Pourquoi et comment utiliser des analyseurs d`oxygène

Livre blanc HACH LANGE
Pourquoi et comment utiliser des analyseurs d’oxygène optiques
portatifs dans les centrales de production d’énergie ?
Introduction
L’analyse de l’oxygène constitue un paramètre clé pour les centrales
de production d’énergie : le suivi et la réduction des niveaux d’oxygène
permettent de minimiser le taux de corrosion, d’accroître la disponibilité de la centrale et de protéger ses équipements. Cette analyse
consiste à détecter les valeurs faibles dans le traitement chimique
tout volatil (AVT) ou les concentrations d’oxygène plus élevées dans
le traitement par oxygénation (OT).
Parallèlement, les tendances du secteur de l’énergie imposent des
pressions accrues et de nouveaux défis en matière de technologie
d’instruments dans les centrales. La récente introduction de la
technologie de mesure de l’oxygène dissous par luminescence (DO2)
apporte des réponses à ces nouveaux besoins. Depuis quelques
années déjà, l’utilisation de la technologie de luminescence pour la
mesure de l’oxygène en ligne offre des avantages considérables par
rapport à la technologie électrochimique classique (EC) : réduction de
la complexité et de la fréquence de maintenance, stabilité à long terme
et coût de possession moindre. L’optimisation de cette technologie
permet d’utiliser des capteurs de mesure d’oxygène à faible limite de
détection de ppb exigeant peu de maintenance.
Tendances et défis du secteur
de l’énergie
Avant d’aborder l’analyse de l’oxygène, il convient d’identifier toutes les
tendances qui influencent les instruments utilisés dans le secteur de
l’énergie et les différents défis à relever dans ce domaine.
Au cours des dix dernières années, la pression en faveur de la réduction
des coûts s’est renforcée et d’autres besoins ont émergé, entraînant de
multiples conséquences :
¢ réduction de la maintenance et du personnel d’entretien impliquant
une optimisation des différentes tâches et une diminution du temps
consacré à l’entretien et à l’étalonnage de tous les analyseurs d’une
centrale ;
¢ baisse des formations et des connaissances chimiques appliquées
à la supervision des tâches et à l’utilisation des instruments ;
¢ externalisation des services liés aux instruments, avec par conséquent,
un besoin d’instruments moins complexes et plus simples d’entretien ;
¢ allongement de la durée de vie des équipements du site, avec des
répercussions sur l’ensemble du système d’analyse d’eau et de
vapeur en termes de performance et de fiabilité ;
¢ centrales de pointe fonctionnant uniquement lors des périodes de
forte demande, avec une grande variabilité des niveaux d’oxygène
entre les différentes périodes, et par conséquent, une fréquence
accrue de l’étalonnage et de l’entretien des instruments de mesure
d’oxygène.
Il y a quelques années, la combinaison de la technologie LDO et de
la portabilité a constitué une étape majeure en offrant de nouvelles
possibilités. Cet article décrit les différents scénarios d’utilisation et
les avantages de cette association entre la technologie optique LDO
et la portabilité. Résultat de cette innovation : un instrument à la fois
polyvalent et précis assurant un meilleur contrôle de la corrosion, une
sécurité des données et une amélioration sensible de l’effi cacité et de
la disponibilité des centrales de production d’énergie.
Rédigé par :
Georges Schmidt
Hach Lange Genève, SuisseHACH LANGE Geneva, Switzerland
Fig. 1: les tendances des centrales de production d’énergie se répercutent aussi sur les instruments
Principe de la technologie LDO
Excitation avec
lumière bleue
O2
Support transparent
O2
¢ aucune interférence générée par les composés typiquement présents
dans la boucle d’eau de la centrale. La technologie EC traditionnelle
est en revanche soumise aux interférences dues à l’hydrogène.
L’hydrogène est utilisé uniquement dans les boucles primaires des
centrales nucléaires. Dans ce cas de figure, les analyseurs requièrent
une correction ou une compensation à l’aide d’un second capteur
d’hydrogène.
O2
O2
O2
Détection de la
luminescence (rouge)
O2
Couche sensible avec
luminophore
Utilisation d’un analyseur d’oxygène
portatif dans une centrale
Les analyseurs d’oxygène portatifs peuvent être destinés à différentes
utilisations dans les centrales. La flexibilité des analyseurs portatifs
associée aux atouts de la technologie LDO offre de nouvelles possibilités.
Fig. 2: principe du capteur LDO
La technologie LDO (Luminescent Dissolved Oxygen) est un procédé de
mesure de l’oxygène dissous par luminescence. La détection optique de
l’oxygène se base sur la mesure de la fluorescence rouge d’un colorant/
indicateur, éclairé d’une lumière bleue modulée, comme illustré à la Figure 2.
La présence d’oxygène entraîne un changement de phase de la lumière
fluorescente rouge par rapport à la source de lumière bleue modulée. La
mesure de ce changement de phase permet de déterminer directement
la concentration d’oxygène dans un échantillon.
Un outil de validation
La validation consiste en une unique comparaison entre la mesure d’un
analyseur et une référence. Les procédures et les technologies EC habituelles impliquent de prendre la référence dans l’air ou à l’aide d’un
échantillon de référence, ce qui exige le retrait du capteur de son emplacement dans le process.
Après avoir été étalonné dans le laboratoire selon les normes recommandées, l’instrument portatif est conservé pendant quelques mois à des fins
de validation. Cette procédure, qui permet de s’aff ranchir de toute manipulation du capteur installé, permet à la fois un important gain de temps
et une référence plus fiable moins influencée par l’opérateur. En étant
effectuée à proximité du capteur en ligne, la mesure permet d’établir une
comparaison qui tient également compte des phénomènes de l’échantillonnage.
Une possibilité qui n’existe pas lorsque l’on retire le capteur en ligne de
son emplacement.
Etalonnage en ligne
L’étalonnage consiste dans un premier temps à effectuer une comparaison
avec une référence, comme expliqué précédemment, puis à régler
l’instrument étalonné. Pour les capteurs EC standard, l’air est utilisé comme
milieu d’étalonnage. Pour les capteurs LDO, on utilise de l’azote très pur
comme référence. Ces opérations comportent un certain nombre de contraintes lorsqu’il s’agit d’étalonner des capteurs en ligne : matériel supplémentaire requis, manipulations du capteur, long temps de récupération
après l’exposition du capteur à l’air (en particulier pour la technologie EC).
L’oxygène interagit avec le capteur actif de luminescence
1. Spot actif de luminescence 2. Lumière bleue (excitation) 3. Lumière rouge (détection)
Fig. 3: installation mécanique d’un capteur LDO
La surface de détection est contenue dans une cartouche pour faciliter le
remplacement (voir Fig. 3). Cette technologie offre de multiples avantages :
¢ technologie à semi-conducteurs. Le capteur est dépourvu d’électrolyte
et de membrane. Ainsi, les opérations d’entretien sont d’une grande
simplicité, car seul le capuchon du capteur est à remplacer, sans
qu’aucune opération de nettoyage ni aucun outillage spécial ne soient
nécessaires. Les risques d’erreur lors de l’entretien sont également
réduits.
¢ stabilité à long terme. Le capteur LDO présente une dérive minimale
dans le temps. Il peut fonctionner jusqu’à trois ans sans être remplacé,
alors que les capteurs EC nécessitent un entretien plusieurs fois par
an. Des contrôles d’étalonnage s’avèrent nécessaires tous les six
à douze mois.
Dotés de fonctions d’étalonnage direct, les analyseurs en ligne peuvent
être étalonnés en quelques secondes seulement, à l’aide de l’unité portative utilisée comme référence et reliée au même point d’échantillonnage.
L’instrument portatif utilisé comme référence (car « associé » aux standards officiels externes) permet d’assurer la traçabilité de la référence.
Cette opération ne dure pas plus de trois minutes. Résultat : un gain de
temps considérable. Ainsi, pour dix mesures d’étalonnage en ligne, le
gain de temps peut se compter en minutes ou en heures.
Dépannage du process
Une concentration d’oxygène dissous élevée peut amener à effectuer
une analyse de cause racine pour identifier le point de fuite d’air dans
la boucle d’eau de la centrale.
Les principaux points à déterminer comprennent notamment l’heure
et la concentration maximale de DO2, l’emplacement du problème, la
fréquence de l’excursion de DO2, l’identification du schéma, etc.
La méthodologie consiste à remonter le flux d’eau de process à partir du
premier point où la concentration élevée d’oxygène dissous a été ou est
mesurée. A un emplacement spécifique de la boucle, la valeur mesurée
sera conforme aux spécifications. Cela signifie que l’entrée d’air est située
dans la section de la ligne délimitée par les deux dernières mesures.
Le plus souvent, les fuites d’air proviennent de vannes ou de joints
d’étanchéité défectueux au niveau des pompes.
Dépannage des analyseurs en ligne
Dans ce cas de figure, il s’agit de contrôler la mesure en ligne, c’est-à-dire,
soit le transmetteur, soit le capteur d’oxygène. Le but est d’abord de
vérifier les performances de la boucle de mesure d’oxygène en ligne et
d’éliminer tout doute sur les valeurs affichées. Cette étape consiste avant
tout en une validation de l’analyseur. Il est ensuite possible de démarrer
une procédure de dépannage, s’il y a lieu. Maintenir l’analyseur portatif
au même emplacement que l’échantillon permet de valider l’instrument
en ligne de manière simple et directe.
Un dispositif de sauvegarde
Si, pour une raison quelconque, un analyseur en ligne est hors service,
un analyseur d’oxygène portatif peut être installé en tant que dispositif
de sauvegarde tout en fournissant une mesure de l’oxygène en continu,
s’il est doté d’une fonction de stockage des données.
Caractéristiques de l’analyseur
portatif Orbisphere 3100
Robuste, fiable et durable, l’analyseur d’oxygène optique portatif Hach
Orbisphere 3100 est conçu pour résister aux environnements et aux
conditions d’utilisation les plus difficiles. Protégé par un boîtier inoxydable qui encadre son écran tactile lumineux, il peut être utilisé en toute
simplicité dans l’ensemble de la centrale. L’analyseur Orbisphere 3100
fournit des résultats à la fois rapides et fiables tout en nécessitant des
étalonnage plus espacés et une maintenance sur site simplifiée. Cet
instrument de mesure d’oxygène portatif offre ainsi la stabilité la plus
élevée et les intervalles d’étalonnage les plus longs du secteur de
l’énergie.
Fig. 4: l’analyseur Orbisphere 3100
Quatre modes d’utilisation de
l’Orbisphere 3100
Après avoir présenté les différents scénarios d’utilisation des analyseurs
d’oxygène portatifs, nous allons maintenant décrire dans cet article les
différents modes et les différentes fonctions de cet instrument.
Relevé direct
Il s’agit de la méthode la plus utilisée pour effectuer des contrôles ponctuels à l’aide de l’analyseur. Il suffit de connecter l’analyseur à un point
d’échantillonnage pour obtenir la concentration d’oxygène réelle en moins
de trois minutes. Pour assurer la traçabilité des données, l’identification
des points d’échantillonnage peut être stockée avec les données de
mesure.
Enregistreur de données
Cette fonction peut être utilisée dans le cadre d’un dépannage du process
ou pour un analyseur en ligne. La capacité de la mémoire permet
d’enregistrer jusqu’à 5 700 mesures, ce qui représente une capacité de
huit heures à une fréquence de stockage de cinq secondes, ou de quatre
jours à une fréquence d’une minute. La concentration d’oxygène, l’heure
et la température sont enregistrées simultanément.
Un port USB permet de charger toutes les données en vue d’une future
analyse.
Graphiques et captures d’écran
Un graphique offre un meilleur aperçu du comportement de l’oxygène
à un point d’échantillonnage donné et rend l’analyse transitoire de
l’oxygène bien plus facile. L’Orbisphere 3100 offre ces avantages sans
qu’un ordinateur ou un écran supplémentaire ne soit nécessaire. Le
grand écran affi che des graphiques en couleurs (rouge ou vert) facilement
lisibles grâce à l’affichage lumineux.
De plus, le graphique affiché à l’écran peut être enregistré et publié
dans un fichier image au format bmp.
¢ Une surveillance plus efficace de la source de corrosion, réalisée en
continu grâce au maintien des boucles de mesure d’oxygène à leur
niveau de performance optimal, permet de répondre aux besoins des
centrales en matière d’allongement de la durée de vie. Une performance
rendue possible grâce au temps de réponse réduit du capteur LDO.
Un capteur EC nécessite une quinzaine de minutes pour passer d’un
état de veille à un relevé de mesure précis. Avec un capteur LDO,
le résultat peut être obtenu en trois minutes à peine, et ce même
lorsque l’analyseur n’a pas été utilisé depuis de nombreuses semaines.
La validation et l’étalonnage de dix boucles de mesure d’oxygène en
ligne à l’aide d’un instrument portatif n’ont jamais été aussi rapides
et précis.
¢ Le haut niveau de sécurité des données sur la durée permet un réel
suivi de la principale source de corrosion et une meilleure protection
des équipements du site.
Fig. 5: affichage graphique de la mesure
Comment l’analyseur Orbisphere 3100
relève-t-il les défis du secteur de
l’énergie ?
L’association de la technologie LDO à un analyseur portatif offre un
instrument parfaitement adapté aux besoins du secteur de l’énergie :
¢ Deux caractéristiques majeures répondent aux objectifs de réduction
des coûts. L’appareil convient à une large gamme d’applications allant
de la validation à l’étalonnage et au dépannage, tout en remplissant la
fonction d’unité de sauvegarde. Le capteur à semi-conducteurs peut
fonctionner pendant trois ans sans aucune intervention de maintenance, et l’instrument ne nécessite aucune surveillance particulière
lorsque l’on attend des résultats de mesure rapides.
¢ La complexité de l’instrument est réduite grâce à son haut niveau
d’ergonomie : l’Orbisphere 3100 est doté d’un écran tactile lumineux
et de multiples outils et modes d’utilisation allant des mesures ponctuelles à l’affichage de graphiques. L’opérateur peut ainsi concentrer
son attention sur l’analyse des données.
Conclusion
L’emploi d’un analyseur d’oxygène optique portatif est justifié car il offre
de hautes performances en termes de précision de niveau de ppb, de
stabilité à long terme et de sécurité des données. Ces avantages sont
obtenus grâce à la technologie optique des semi-conducteurs, qui ne
comporte plus les inconvénients de la technologie des capteurs électrochimiques.
Compatible avec une large gamme d’applications, l’Orbisphere 3100
peut être utilisé aussi bien pour la validation que pour la référence
d’étalonnage, ainsi qu’à des fins de dépannage de process ou en ligne,
tout en assurant une fonction de sauvegarde. En définitive, ces nombreux
avantages permettent d’améliorer l’efficacité de l’opérateur / des instruments, d’allonger la durée de vie du site, de réduire les coûts, et enfin,
d’améliorer la gestion des équipements du site tout en assurant des
conditions d’exploitation optimales.
À propos de l’auteur
Georges Schmidt est Responsable des applications produits au sein de
la société Hach Lange à Genève, en Suisse.
Diplômé en ingénierie mécanique (MSc) de l’École polytechnique fédérale
de Lausanne, il a intégré l’entreprise en 1989 (anciennement Orbisphere)
et y a occupé différentes fonctions en ventes internationales et en gestion
des produits.
[email protected]
Hach Lange
6, route de Compois – 1222 Vésenaz (GE) – Suisse
+41 22 594 6400
DOC042.77.20144.Jun13
Connexion en direct à un PC
Dans cette configuration, l’analyseur enregistre toutes les mesures
d’oxygène directement sur l’ordinateur. La capacité de stockage est alors
quasiment illimitée et toutes les données sont automatiquement stockées. L’opérateur peut ensuite effectuer une analyse de process avec le
logiciel d’analyse de données de son choix.