Mesure de la consommation de gaz naturel : une alternative thermique aux compteurs à roue à aubes et aux quantomètres

En bref : les débitmètres massiques thermiques de CS INSTRUMENTS mesurent la consommation de gaz naturel sans pièces mobiles et indiquent directement le débit volumétrique normalisé – pour le suivi de la consommation, la gestion des centres de coûts et la gestion énergétique. Les modèles VA 550 et VA 570 sont disponibles, selon la version, avec une certification ATEX/IECEx ou une certification DVGW pour le gaz naturel (jusqu'à 16 bars).

Quand l'utilisation d'un débitmètre massique thermique est-elle justifiée ?

Dans les réseaux industriels de gaz naturel, on utilise généralement des compteurs à turbine, des compteurs à piston et des quantomètres ; les utilisateurs parlent parfois de manière générale de « compteurs à roue à aubes ». Lorsque les faibles débits ne sont pas mesurés de manière satisfaisante, que les éléments de mesure en mouvement nécessitent un entretien ou que les données de consommation numériques font défaut, un débitmètre massique thermique pour le gaz naturel constitue une alternative à envisager.

Voici comment fonctionnent les compteurs à turbine et à piston rotatif – et quelles sont leurs limites. Dans le compteur à turbine, le flux de gaz rencontre une turbine montée sur des paliers mécaniques et l’entraîne ; la vitesse de rotation est proportionnelle à la vitesse d’écoulement et, compte tenu de la section de conduite connue, au débit volumétrique. Dans le compteur à pistons rotatifs, la différence de pression entraîne des rotors dans une chambre de mesure, qui emprisonnent chacun une quantité de gaz précisément définie et la transfèrent vers le consommateur. La gamme de mesure utile des compteurs de gaz mécaniques dépend fortement du type de construction, de la taille, de la pression de service et de la version : les compteurs simples fonctionnent souvent avec une dynamique nettement inférieure à celle d’un capteur thermique.

Les limites inhérentes à ces deux types de construction résident dans les pièces mobiles : les roulements s’usent sous l’effet des impuretés ou de l’abrasion et génèrent des écarts de mesure ; le dépassement de la plage de mesure peut endommager les roulements ; certains roulements doivent être lubrifiés régulièrement – ce qui est souvent négligé dans la pratique – ; en cas de gaz contaminé, des écarts importants apparaissent et un nettoyage est pratiquement impossible ; dans le cas du compteur de gaz à pistons rotatifs, il faut ajouter la perte de pression inhérente à sa conception.

Mesure des charges partielles et des pics : les modèles VA 550 et VA 570 offrent une plage de mesure allant jusqu'à 1:1000. Les débits minimal et maximal réels (Qmin/Qmax) restent déterminants. Sur les modèles VA 550 et VA 570, la gamme de mesure peut être sélectionnée en fonction de l’application (Low Speed, Standard, Max et High Speed). Parmi les autres avantages du principe thermique, on peut citer la perte de charge négligeable et la mesure des débits les plus faibles : les modèles VA 550 et VA 570 sont très souvent utilisés pour les grandes sections de conduite avec de faibles débits de gaz, là où les compteurs de gaz mécaniques atteignent leurs limites.

Éviter l’usure du rotor : le principe thermique mesure le dégagement de chaleur d’un capteur chauffé – sans palier de rotor, avec une perte de charge supplémentaire minime. Les capteurs (élément chauffant et sonde thermique) sont conçus pour une utilisation industrielle dans des conditions difficiles et intégrés dans un tube en acier inoxydable fin et robuste : pas de roulements, pas d’usure, facilement accessibles et simples à nettoyer en cas d’encrassement. Les appareils sont très robustes et ne nécessitent pratiquement aucun entretien.

Affichage direct du volume normalisé : les compteurs de gaz mécaniques sont généralement des compteurs de volume de service ; la conversion en volume normalisé s’effectue via des convertisseurs de débit externes équipés de capteurs de pression et de sondes thermiques supplémentaires. Pour atteindre la précision requise, ces capteurs doivent être d’une grande précision et être situés à l’intérieur ou à proximité immédiate du compteur – leurs erreurs de mesure s’ajoutent à la précision du compteur, qui est généralement indiquée en volume de fonctionnement. Les modèles VA 550 et VA 570 mesurent le débit massique thermique et, à partir de celui-ci, fournissent directement le débit volumétrique normalisé lorsque les paramètres du gaz sont adaptés et que les conditions de référence sont définies ; un convertisseur de débit séparé avec mesure supplémentaire de la pression et de la température n’est pas nécessaire à cet effet. Pour les comparaisons, les conditions de référence doivent être identiques (par exemple 0 °C ; 1 013,25 mbar (a) selon la norme DIN 1343 – également désigné par « m³/Nm³ normalisé ») ; pour les bilans en kWh, il faut ajouter le pouvoir calorifique.

Volume de service ou volume normalisé : pourquoi cette différence est-elle déterminante pour le gaz naturel ?

Lorsque la pression de service est élevée, le volume normalisé est supérieur au volume de service – proportionnellement aux pressions absolues, avec une correction supplémentaire liée à la température. Si un volume de service est indiqué à tort comme volume normalisé ou utilisé tel quel, la consommation réelle de gaz est systématiquement sous-estimée, et le bilan en kWh reproduit cette erreur à l’identique, car il dépend linéairement du volume :

À cela s'ajoute le facteur de température : entre une température du gaz de 20 °C et une référence normalisée de 0 °C, l'écart est d'environ 7 %. Ces valeurs sont données à titre d'illustration avec un gaz idéal ; pour la facturation ou une conversion d'état de haute précision, il convient de prendre en compte, entre autres, la température, les caractéristiques du gaz et la compressibilité (règlement DVGW G 685). La source d'erreur la plus fréquente dans les bilans énergétiques n'est pas la précision de la mesure, mais une référence volumétrique erronée qui passe inaperçue.

Dans quels cas la mesure thermique du gaz naturel est-elle particulièrement intéressante ?

Dans les conduites principales et de distribution, un point de mesure surveille en continu la consommation totale d’un bâtiment, d’une zone ou d’une chaufferie – pour les conduites existantes de grande taille, le VA 550 est intéressant en tant que capteur à insertion, car il n’est pas nécessaire d’installer une section de mesure en ligne complète au diamètre nominal. Juste en amont de chaque consommateur (chaudière, brûleur, installations de production), il est possible de voir quel consommateur a besoin de quelle quantité de gaz naturel et à quel moment – ce qui constitue la base des profils de charge et des centres de coûts. La combinaison la plus pertinente est la suivante : la mesure principale associée à des sous-compteurs indique la consommation totale et sa répartition.

Comment les valeurs mesurées sont-elles transmises au système de gestion de l’énergie ?

Sur de nombreux compteurs mécaniques existants, la transmission de la valeur de consommation s’effectue uniquement via une sortie d’impulsion ; les compteurs électroniques modernes peuvent également proposer des interfaces numériques. Les modèles VA 550 et VA 570 peuvent – selon la version commandée – être intégrés directement via Modbus TCP sur Ethernet dans le système de contrôle-commande central ou dans un logiciel de surveillance énergétique (débit, consommation totale, température du gaz) ; aucune passerelle RTU/TCP n’est nécessaire. La technologie d'alimentation électrique via Ethernet en option combine la transmission de données et l'alimentation dans un seul câble réseau, ce qui réduit les efforts d'installation, en particulier en cas de multiples points de mesure. Les protocoles Modbus RTU, 4…20 mA, impulsions, M-Bus, IO-Link ou HART sont également disponibles.

Avantages lors du montage, de la maintenance et du recalibrage

Installation a posteriori du VA 550 en tant que capteur à insertion : le capteur est monté via un accès au processus adapté ou un robinet à boisseau sphérique. Une échelle de profondeur et un alignement défini garantissent une position reproductible du capteur. Le VA 550 est conçu pour des pressions de service allant jusqu’à 50 bar (version DVGW jusqu’à 16 bar) ; le montage et le démontage sous pression s’effectuent à l’aide d’un robinet à boisseau sphérique de ½" muni d’un circlip.

VA 570 en tant que solution en ligne : lors du nettoyage ou du réétalonnage, la section de mesure reste dans la conduite – seule l’unité de capteur est retirée. Pour l’étalonnage, le capteur est renvoyé au fabricant ; des capteurs de remplacement peuvent être installés pendant la durée de l’étalonnage, ce qui évite toute interruption de service.

Utilisation : sur les modèles VA 550 et VA 570, des touches optiques permettent d’effectuer des réglages sans ouvrir le boîtier – le fonctionnement des deux appareils est identique. Les informations numériques relatives à l’appareil et à son état (registres Modbus) facilitent le dépannage et la documentation de transfert.

Exemple pratique : de la valeur de consommation à l’indicateur de processus

Dans le cas d’une application de chaudière, 330 Nm³/h de gaz naturel et 5 000 kg/h de vapeur sont mesurés. Le rendement de la chaudière est calculé à partir de la consommation de gaz, du pouvoir calorifique et des données relatives à la vapeur – dans l’exemple documenté, il est de 84 %. La simple mesure du débit devient ainsi un indicateur fiable pour l’efficacité et la maintenance. (→ Rapport d’application : chaudière à vapeur)

Quel débitmètre de gaz naturel convient à cette application ?

Quelles sont les exigences relatives à l’ATEX et aux installations de gaz ?

Les modèlesVA 550 et VA 570 sont disponibles, selon la variante, avec certification ATEX/IECEx ; le marquage Ex de ces variantes est, selon la fiche technique : ATEX II 2G Ex db IIC T4 Gb (gaz) ainsi que II 2D Ex tb IIIC T90 °C Db (poussière) ; IECEx Ex db IIC T4 Gb / Ex tb IIIC T90 °C Db. Dans la version Ex, la température du fluide admissible est de 120 °C et l’indice de protection est IP 65. L’Attestation d’examen UE de type est disponible dans la section Téléchargements. Il incombe à l'exploitant de vérifier l'adéquation à la zone de protection contre les explosions spécifique. CS INSTRUMENTS met à disposition des fiches techniques et des certificats Ex à cet effet, mais n'assume aucun rôle de conseil concernant la classification des zones ou l'adéquation à une installation spécifique.