Echantillonnage du gaz naturel
infrastructures de transport, distribution et stockage

Le gaz naturel est une énergie fossile qui se forme à partir de la désagrégation des matières organiques enfouies sous le sol terrestre ou marin. Sous l’effet de la pression et de la chaleur, le gaz naturel migre vers des roches poreuses pour former des poches de gaz naturel. C’est de ces gisements qu’il est ensuite extrait pour être exploité.

Utilisé comme matière première ou comme combustible et produit presque partout dans le monde, le gaz naturel est transporté par gazoduc ou par méthanier sous sa forme liquéfiée. Avant d’être acheminé jusqu’au consommateur, le gaz naturel transite par des sites de stockage, dans d’anciens gisements de gaz ou de pétrole épuisés, dans des nappes aquifères ou des cavités salines. Le stockage est nécessaire pour assurer l’ajustement des consommations et des ressources en gaz à tout moment et offrir au consommateur une énergie disponible en permanence.

En raison de ces sources d’approvisionnement diverses, la composition du gaz naturel peut varier de façon importante. Ces variations peuvent être regroupées sous le terme « Qualité du gaz ». Pour des raisons de sécurité et pour des raisons économiques liées à la valeur transactionnelle du gaz, cette qualité doit être régulièrement vérifiée, impliquant le prélèvement et l’analyse d’échantillons à de nombreuses étapes différentes du processus. Ces échantillons sont prélevés selon de nombreux paramètres de procédé différents, avec la nécessité de toujours s'assurer que tout gaz qui est par la suite analysé dans cet objectif de surveillance est véritablement représentatif du volume.

La norme ISO 10715 :2022 « Gaz naturel – Echantillonnage de gaz » fournit des moyens de s'assurer que les systèmes d'échantillonnage et les procédés d'échantillonnage sont conçus, positionnés, installés, utilisés et entretenus de sorte que les échantillons obtenus soient représentatifs du volume auquel ils sont attribués.

L'échantillonnage de gaz naturel est le procédé qui consiste à acquérir un échantillon dans une source d'intérêt, à conditionner l'échantillon (si nécessaire) et à transférer l'échantillon vers un instrument d'analyse. L'objectif du système d'échantillonnage est de s'assurer que l'échantillon acquis est représentatif du gaz source souhaité et que, au cours du processus de transfert de l'échantillon vers l'instrument d'analyse, les états chimique et physique demeurent inchangés.

Différentes méthodes d’échantillonnage, direct ou indirect, peuvent être utilisées. Pour l'échantillonnage direct, dit en ligne, l'échantillon est prélevé d'un flux de gaz et directement transféré vers l'unité analytique. Pour l'échantillonnage indirect, l'échantillon est stocké dans un récipient d’échantillonnage avant d'être transféré vers l'unité analytique.

Échantillonnage ponctuel

L'échantillonnage ponctuel est une forme d'échantillonnage effectué à partir d'un emplacement unique et à un moment précis dans le temps, qui fournit un échantillon de ce qui se trouvait dans la canalisation lors de l'extraction de l'échantillon par le technicien. L'échantillon est extrait en utilisant une ou plusieurs méthodes de prélèvement d'échantillons ponctuels. La plupart des échantillons sont recueillis dans un cylindre échantillonneur.

Echantillonnage par prélèvements graduels

L'échantillonnage par prélèvements graduels, ou échantillonnage composite, est une méthode d'échantillonnage qui s'effectue au cours d'une période spécifiée ou sur une quantité de lot donnée, et qui permet donc de réaliser un échantillonnage composite représentatif qui capture un instantané des variations survenues sur le flux d'échantillons au cours de cette période ou pour cette quantité de lot. Un système type dispose d'une sonde d'échantillonnage, d'un système de pompe d'échantillonnage, d'un mécanisme permettant de saisir l'échantillon, d'un mécanisme de minuterie, d'une source d'alimentation régulée ou d'un régulateur.

Echantillonnage direct en ligne

Un système de conditionnement d'échantillons doit être placé au plus près du point d'échantillonnage et, si possible, au niveau du point d'échantillonnage, en aval de la sonde d'échantillonnage afin de réduire la pression liée à l'alimentation directe de l'échantillon dans l'analyseur. Il convient que ce système de conditionnement intègre un mécanisme de chauffage pour compenser les effets Joule-Thomson ou éviter les phénomènes de condensation, ainsi que des moyens de régulation, de filtration, de séparation de phase et de protection pour la chromatographie en phase gazeuse. Pour réaliser une conception appropriée, toutes les informations concernant l'objectif du système et l'ensemble des constituants gazeux doivent être disponibles.

Sorption du gaz et traitement de surface

Certains constituants du gaz naturel sont extrêmement sujets aux effets de sorption du gaz liés à des matériaux normalement supposés inertes. Les surfaces des matériaux peuvent devenir actives sous l'effet d'une accumulation de contaminants. Il est donc nécessaire de choisir très soigneusement les matériaux et l'état de surface de ces matériaux qui entrent en contact avec l'échantillon. Il convient notamment d'accorder une attention particulière aux effets de sorption dans les systèmes d'échantillonnage pour l'analyse des composés traces. Les effets de sorption observés sur certains matériaux peuvent être modifiés et souvent réduits par traitement de la surface. Toute surface propre et exempte de graisse révèle un pouvoir d'adsorption moins élevé. Les surfaces brutes peuvent former un noyau favorisant l'adsorption et l'accumulation de gaz. Les techniques de polissage peuvent aussi minimiser les effets dus à l'adsorption et réduire le temps requis pour le conditionnement, permettant d'amener à un équilibre l'équipement d'échantillonnage.

Matériaux d’échantillonnage

La sélection des matériaux des systèmes d'échantillonnage dépend du gaz devant être échantillonné. En raison de la présence probable d'une faible quantité de composés soufrés, de mercure, de dioxyde de carbone, etc., dans le gaz naturel, tous les dispositifs et les raccordements doivent être, de préférence, constitués d'acier inoxydable ou, pour les gaz basse pression, de verre. L'échantillonnage de gaz humides et à température élevée ou de gaz contenant de l'hydrogène sulfuré ou du dioxyde de carbone présente des problèmes supplémentaires au niveau des matériaux. Ce type de gaz peut nécessiter des matériaux et des revêtements spéciaux au niveau du système d'échantillonnage.

Contamination

Pour éviter la contamination, les composés doivent être nettoyés avec soin. En effet certains contaminants ont un fort pouvoir de sorption.

Condensation de l’échantillon

Toutes les parties constituantes d'un système d'échantillonnage doivent être maintenues à au moins 10 °C au-dessus des températures du point de rosée des mélanges gazeux possibles. Il est nécessaire de maintenir la température aussi constante que possible, car des fluctuations de température entraînent des effets de sorption du gaz différents. Il peut être nécessaire d’utiliser une isolation thermique combinée à un traçage thermique.

Perturbation de l’écoulement

Le plus important est d'éviter les volumes morts dans le système d'échantillonnage, où se produisent un mélange et une stagnation.

Temps de réponse

La conception du système doit tenir compte du temps de réponse qui inclut dans son calcul les volumes internes des équipements. Le temps de réponse doit être réduit au maximum.

Cannes ou sondes de prélèvement

La sonde doit être conçue pour résister aux effets vibratoires du flux.

Pour les lignes exemptes de liquides et avec des températures très supérieures au point de rosée, tout type de canne peut convenir. Pour les lignes où les températures sont proches du point de rosée, une canne spécifique est nécessaire pour éviter les problèmes liés à la condensation et aux liquides entrainés dans le flux de gaz. Pour éviter de modifier la composition du gaz, les liquides doivent être séparés à la température et à la pression de la source.
La canne de prélèvement la plus basique est un tube de prélèvement droit. L’autre type de canne fréquemment utilisé dans l’industrie du gaz est la canne de prélèvement avec détente. Elle est fréquemment utilisée avec des systèmes d’analyse en continu. La détente se fait à l’extrémité de la canne qui est traversée par le flux de gaz. La chute de température est compensée par la masse thermique du flux gazeux. Il est recommandé d’installer la canne dans le premier tiers de la canalisation. Pour les canalisations avec un diamètre de plus de 30 cm, il est nécessaire d’installer la canne à 10 cm minimum de la paroi. La canne doit être équipée d’un système de vannes adapté, ce qui permettra de déconnecter la ligne d’échantillonnage de la ligne process. Elle peut être permanente ou temporaire.

Tubes pour lignes d’échantillonnage

Les lignes d’échantillonnage doivent être le court possible et avec le plus petit diamètre, sans réduire excessivement le flux. Le débit dans les lignes doit être choisi de façon à avoir un temps de réponse réduit.

Filtres, membranes et séparateurs

Des filtres et des séparateurs de membrane peuvent être nécessaires pour obtenir un échantillon propre et sec. Il ne faut pas oublier que les systèmes ne doivent pas modifier la représentativité de la composition échantillonnée. En général, les séparateurs ne sont pas recommandés dans les systèmes d’échantillonnage, mais ils peuvent être utilisés pour s’assurer qu’aucun liquide n’arrive dans l’analyseur ou le cylindre d’échantillonnage. La pression et la température de ces dispositifs doivent correspondre à la pression et à la température de la source pour éviter de modifier la composition de l’échantillon pendant le processus d’échantillonnage.

Vannes et soupapes de sécurité

Des vannes de service devraient être incluses à l’entrée et à la sortie du système ; les vannes d’arrêt doivent être de type vanne à boisseau sphérique ; les vannes à pointeau sont destinées au contrôle et à la régulation du débit ; des soupapes de décharge doivent être installés pour protéger les équipements et les composants. Afin de minimiser les points de fuite potentiels, le nombre de vannes et de raccords devrait être réduit au minimum. Il faut éviter d’utiliser des coudes ; il est préférable d’utiliser des tubes pliés. Les vannes avec raccords intégrés sont généralement préférables.

Détendeurs

Afin d’alimenter l’analyseur avec un gaz ayant une pression appropriée, un détendeur est souvent nécessaire en début ou en fin de ligne. Les détendeurs sont de préférence en acier inoxydable et PTFE. En raison de l’effet Thomson-Joule, la température baisse en moyenne de 1°C tous les 2 bars, ce qui crée potentiellement de la condensation. Il est habituel d’empêcher ce phénomène en chauffant pour compenser la baisse de température. La chaleur nécessaire dépend de la composition du gaz, de la détente, de la pression et de la température, du débit…

Appareils de chauffage

Des éléments de chauffage peuvent être installés sur la canne d’échantillonnage ou les lignes d’échantillonnage. Ils doivent être du type auto-limitant et doivent respecter les normes électriques des zones où ils sont utilisés.