 caractérisé en ce qu'un calculateur ( 5) est couplé en permanence au compteur ( 2), à l'échantillonneur ( 3) et à l'analyseur ( 4). 9 Dispositif suivant la revendication 8 caractérisé en ce que le calculateur ( 5) prend en compte le signal délivré par l'analyseur, calcule l'énergie correspondant à chaque cycle de l'échantillonneur et à partir du volume de gaz délivré par le compteur ( 2) dans le même temps calcule, en intégrant la totalité des cycles les énergies horaires, journalières et mensuelles appelées par le consommateur alimenté par le compteur ( 2).