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L’Echantillonnage du
Gaz naturel conventionnel

Résultat de la transformation naturelle de matières organiques, le gaz naturel, inodore et incolore, est composé de:

  • 95% de méthane,
  • moins de 4% d’éthane et d’azote,
  • moins de 1% de dioxyde de carbone et de propane.

Il est utilisé comme matière première ou comme combustible, pour la cuisson et le chauffage, dans l’industrie chimique, la pétrochimie et le raffinage, pour la production d’électricité et enfin comme carburant pour les véhicules.
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. 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 d’échantillons.

La norme ISO 10715 « Natural gas sampling » fournit des lignes directrices concises pour l’échantillonnage du gaz naturel conventionnel.

Les principes fondamentaux de l’échantillonnage du gaz naturel

L’échantillonnage de gaz naturel est le procédé par lequel on prélève, conditionne et transporte l’échantillon de gaz. Cet échantillon doit être pertinent, c’est-à-dire représentatif de la masse où il est prélevé. Il ne doit donc pas être altéré pendant les processus d’acquisition. Pour avoir un échantillon représentatif, une attention particulière doit être apportée aux points suivants :

  • Emplacement du point de prélèvement:

L’emplacement doit être choisi afin que le gaz prélevé soit pertinent. Le point de prélèvement doit se trouver à un endroit où passent tous les gaz à analyser et il ne doit pas être en bout de ligne par exemple et ne doit pas être affecté par des éléments perturbateurs de flux tels que les vannes, les coudes, les thermocouples, ceux-ci pouvant provoquer des changements dans la composition du gaz. Il doit également être accessible pour permettre une maintenance facile. Enfin, le point d’échantillonnage doit se trouver dans le premier tiers supérieur de la canalisation.

  • Conditions de process au point de prélèvement:

Les conditions telles que la température, la pression ou encore la vitesse du flux doivent être prises en compte. Une canne de prélèvement, notamment, doit être définie pour répondre à ces conditions de process. Elle doit également être résistante aux vibrations.

  • Matériaux en contact avec le fluide:

Il faut faire attention aux matériaux en contact avec le fluide pour éviter des phénomènes de sorption du gaz, d’adsorption (rétention des molécules par la surface) et de désorption (libération des molécules).

  • Température :

La température du système doit être maintenue au-dessus du point de rosée (température à laquelle le gaz condense et forme des gouttelettes d’eau) et doit rester stable. Le fait que le gaz naturel condense lorsque sa température baisse rend la collecte et la préparation de l’échantillon assez compliquée. En effet, si le gaz naturel passe en phase liquide/vapeur, l’intégrité de l’échantillon sera remise en question.
Il convient donc d’isoler le système d’échantillonnage. De plus, l’échantillonnage de gaz naturel implique souvent de détendre le gaz pour passer des 70-200 bars dans les lignes à la pression requise par l’analyseur. La détente du gaz engendre la création de froid et donc de condensation. C’est le fameux effet Thomson-Joule qu’il convient de neutraliser.

  • Volume mort :

Les volumes doivent être réduits au maximum pour éviter les effets de dilution.

  • Propreté et maintenance su système d’échantillonnage :

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

Le matériel principal d’un système d’échantillonnage de gaz naturel

Les Cannes ou sondes de prélèvement

La conception de la sonde doit prendre en compte la possibilité de vibrations provoquées par la vitesse élevée du flux. Pour les lignes exemptes de liquides et avec des températures très supérieures au point de rosée, tout type de canne peut convenir. Par contre, 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.
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 réduction de pression 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 de gaz. Il est recommandé d’installer la canne à 20 fois le diamètre de la canalisation des éléments perturbateurs de flux. 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.

Les Lignes d’échantillonnage et de transfert

Les lignes d’échantillonnage doivent être le court possible et avec le plus petit diamètre, sans être inférieur à 3 mm. Le débit dans les lignes doit être choisi de façon à avoir un temps de réponse rapide.

Les Séparateurs

En général, les séparateurs ne sont pas recommandés dans les systèmes d’échantillonnage. Ils peuvent néanmoins être utilisés pour s’assurer qu’aucun liquide n’arrive dans l’analyseur ou le cylindre d’échantillonnage.

Les Réducteurs de pression

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…

Les 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.