Brevet FR2922646A1 — publié le 20090424

B08-2583FR Au nom de : GENERAL ELECTRIC COMPANY Système et procédé de mesure d'humidification de carburant Invention de : MITRA Chayan BANERJEE Ayan MAITY Sandip NORMAN Bruce Gordon BALL David Wesley Jr. JOHANSEN Aarron Dell Priorité d'une demande de brevet déposée aux États-Unis d'Amérique le 18 octobre 2007 sous le n° 11/874.422 -2- Système et procédé de mesure d'humidification de carburant La présente invention concerne de façon générale la surveillance et la mesure de niveaux d'humidification de carburant. L'invention concerne en particulier des techniques optiques de surveillance et de mesure de niveaux d'humidification de carburant. On utilise des systèmes d'humidification de carburant dans des centrales électriques à cycle combiné pour tenter d'augmenter la puissance de sortie et le rendement thermodynamique. Un exemple de mode de réalisation est décrit dans US6389794, attribué en commun. Dans de tels systèmes, on sature du gaz naturel avec de l'eau et on chauffe le carburant humidifié jusqu'aux conditions de saturation à la pression de calcul du gaz. L'augmentation du débit massique de gaz due à l'addition d'humidité a pour conséquence une augmentation de la puissance de sortie des turbines à gaz et à vapeur. Les centrales à cycle combiné chauffées par du gaz naturel avec des systèmes de combustion � Dry Low NOx � (DLN) imposent des exigences strictes au processus de saturation du gaz combustible, dues à des tolérances serrées de spécifications du carburant. Ces exigences concernent des variables telles que le pouvoir calorifique, la température, la gravité spécifique et la composition du carburant. Si les conditions d'alimentation en carburant s'écartent de manière excessive des spécifications de carburant calculées, les performances de la centrale se dégradent. Un pouvoir calorifique inférieur (LHV), la gravité spécifique (SG), la température du carburant (Tf) et la température ambiante sont des paramètres importants qui influent sur l'énergie du carburant circulant dans le système. Des nombres d'indice de Wobbe (WI), définis comme dans l'équation 1, procurent une indication de l'écoulement d'énergie dans le système, indépendant de la pression du gaz et des chutes de pression du gaz. WI = Fue1LHV Rref SG Tf où la température de référence Tref = 288 K. Le nombre de WI du gaz combustible délivré à la turbine à gaz a tendance à varier de façon significative dans les centrales IGCC (à cycle combiné à gazéification intégrée) car la composition du carburant du système de gazéification varie avec la charge et la matière de base dans le gazéificateur. On ajoute de l'eau au gaz combustible pour maintenir un rapport (1) -3- constant eau-carburant sec ou nombre d'indice de Wobbe de carburant dans la turbine à gaz. Le carburant humidifié délivré à un système de combustion à turbine à gaz DLN nécessite un contrôle extrêmement précis du processus de saturation de carburant dans une colonne d'humidification en raison des tolérances serrées de spécifications du carburant, des variations de charge fréquentes et des variations de charge rapides. Ces systèmes DLN ont typiquement au mois deux modes de fonctionnement, l'un fournissant des performances robustes de l'allumage initial en passant par un premier chargement, et un autre qui fournit des performances optimisées pour des conditions de base ou de forte charge. La minimisation des émissions du système est souhaitable durant le fonctionnement dans des conditions de forte charge. Les systèmes classiques d'humidification de gaz combustible comportent une commande à trois éléments appliquée à une colonne de saturation de gaz combustible. Ces systèmes comportent des mesures de l'écoulement du gaz combustible d'entrée, de l'écoulement d'eau d'appoint et de la teneur en eau en sortie dans l'écoulement de gaz combustible humidifié. On mesure le débit de l'eau sortant avec le gaz humidifié provenant d'une colonne d'humidification en utilisant des débitmètres massiques de Coriolis pour le gaz combustible sec et le gaz combustible humidifié. Le débit de l'eau quittant le saturateur mélangé avec le gaz combustible humidifié est donné par, composante d'eau de l'écoulement de sortie = écoulement de carburant de sortie humide - écoulement d'entrée de carburant sec (2). Puisque l'humidité du carburant dans le courant humidifié est faible par rapport à l'écoulement total, une petite erreur dans la mesure de l'écoulement total peut provoquer une erreur importante dans l'estimation de la teneur en eau. On peut effectuer une estimation plus précise de la composition du gaz combustible en utilisant la chromatographie en phase gazeuse à une pression d'environ 101,56 kPa et à une température d'environ 15,56°C. Bien que précises, les mesures de chromatographie en phase gazeuse consomment du temps car le processus nécessite l'échantillonnage du gaz combustible et l'exécution de mesures à une pression et à une température réduites. En outre, le procédé de chromatographie en phase gazeuse est une mesure hors ligne de la concentration en constituants. En conséquence, on ne peut pas obtenir d'informations concernant les composants à des pressions et à des températures élevées. -4- Il serait ainsi souhaitable d'avoir un détecteur pouvant mesurer précisément en ligne la teneur en eau dans un gaz combustible à des pressions et à des températures élevées. Un mode de réalisation ici décrit est un système de mesure d'humidification de carburant. Le système de mesure d'humidification de carburant comporte une première source de lumière configurée pour émettre de la lumière à travers un chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une première longueur d'onde, dans lequel la première longueur d'onde est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase vapeur et sensiblement non absorbable par le carburant, et une deuxième source de lumière configurée pour émettre de la lumière à travers le chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une deuxième longueur d'onde, dans lequel la deuxième longueur d'onde est de préférence dispersée par l'humidité en phase liquide et est sensiblement non absorbée par le carburant ou par l'humidité en phase vapeur, un système détecteur configuré pour détecter la lumière transmise à travers le chemin d'écoulement aux première et deuxième longueurs d'ondes et pour générer un premier signal de données correspondant à la transmission à la première longueur d'onde et un deuxième signal de données correspondant la transmission à la deuxième longueur d'onde. Un autre mode de réalisation ici décrit est un système de gazéification. Le système de gazéification comportant un gazéificateur, un système d'humidification de carburant, une conduite pour transférer un mélange de carburant et d'humidité du système d'humidification de carburant au gazéificateur, et un système de mesure en ligne d'humidification de carburant disposé à l'extérieur du gazéificateur, dans lequel le système de mesure comporte une première source de lumière configurée pour émettre de la lumière à travers un chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une première longueur d'onde, dans lequel la première longueur d'onde est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase vapeur et sensiblement non absorbable par le carburant, une deuxième source de lumière configurée pour émettre de la lumière à travers le chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une deuxième longueur d'onde, dans lequel la deuxième longueur d'onde est de préférence dispersée par l'humidité en phase liquide et est sensiblement non absorbée par le carburant ou par l'humidité en phase vapeur, et un système détecteur configuré pour détecter la lumière transmise à travers le chemin d'écoulement aux première et deuxième longueurs d'ondes et pour générer un premier signal de données correspondant à la transmission à la première longueur d'onde et un deuxième signal de données correspondant à la transmission à la deuxième longueur d'onde. -5- Encore un autre mode de réalisation ici décrit est un procédé de surveillance des niveaux d'humidification de carburant. Le procédé comporte l'interrogation d'un mélange de carburant et d'humidité avec de la lumière à une première longueur d'onde, la détection de la lumière à la première longueur d'onde transmise à travers le mélange de carburant et d'humidité pour générer un signal de données correspondant à la lumière absorbée à la première longueur d'onde par l'humidité en phase vapeur sur le chemin de transmittance de la lumière à travers le mélange de carburant et d'humidité, la détection d'un signal de lumière de référence à la première longueur d'onde pour générer un signal de données de référence correspondant à l'intensité de la lumière à la première longueur d'onde interrogeant le mélange de carburant et d'humidité, et la détermination d'un niveau d'humidité en phase vapeur dans le mélange de carburant et d'humidité. Encore un autre mode de réalisation ici décrit est un système de mesure d'humidification de carburant. Le système de mesure d'humidification de carburant comporte une première source de lumière configurée pour émettre de la lumière à travers un chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une première longueur d'onde, dans lequel la première longueur d'onde est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase vapeur et sensiblement non absorbable par le carburant, une deuxième source de lumière configurée pour émettre de la lumière à travers le chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une deuxième longueur d'onde, dans lequel la deuxième longueur d'onde est de préférence dispersée par une matière particulaire et sensiblement non absorbable par le carburant ou par l'humidité en phase vapeur, une troisième source de lumière configurée pour émettre de la lumière à travers le chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une troisième longueur d'onde, dans lequel la troisième longueur d'onde est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase liquide et sensiblement non absorbable par le carburant ou l'humidité en phase vapeur, et un système détecteur configuré pour détecter la lumière transmise à travers le chemin d'écoulement aux première, deuxième et troisième longueurs d'ondes et pour générer un premier signal de données correspondant à la transmission à la première longueur d'onde, un deuxième signal de données correspondant à la transmission à la deuxième longueur d'onde et un troisième signal de données correspondant à la transmission à la troisième longueur d'onde. Ces caractéristiques, aspects et avantages de la présente invention ainsi que d'autres seront mieux compris en lisant la description détaillée qui suit en référence -6- aux dessins annexés, dans lesquels des caractères analogues représentent des parties analogues dans l'ensemble des dessins, dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un procédé pour mesurer les niveaux d'humidité dans un mélange de carburant et d'humidité dans un mode de réalisation ici décrit. La figure 2 est une représentation schématique d'un système de mesure pour mesurer les niveaux d'humidité dans un mélange de carburant et d'humidité dans un mode de réalisation ici décrit. La figure 3 est une représentation schématique d'un système de mesure pour mesurer les niveaux d'humidité dans un mélange de carburant et d'humidité dans un mode de réalisation ici décrit. La figure 4 est une représentation schématique d'un système de mesure pour mesurer les niveaux d'humidité dans un mélange de carburant et d'humidité dans un mode de réalisation ici décrit. La figure 5 est une représentation schématique d'un système d'humidification de carburant dans un système de gazéification dans un mode de réalisation ici décrit. La figure 6 est une représentation graphique des spectres d'absorption pour la vapeur d'eau, N2, CO, CO2, C2H4, C2H6 et CH4 dans un mode de réalisation ici décrit. La figure 7 est une représentation graphique des spectres d'absorption pour la vapeur d'eau, 02, COS, S02, H2S, NO2, NO et C2H2 dans un mode de réalisation ici décrit. La figure 8 est une représentation graphique de la variation d'intensité mesurée durant un processus d'humidification dans un mode de réalisation ici décrit. La figure 9 est une représentation graphique de la variation d'intensité mesurée durant un processus d'humidification dans un mode de réalisation ici décrit. Tel qu'il est ici utilisé, le terme � humidité � se réfère à la fois à l'humidité présente en phase vapeur et à l'humidité présente en phase liquide. L'humidité en phase vapeur est également ici appelée de façon interchangeable vapeur d'eau ou vapeur. Tel qu'il est ici utilisé, le terme � carburant � se réfère à un gaz naturel en phase gazeuse ou à du charbon gazéifié convenable pour une combustion dans des applications industrielles ou de centrales électriques, par exemple. Des exemples non limitatifs de composants moléculaires de carburant comportent H2, H2O, N2, CO, CO2, C2H2, C2H4, C2H6, CH4, 02, COS, S02, H2S, NO2, et NO. -7- Tel qu'il est ici utilisé, le terme matière particulaire se réfère à des particules solides et liquides entraînées dans le courant de carburant qui s'écoule. Des exemples non limitatifs comportent des particules d'humidité en phase liquide et des particules d'impuretés telles que celles de métaux, hydrocarbures, poussière et salissure. Dans la description qui suit et les revendications qui suivent, les formes singulières � un �, � une �, � le � et � la � comportent des référents pluriels sauf si le contexte impose manifestement le contraire. Les modes de réalisation ici décrits comportent des systèmes et des procédés pour déterminer les niveaux d'humidité en phase vapeur et/ou liquide dans un mélange de carburant et d'humidité. La figure 1 illustre un procédé 10 pour déterminer les niveaux d'humidité dans un mélange d'humidité et de carburant. Le procédé 10 comporte la séparation en deux parties 14 et 16 d'un faisceau laser incident en utilisant un séparateur de faisceau 12. Une première partie du faisceau 14 est transmise 18 à travers un mélange de gaz qui comporte de la vapeur et qui peut inclure une ou plusieurs espèces moléculaires telles que par exemple 02 et COS. Le faisceau transmis est incident sur un détecteur qui mesure l'intensité du faisceau transmis 22 et fournit une mesure de l'absorption à travers le mélange de gaz et de vapeur. En même temps, une deuxième partie du faisceau 16 est directement incidente sur un détecteur de référence pour détecter 20 et déterminer l'intensité du faisceau directement transmis. On utilise l'intensité mesurée sur les deux détecteurs pour déterminer d'abord la densité moléculaire 24 du mélange, d'après laquelle on estime le volume spécifique d'humidité 26 et on calcule la densité d'humidité 28 et la masse d'humidité 30. Si la longueur d'onde du faisceau incident est telle que seules les molécules de vapeur d'eau absorbent à la longueur d'onde du faisceau incident, alors l'intensité mesurée du faisceau à travers le mélange de vapeur et de gaz correspond à la masse de vapeur d'eau dans le mélange. Dans un mode de réalisation, un système de mesure d'humidification de carburant comporte une première source de lumière à une première longueur d'onde configurée pour interroger un chemin d'écoulement de carburant et d'humidité. La première longueur d'onde est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase vapeur et sensiblement non absorbable par le carburant. Dans un exemple, on choisit la première longueur d'onde de manière à se trouver dans la plage des longueurs d'ondes infrarouges. Dans un autre exemple, on choisit la première longueur d'onde de manière à se trouver dans la plage allant de 970 à 975 nm. Dans un mode de réalisation, � sensiblement non absorbé ou absorbable � signifie que le -8- niveau d'absorption est inférieur au niveau de bruit du système de mesure. Dans un mode de réalisation spécifique, � sensiblement non absorbé ou absorbable � signifie que l'absorption se trouve dans la plage inférieure ou égale à un pour cent du niveau d'intensité initiale de l'humidité. Dans un mode de réalisation, � au moins partiellement absorbable � signifie que le niveau d'absorption est supérieur au niveau de bruit du système de mesure. Dans un mode de réalisation spécifique, � au moins partiellement absorbable � signifie que l'absorption se trouve dans la plage d'au moins trois pour cent du niveau initial d'intensité de l'humidité. Dans un mode de réalisation plus spécifique, en particulier pour des températures et des pressions élevées, � au moins partiellement absorbable � signifie qu'au moins dix pour cent du niveau initial d'intensité de l'humidité est absorbé. Une deuxième source de lumière se trouve à une deuxième longueur d'onde qui est de préférence dispersée par l'humidité en phase liquide et est sensiblement non absorbée par le carburant ou par l'humidité en phase vapeur. On peut utiliser la deuxième source de lumière pour déterminer des niveaux de matière particulaire dans le mélange de carburant et d'humidité ou dans ou sur la chambre contenant le mélange de carburant et d'humidité. Dans un exemple, on choisit la deuxième longueur d'onde de manière à se trouver dans la plage des longueurs d'ondes visibles. Dans un autre exemple, on choisit une deuxième longueur d'onde de manière à se trouver dans la plage allant de 610 nm à 650 nm. Tel qu'il est ici utilisé, � de préférence dispersé � signifie que la section transversale de dispersion est plusieurs fois plus grande pour la phase liquide que pour la phase vapeur. On peut également inclure dans le système une troisième source de lumière pour interroger le carburant et avec une longueur d'onde qui est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase liquide et sensiblement non absorbable par le carburant ou l'humidité en phase vapeur. Dans un exemple, on choisit une troisième longueur d'onde de manière à se trouver dans la plage allant de 1525 nm à 1575 nm. Le système de mesure peut comporter en outre des détecteurs pour détecter les intensités transmises de la lumière d'interrogation à une ou plusieurs longueurs d'ondes et des systèmes d'acquisition et d'analyse pour déterminer des paramètres tels que les niveaux d'humidité et les niveaux de matière particulaire, en se basant sur les intensités mesurées transmises. La figure 2 illustre un système de mesure d'humidification de carburant 32 dans un mode de réalisation. Le système de mesure 32 comporte une première source de lumière 34 d'émission laser à une fréquence de crête X,, et une deuxième source de -9- lumière 36 d'émission laser à une fréquence de crête X2, dans lequel la lumière provenant des sources 34 et 36 est transmise à travers des fenêtres 56 et 58 d'une conduite 54 transportant un mélange d'humidité et de carburant. Dans un exemple, la lumière à une longueur d'onde X, est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase vapeur et n'est pas absorbable par l'humidité et la matière particulaire dans le mélange de carburant et d'humidité ou sur les fenêtres de la conduite. Dans un exemple non limitatif, la matière particulaire est de l'humidité en phase liquide. Dans un exemple non limitatif, on choisit X2 de sorte à être dispersée de façon préférentielle par la matière particulaire sur les fenêtres ou dans le mélange de gaz et de vapeur, ce qui conduit à une réduction de l'intensité transmise à x2. La lumière provenant des sources 34 et 36 est incidente sur les filtres passe bande respectifs 38 et 40 et elle est focalisée en utilisant respectivement des lentilles sphériques 42 et 44 avant d'être incidente sur les séparateurs de faisceau 46 et 48. Au niveau de chaque séparateur de faisceau, une partie de la lumière est réfléchie vers des détecteurs de référence respectifs 50 ou 52 et une partie de la lumière incidente est transmise vers la conduite 54 avec des fenêtres d'entrée et de sortie, par exemple des fenêtres en verre, 56 et 58 dans la conduite transportant le mélange de gaz et de vapeur 60. En sortant de la fenêtre de sortie 58, la lumière transmise est de nouveau focalisée sur des lentilles respectives 62 et 64 et elle est ensuite respectivement incidente sur des détecteurs de données 66 et 68. Le mode de réalisation de la figure 3 illustre un système de mesure d'humidification de carburant 70 configuré pour déterminer le niveau d'humidité en phase vapeur dans un mélange de carburant et d'humidité. Le système comporte le système d'interrogation 72, pour interroger une chambre transportant un carburant et de l'humidité 74, un système détecteur 76, et un système de contrôle et d'acquisition et d'analyse de données 78. Le système d'interrogation 72 comporte deux sources laser 80 et 82 émettant à des longueurs d'ondes d'environ 633 nm et d'environ 945 mn. La lumière à 945 nm est absorbée par l'humidité en phase vapeur et n'est pas absorbée par les molécules que l'on trouve typiquement dans un carburant. La lumière à 633 nm est dispersée de façon préférentielle par la matière particulaire, de façon spécifique, l'humidité liquide. Dans un exemple non limitatif, une quelconque condensation de vapeur sur les fenêtres ayant pour conséquence de l'humidité en phase liquide sur les fenêtres conduit à une perte d'intensité de transmission à cette longueur d'onde. De plus, une quelconque matière particulaire dans le carburant peut également conduire à une perte d'intensité transmise due à la dispersion. La lumière provenant des deux lasers est combinée au niveau du séparateur de faisceau 84. Une - 10 - partie du rayonnement émis par le laser 82 est transportée par une fibre jusqu'à un détecteur de référence 94 et elle est détectée et mesurée par le détecteur de référence 94, tandis qu'une deuxième partie du rayonnement est transportée par une autre fibre jusqu'à un collimateur 86 avant d'être incidente sur le séparateur de faisceau 84, qui transmet le rayonnement de lumière 96 à 945 nm vers la chambre 74. La sortie du laser 80 à la longueur d'onde d'environ 633 nm est séparée par le séparateur de faisceau 84 et elle est partiellement dirigée vers un détecteur de référence 92 après avoir été collimatée par un collimateur 90 et partiellement dirigée vers la chambre 76. La chambre 76 comporte des fenêtres d'entrée 100 et 102. Le rayonnement de lumière à des longueurs d'ondes de 945 nm et 633 nm, après absorption et/ou dispersion à travers la chambre, sort de la chambre sous la forme de faisceaux 104 et 106 et il est focalisé en utilisant une lentille 108 et il est ensuite incident sur le séparateur 110. Le faisceau réfléchi à 633 nm 112 est focalisé en utilisant une lentille 114 et il est collimaté en utilisant un collimateur 116 avant d'être incident sur un détecteur de données 118. Le rayonnement à 945 nm 120 est dirigé par le séparateur 110 vers le collimateur 122 et il est ensuite détecté par le détecteur 124. La sortie des détecteurs est reçue par les circuits électroniques de détecteur et d'acquisition de données 78 et elle est envoyée à un ordinateur 128 pour analyse. Bien que dans certains scénarios, l'humidité dans un mélange d'humidité et de carburant pour gazéification comporte principalement de l'humidité en phase vapeur, il existe d'autres scénarios dans lesquels de l'humidité en phase liquide peut également être présente à des niveaux significatifs dans le mélange et peut être avantageusement déterminée. Dans un autre mode de réalisation illustré sur la figure 4, le système de mesure d'humidification 72 peut inclure un troisième laser supplémentaire pour sonder les niveaux d'humidité en phase liquide dans le mélange de carburant et d'humidité. Le système comporte en outre un laser 83 émettant dans un exemple à une longueur d'onde de crête d'environ 1550 nm. La lumière à 1550 nm est absorbée par l'humidité en phase liquide mais elle n'est pas absorbée de façon significative par les molécules des composants du carburant ou par l'humidité en phase vapeur. Une partie de la sortie du laser 83 est incidente sur un collimateur 87 et elle est transmise par la suite à travers le séparateur 84 et elle est incidente sur la chambre 74. Une deuxième partie de la sortie du laser 83 est transportée à travers une fibre jusqu'à un détecteur de référence 95. Le faisceau transmis 113 sortant de la chambre est focalisé par la suite en utilisant une lentille 115 et il est collimaté en utilisant un collimateur 117 et il est détecté par le détecteur 119. Les intensités mesurées des faisceaux transmis à des longueurs d'ondes de 633 nm, 945 nm et -11- 1550 nm sont acquises par le système de contrôle et d'acquisition et d'analyse de données et analysées par la suite pour déterminer une valeur d'humidité en phase vapeur, d'humidité en phase liquide et d'humidité totale dans le mélange de carburant et d'humidité. Dans un autre mode de réalisation, un système de gazéification 130 comporte un système d'humidification de carburant 132, comme illustré sur la figure 5. Le carburant humidifié est conduit à travers une conduite 134 et il entre dans la chambre d'interrogation 136. En IGCC, par exemple, la concentration d'humidité dans le gaz combustible provenant de la colonne d'humidification varie typiquement de dix-huit pour cent à vingt pour cent. La chambre d'interrogation comporte deux fenêtres 138, pour que les faisceaux d'interrogation provenant du système d'interrogation entrent et sortent de la chambre 136. Lors de la transmission à travers la chambre, l'intensité transmise des faisceaux est mesurée par le système détecteur 137. Dans un mode de réalisation, les fenêtres peuvent inclure des éléments chauffants 133, qui peuvent être activés pour maintenir les fenêtres à une température élevée et en conséquence, exemptes de toute condensation d'humidité. Dans un exemple spécifique, les éléments chauffants peuvent être activés en réponse à une chute de l'intensité de lumière transmise à une longueur d'onde où il y a une absorption significative par l'humidité en phase liquide, indiquant la présence d'humidité condensée sur les fenêtres. Le carburant humidifié sort de la chambre d'interrogation et il est transporté au travers de la conduite 140 dans le gazéificateur 141. Dans un exemple non limitatif, on peut trouver dans le système d'interrogation des détecteurs pour mesurer les intensités des faisceaux de référence correspondant aux faisceaux d'interrogation. Dans un mode de réalisation, le système de contrôle et d'acquisition de données délivre de l'énergie aux systèmes d'interrogation et détecteur et il reçoit également des données d'intensité de référence et d'intensité transmise pour traitement et analyse ultérieurs. Dans un exemple, le système d'humidification de carburant dans un système de gazéification est configuré pour recevoir des données déterminées de rapport humidité sur carburant et pouvant être actionné pour modifier le rapport humidité sur carburant dans le mélange de carburant et d'humidité. Dans un mode de réalisation, un procédé de surveillance des niveaux d'humidification de carburant comporte l'interrogation d'un mélange de carburant et d'humidité avec de la lumière à une première longueur d'onde pour générer un signal de données correspondant à la lumière absorbée à la première longueur d'onde par l'humidité en phase vapeur sur un chemin de transmittance de lumière à travers le - 12 - mélange de carburant et d'humidité pour déterminer un niveau d'humidité en phase vapeur dans le mélange de carburant et d'humidité. Dans un autre mode de réalisation, le procédé comporte l'interrogation à une deuxième longueur d'onde pour mesurer la présence d'une quelconque matière particulaire dans le mélange de carburant et d'humidité ou le long du chemin de transmission, par exemple, sur une chambre contenant le mélange de carburant et de gaz. La lumière à la deuxième longueur d'onde, par exemple 633 nm, est typiquement dispersée par de la matière particulaire. Dans encore un autre mode de réalisation, on utilise la lumière à une troisième longueur d'onde, caractéristique d'une crête d'absorption de l'humidité en phase liquide, pour détecter et mesurer la présence d'humidité en phase liquide dans le mélange de carburant et d'humidité. Dans un mode de réalisation, on peut surveiller en ligne les niveaux d'humidité en temps réel dans un système tel qu'un système de gazéification pour modifier de façon dynamique les niveaux d'humidité dans le mélange de carburant et d'humidité, comme désiré. Le système de contrôle et d'acquisition de données peut utiliser une quelconque technique appropriée pour analyser les données détectées. Dans un mode de réalisation, un procédé comporte la détermination de la densité moléculaire d'humidité en phase vapeur par des calculs incluant la relation de Beer-Lambert, comme expliqué ci-dessous. Dans un autre mode de réalisation, on applique des corrections de pression et/ou de température aux calculs de largeur et de forme de raie d'absorption. On trouve typiquement un grand nombre d'espèces moléculaires dans un carburant. Le tableau 1 fournit une liste des constituants de gaz naturels typiques et leur pourcentage en poids moléculaire et en pourcentage molaire. Tableau 1. Espèces moléculaires constituantes de gaz naturels Composant Formule Poids molaire % molaire Hélium He 4,0026 0 Hydrogène H2 2,0159 0 Oxygène 02 31,9988 0 Argon Ar 39,948 0 Azote N2 28,0134 0,323 Dioxyde de carbone CO2 44,01 0,873 Monoxyde de carbone CO 0106 0 Méthane CH4 16,043 95,601 Éthane C2H6 30,0701 2,427 -13- Propane C3H8 44,0972 0,457 I-Butane C4H10 58,1243 9,4E-02 N-Butane C4H10 58,1243 9,4E-02 Néo-Pentane C5H12 72,1514 0,00E+00 I-Pentane C5H12 72,1514 3,70E-02 N-Pentane C5H12 72,1514 2,60E- 02 C-6 et plus lourds C6H14 86,1785 6,80E-02 Les figures 6 et 7 illustrent les spectres d'absorption 150 d'un grand nombre de composants moléculaires que l'on trouve dans un carburant, tel que mais sans y être limité, un gaz naturel, comparés aux spectres d'humidité en phase vapeur. Les spectres d'absorption présentés sont issus de la base de données HITRAN (� high-resolution transmission molecular absorption �). Sur la figure 6, le tracé 152 illustre les spectres d'absorption de l'humidité en phase vapeur. Les tracés 154, 156 et 158 illustrent respectivement les caractéristiques d'absorption de N2, CO et CO2. Les tracés 160, 162 et 164 illustrent respectivement les caractéristiques d'absorption de C2H4, C2H6 et CH4. Bien qu'une partie des spectres de vapeur d'eau 152 recouvre les spectres d'absorption de certaines des autres espèces moléculaires, d'autres parties ne le font pas. La vapeur d'eau présente des bandes d'absorption de rotation et de vibration fortes dans la plage de l'infrarouge proche (NIR) du spectre électromagnétique. À une longueur d'onde de 945 nm, l'absorption par la vapeur est importante sans aucun recouvrement avec d'autres constituants. En conséquence, une partie du rayonnement du laser est absorbée par la vapeur. La raie de référence 166 marque la longueur d'onde 945 nm à laquelle on trouve une raie d'absorption significative pour l'humidité en phase vapeur, qui est absente dans l'un quelconque des composants de carburant présentés ci-dessus. De façon similaire, dans le tracé comparatif 168 de la figure 7, le tracé 170 représente les spectres d'absorption pour l'humidité en phase vapeur. Les tracés 172, 174 et 176 illustrent respectivement les caractéristiques d'absorption de 02, COS et SO2. Les tracés 180, 182, 184 et 186 illustrent respectivement les caractéristiques d'absorption de H2S, NO2, NO et C2H2. La raie de référence 186 marque la longueur d'onde 945 nm à laquelle on trouve une raie d'absorption significative pour l'humidité en phase vapeur, que l'on ne trouve dans aucun des composants de carburant présenté ci-dessus. En conséquence, l'humidité en phase vapeur présente une caractéristique d'absorption que l'on ne trouve pas dans les composants typiques d'un carburant et ainsi, on peut l'utiliser en tant que signature pour détecter la présence d'humidité en - 14 - phase vapeur et mesurer les niveaux de vapeur. En conséquence, dans un mode de réalisation, on choisit la longueur d'onde utilisée pour sonder l'humidité en phase vapeur en se basant sur les spectres d'absorption des autres espèces moléculaires des molécules de vapeur présentes dans le mélange. Dans un mode de réalisation, on peut calculer la densité moléculaire de l'humidité en phase vapeur en se basant sur la relation de Beer-Lambert donnée par : I = exp (ù Sil ,(T) f (v ,vo,T,P)NiL) (3) 0 où Io est l'intensité de référence, I est l'intensité transmise, Sn.n,(T) est la force de la raie, f(v,vo,T,P) est la fonction de forme de la raie, Ni est la densité moléculaire et L est la longueur de chemin du faisceau. La force de la raie et les fonctions de forme de la raie du rayonnement laser d'interrogation dépendent de la température et de la pression et sont bien connues dans la technique. D'après l'équation 3, on peut écrire la densité moléculaire : I 14 = v2 I (4) Sn.n,(T)J f(v,vo,T,P)L vl L'équation ci-dessus indique que la densité moléculaire est une fonction de l'intensité de référence et de l'intensité transmise. En utilisant l'équation (4) ci-dessus, on peut calculer le volume spécifique : v = Nav (N~ * MWxzo ) (5) où Nav est le nombre d'Avogadro (molécules/mole) et MWH2O (g/mole) est le poids moléculaire de l'eau. On peut alors calculer la densité (p) de vapeur dans le mélange de gaz combustible en utilisant la relation p = 1 (6) v En multipliant la densité par le volume du récipient on obtient la masse de vapeur contenue dans le mélange de gaz combustible à un instant quelconque. Dans certains modes de réalisation, on peut corriger la forme de la raie d'absorption en considérant l'élargissement de la raie d'absorption dû à des conditions de température et de pression élevées. - 15 - Dans un exemple, la pression de fonctionnement s'étend d'environ 3450 kPa à environ 4140 kPa et la température est d'au moins 204°C. À une pression et à une température aussi élevées, il existe une probabilité d'élargissement de la raie d'absorption. En conséquence, la connaissance des caractéristiques de la raie d'absorption en fonction de la température et de la pression est utile pour l'application d'un détecteur spectroscopique dans des environnements industriels. Les décalages de spectre de la raie d'absorption en fonction de la pression et de la température sont décrits dans un grand nombre de références, telles que � Absorption line shift with temperature and pressure impact on laser-diode-based H2O sensing at 1.393 um �, de Richard Phelan et al., dans Appl. Optics, Vol. 42, No. 24, pp. 4968-4974, 2003. Les formes de la raie d'absorption ont des largeurs finies, qui dépendent principalement des mécanismes d'élargissement Doppler et de collision (pression). La largeur de la raie d'absorption AVD à mi-hauteur (FWHM) dans la limite Doppler est définie par AVD =vo/c[(2kTln2/me (7) où vo est la fréquence centrale, T est la température en degrés Kelvin, k est la constante de Boltzmann, m est la masse de la molécule et c est la vitesse de la lumière. Le décalage spectral et l'élargissement d'une raie d'absorption en fonction de la pression et de la température sont respectivement décrits par les équations (8) est où Vp et VR sont respectivement les longueurs d'ondes des profils d'absorption de crête à une pression P et à une pression de référence R, et 6 est le coefficient de décalage de raie induit par la pression. Dans l'équation (9), To est la température de référence, 2y(To) est le coefficient d'élargissement à la température de référence, et N est l'exposant dépendant de la température. Comme indiqué dans la référence de Phelan mentionnée ci-dessus, le coefficient de décalage spectral maximum mesuré avec la pression est de 2,29 x 10- 6 mm/hPa à la température ambiante. La variation du coefficient de décalage en fonction de la température dans la plage allant de 300°K à 1100°K est donnée par la même référence. L'élargissement de température peut décaler la longueur d'onde b de plus ou moins 0,03 nm/°C. dans un exemple, le décalage maximum à 316°C environ est de 9,46 nm. L'élargissement de pression peut également décaler la longueur (9), VP =VR+B *P, (8) 2y(T) = 2y (To )(To/T)N, (9) -16- d'onde de plus ou moins 0,000075 nm/hPa. Ceci produit un décalage de 2,75 nm à 3 790 kPa environ. On compare les tracés 152 (vapeur d'eau) et 158 (CO2) de la figure 6, AX pour CO2 (les spectres les plus proches) et le laser de la vapeur d'eau est de 91 nm (approximativement). Ainsi, on montre qu'il ne se produit aucun recouvrement des spectres d'absorption à des températures et à des pressions élevées, comme on les rencontre dans une tour d'humidification dans un système de gazéification, par exemple pour CO, CO2 et d'autres hydrocarbures. Sans autre élaboration, on estime qu'en utilisant la présente description, un homme de l'art peut utiliser les modes de réalisation ici décrits dans leur plus large mesure. Les exemples suivants sont inclus pour fournir une aide supplémentaire aux hommes de l'art dans la mise en pratique de l'invention revendiquée. Les exemples fournis sont simplement représentatifs du travail qui contribue à l'enseignement de la présente demande. En conséquence, ces exemples ne sont destinés en aucune manière à limiter l'invention, telle que définie dans les revendications annexées. Une expérience a été menée pour mesurer les niveaux d'humidité dans de la vapeur mélangée dans de l'azote (N2) et du dioxyde de carbone (CO2). À une température et à une pression élevées, on a conçu et fabriqué un récipient de gaz avec des liaisons de gaz et de vapeur dans le but de mener des expériences. Le récipient de gaz a été conçu de manière à supporter une pression d'environ 1034,25 kPa à 150°C. La pression de fonctionnement maximale dans cet exemple était d'environ 551,6 kPa. Les fenêtres dans le récipient de gaz étaient constituées de verre à quartz d'une épaisseur de 6 mm, d'un diamètre de 76,2 mm. Pour éliminer la condensation de l'humidité sur les fenêtres, on a chauffé les fenêtres jusqu'à 200°C. On a surveillé la température et la pression à l'intérieur du récipient de gaz durant l'expérience en utilisant un thermocouple et un manomètre. On a divisé en deux parties le rayonnement laser d'interrogation à 945 nm et 633 nm, chacune utilisant un séparateur de faisceau. Une partie était incidente sur le récipient de gaz sur l'une des fenêtres et le rayonnement transmis détecté à travers l'autre fenêtre. On a utilisé la deuxième partie en tant que référence pour la mesure de la puissance incidente. On a effectué l'acquisition des données à un rythme de 500 kHz et on a délivré les données à des algorithmes écrits en MATLAB� pour calculer la fraction de masse de vapeur dans un mélange de gaz. La loi de Beer et la fonction de ligne de vapeur ont été mises en oeuvre en MATLAB dans les algorithmes utilisés pour calculer les niveaux de vapeur. - 17 - EXEMPLE 1 On a vidé le récipient et on l'a rempli d'azote jusqu'à une pression désirée. On a initialisé un système d'acquisition de données effectuant l'acquisition des données depuis le système de mesure d'humidification et on a surveillé les intensités transmise et de référence. On a introduit de la vapeur dans le récipient et on a surveillé les intensités transmise et de référence. La figure 8 illustre la variation de l'intensité transmise à travers N2 à environ 379 kPa et de la vapeur à environ 68 kPa. La caractéristique d'absorption de la lumière à 945 nm sur la figure 8 montre qu'à mesure que l'on a introduit de la vapeur dans la chambre au point 189, il s'est produit une chute 190 de l'intensité transmise jusqu'à atteindre de nouveau un état stable au point 191 et au-delà de celui-ci. La ligne 192 marque le niveau d'intensité de la ligne de base. On a mesuré la masse de vapeur à des pressions différentes de vapeur et de N2. On a validé les résultats en utilisant des calculs basés sur un tableau thermodynamique et des calculs basés sur la pression, le volume et la température (P, V, T). Pour les calculs basés sur le tableau thermodynamique, on a mesuré la température de la vapeur en utilisant un thermocouple de type k inséré à l'intérieur de la chambre de vapeur. Pour les calculs basés sur P, V, T, on a calculé la pression de vapeur à l'intérieur de la chambre au moyen de la différence entre la pression de la chambre avec le mélange azote plus vapeur et de l'azote seul (avant introduction de vapeur dans la chambre). Le tableau 2 résume la mesure de la masse de vapeur à différentes pressions de vapeur. Tableau 2. Mesures de la masse de vapeur à différentes pressions de vapeur avec N2 dans la chambre. Pression Pression Température Masse Masse Masse de % de totale (K) de de vapeur (kg) d'humidité vapeur (kPa) vapeur vapeur d'après d'après (kPa) mesurée TT mesure de mesure de (kg) (kg) pression et pression et de de température température 195,8 432,7 390 0,02552 0,0252 0,0248 34,714 200,0 412,3 382,3 0,02581 0,0258 0,0258 37,7155 189,6 364,7 389,55 0,02498 0,0240 0,0240 41,0479 195,1 348,9 395,85 0,2498 0,0243 0,0243 44,9387 203,4 358,5 393,3 0,026 0,255 0,255 45,7466 - 18 - 191,0 358,5 390,5 0,249 0,241 0,241 42,3001 Un tableau comparatif de la masse de vapeur moyenne mesurée en utilisant le détecteur d'humidification de carburant, les calculs basés sur le tableau thermodynamique et les mesures basées sur P, V, T, est fourni dans le tableau 3. On peut noter que la masse de vapeur moyenne telle que détectée par le détecteur d'humidification de carburant est très proche de la valeur de la masse de vapeur moyenne estimée en utilisant le calcul basé sur le tableau thermodynamique et les mesures basées sur P, V, T. Ceci indique que le détecteur est capable de détecter une teneur en eau dans des mélanges gaz-vapeur. Tableau 3. Tableau comparatif de la masse de vapeur moyenne estimée par trois procédés différents. Mesure du capteur Valeurs calculées Valeurs calculées d'humidité de basées sur P, V, T basées sur le carburant tableau thermodynamique Masse de vapeur 0,02489 0,024576 0,025 moyenne Écart-type 0,00062 0,0006 0,000835 EXEMPLE 2 On a vidé le récipient et on l'a rempli avec du dioxyde de carbone jusqu'à une pression désirée. On a initialisé un système d'acquisition de données effectuant l'acquisition des données depuis le système de mesure d'humidification et on a surveillé les intensités transmise et de référence. On a introduit de la vapeur dans le récipient et on a poursuivi la surveillance des intensités transmise et de référence. La figure 9 illustre la variation de l'intensité transmise à travers CO2 à 207 kPa environ et de la vapeur à 68 kPa environ. La ligne 202 marque le niveau d'intensité de la ligne de base. La caractéristique d'absorption de la lumière à 945 nm sur la figure 9 montre qu'à mesure que l'on a introduit de la vapeur à l'intérieur de la chambre au point 204, il s'est produit une chute 200 de l'intensité transmise jusqu'à atteindre de nouveau un état stable dans la région 206. Le décalage en continu était dû à l'absorption d'environ 68 kPa. La vapeur dans le mélange + CO2 est indiquée sur la figure 9. On utilise ce décalage en continu des spectres d'absorption pour calculer la masse de vapeur dans les mélanges de gaz. Dans un mode de réalisation, les exemples présentés 1 et 2 démontrent l'aptitude du détecteur d'humidification à surveiller et à suivre les transitoires dans la - 19 - masse de vapeur, dus à l'introduction de vapeur dans la chambre contenant soit N2, soit CO2. Bien que seules certaines caractéristiques de l'invention aient été ici illustrées et décrites, un grand nombre de modifications et de variantes apparaîtront aux hommes de l'art. En conséquence, on comprendra que les revendications annexées sont destinées à couvrir toutes ces modifications et variantes appartenant à l'esprit réel de l'invention. LISTE DES ÉLÉMENTS 32 système de mesure 34 première source laser 36 deuxième source de lumière 38 filtre passe bande 40 filtre passe bande 42 lentille sphérique 44 lentille sphérique 46 séparateur de faisceau 48 séparateur de faisceau 50 détecteur de référence 52 détecteur de référence 54 conduite 56 fenêtre en verre 58 fenêtre en verre 60 mélange de gaz et de vapeur 62 lentille 64 lentille 66 détecteur de données 68 détecteur de données 70 système de mesure d'humidification de carburant 72 système d'interrogation 74 chambre de transport 76 système détecteur 78 système de contrôle et d'acquisition et d'analyse de données 80 laser 82 laser 83 laser 84 séparateur de faisceau - 20 - 86 collimateur 87 collimateur 88 faisceau dirigé 90 collimateur 92 détecteur 94 détecteur de référence 95 détecteur de référence 96 rayonnement de lumière 98 rayonnement de lumière 100 fenêtre d'entrée 102 fenêtre d'entrée 104 faisceau 106 faisceau 108 lentille 110 séparateur 112 faisceau réfléchi 113 faisceau transmis 114 lentille 115 lentille 116 collimateur 117 collimateur 118 détecteur de données 119 détecteur 120 rayonnement laser 122 collimateur 124 détecteur 126 circuits électroniques de détecteur et d'acquisition de données 128 ordinateur 130 système de gazéification 132 système d'humidification de carburant 133 éléments chauffants 134 conduite 136 chambre d'interrogation 137 système détecteur 138 fenêtres 140 conduite REVENDICATIONS 1. Système de mesure d'humidification de carburant (32) comprenant : une première source de lumière (34) configurée pour émettre de la lumière à travers un chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une première longueur d'onde, dans lequel la première longueur d'onde est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase vapeur et sensiblement non absorbable par le carburant ; et une deuxième source de lumière (36) configurée pour émettre de la lumière à travers le chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une deuxième longueur d'onde, dans lequel la deuxième longueur d'onde est de préférence dispersée par l'humidité en phase liquide et est sensiblement non absorbée par le carburant ou par l'humidité en phase vapeur ; un système détecteur configuré pour détecter la lumière transmise à travers le chemin d'écoulement aux première et deuxième longueurs d'ondes et pour générer un premier signal de données correspondant à la transmission à la première longueur d'onde et un deuxième signal de données correspondant la transmission à la deuxième longueur d'onde. 2. Système de mesure d'humidification de carburant selon la revendication 1, dans lequel on choisit la première longueur d'onde de manière à se trouver dans la plage allant de 925 à 975 nm. 3. Système de mesure d'humidification de carburant selon la revendication 1, dans lequel on choisit la deuxième longueur d'onde de manière à se trouver dans la plage allant de 610 à 650 nm. 4. Système de mesure d'humidification de carburant selon la revendication 1, comprenant en outre un premier et un deuxième détecteur de référence (66, 68), dans lequel une partie de la lumière provenant de la première source de lumière à la première longueur d'onde est détectée par le premier détecteur de référence et une partie de la lumière provenant de la deuxième source de lumière à la deuxième longueur d'onde est détectée par le deuxième détecteur de référence pour générer un premier et un deuxième signal de données de référence correspondant respectivement à l'intensité de la lumière aux première et deuxième longueurs d'ondes, incidentes sur le chemin d'écoulement. 5. Système de mesure d'humidification de carburant selon la revendication 1, comprenant en outre un système d'acquisition et d'analyse de données (78), danslequel le système d'acquisition et d'analyse de données est configuré pour recevoir les premier et deuxième signaux de données générés et les premier et deuxième signaux de données de référence pour déterminer un niveau d'humidité en phase vapeur dans le mélange de carburant et d'humidité. 6. Système de mesure d'humidification de carburant selon la revendication 1, dans lequel le chemin d'écoulement est situé dans une enceinte (136) comprenant au moins une fenêtre (138) et dans lequel les première et deuxième sources de lumière sont configurées pour émettre de la lumière à travers l'au moins une fenêtre et comprenant en outre au moins un élément chauffant (133) situé à proximité de l'au moins une fenêtre, dans lequel l'au moins un élément chauffant est activé en réponse à une diminution détectée de la transmission à la deuxième longueur d'onde. 7. Système de mesure d'humidification de carburant selon la revendication 1, dans lequel la lumière à la deuxième longueur d'onde est de façon préférentielle dispersée par une matière particulaire dans le mélange de carburant et d'humidité pour diminuer la transmittance à la deuxième longueur d'onde à travers le mélange de carburant et d'humidité. 8. Système de mesure d'humidification de carburant selon la revendication 1, dans lequel on utilise la réduction de transmittance à la deuxième longueur d'onde pour déterminer un niveau de matière particulaire dans le mélange de carburant et d'humidité. 9. Système de gazéification (130) comprenant : un gazéificateur (141) ; un système d'humidification de carburant (132) ; une conduite (134) pour transférer un mélange de carburant et d'humidité du système d'humidification de carburant au gazéificateur ; et un système en ligne détecteur d'humidification de carburant disposé à l'extérieur du gazéificateur, dans lequel le système de mesure comprend : une première source de lumière configurée pour émettre de la lumière à travers un chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une première longueur d'onde, dans lequel la première longueur d'onde est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase vapeur et sensiblement non absorbable par le carburant ; et un premier détecteur de données, configuré pour détecter la lumière transmise à travers la chambre à la première longueur d'onde ;dans lequel au moins une partie de la lumière transmise à travers la chambre contenant le mélange de carburant et d'humidité, à la première longueur d'onde, est détectée par le premier photodétecteur pour générer un premier signal de données correspondant à la transmission de la lumière à la première longueur d'onde à travers la chambre une deuxième source de lumière émettant à une deuxième longueur d'onde, dans lequel la lumière à la deuxième longueur d'onde interroge la chambre contenant le mélange de carburant et d'humidité, dans lequel la lumière dans la plage de la deuxième longueur d'onde est sensiblement non absorbable par le carburant et l'humidité en phase vapeur et est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase condensée dans la chambre et un deuxième détecteur de données, configuré pour détecter la lumière transmise à travers la chambre à la deuxième longueur d'onde un système d'acquisition et d'analyse de données, dans lequel le système d'acquisition et d'analyse de données est configuré pour recevoir les premier et deuxième signaux de données générés et les premier et deuxième signaux de données de référence pour déterminer un rapport humidité sur carburant dans le mélange de carburant et d'humidité. 10. Système de mesure d'humidification de carburant (70) comprenant : une première source de lumière (80) configurée pour émettre de la lumière à travers un chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une première longueur d'onde, dans lequel la première longueur d'onde est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase vapeur et sensiblement non absorbable par le carburant ; une deuxième source de lumière (82) configurée pour émettre de la lumière à travers le chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une deuxième longueur d'onde, dans lequel la deuxième longueur d'onde est de façon préférentielle dispersée par de la matière particulaire et sensiblement non absorbable par le carburant ou par l'humidité en phase vapeur ; une troisième source de lumière (83) configurée pour émettre de la lumière à travers le chemin d'écoulement de carburant et d'humidité à une troisième longueur d'onde, dans lequel la troisième longueur d'onde est au moins partiellement absorbable par l'humidité en phase liquide et sensiblement non absorbable par le carburant ou l'humidité en phase vapeur ; etun système détecteur (76) configuré pour détecter la lumière transmise à travers le chemin d'écoulement aux première, deuxième et troisième longueurs d'ondes et pour générer un premier signal de données correspondant à la transmission à la première longueur d'onde, un deuxième signal de données correspondant à la transmission à la deuxième longueur d'onde et un troisième signal de données correspondant à la transmission à la troisième longueur d'onde.