Connaissances de base relatives au GNL (I)

Le gaz naturel liquéfié (GNL) est devenu l'une des principales sources d'approvisionnement en gaz pour les villes non raccordées au réseau de gazoduc. Il constitue également une source d'appoint ou une solution de lissage des pics de consommation pour de nombreuses villes alimentées par le gazoduc. Cet article présente les connaissances fondamentales relatives au gaz naturel liquéfié, depuis sa réception jusqu'à sa gazéification, en passant par les principaux équipements utilisés dans les stations de gazéification, leur exploitation, leur maintenance et les interventions d'urgence.

Section 1 Connaissances de base sur le gaz naturel liquéfié

Lorsque le gaz naturel est refroidi à environ -162 °C sous pression normale, il passe de l'état gazeux à l'état liquide : on parle alors de gaz naturel liquéfié (GNL). Les principaux composants du GNL sont le méthane, ainsi que de faibles quantités d'éthane, de propane et d'azote.

Le gaz naturel est encore purifié lors du processus de liquéfaction, et le méthane est d'une pureté supérieure, ne contient presque pas de dioxyde de carbone ni de sulfure, et est incolore, inodore et non toxique.

1. Nature du GNL

1. Densité

La densité du GNL dépend de sa composition et de sa température ; elle se situe généralement entre 430 kg/m³ et 470 kg/m³, mais peut atteindre 520 kg/m³ dans certains cas. Elle varie d'environ 1,35 kg/(m³·°C) avec la température. Le volume du GNL représente environ 1/600e du volume de la même quantité de gaz naturel à l'état gazeux.

(2) Point d'ébullition

L'ébullition est le phénomène de vaporisation d'un liquide, à la fois à l'intérieur et à la surface, à une température et une pression données. La température à laquelle le liquide bout est appelée point d'ébullition. Le point d'ébullition du GNL dépend de sa composition et de la pression, et se situe généralement entre -166 °C et -157 °C à pression atmosphérique normale.

(III) Évaporation du GNL

Le GNL est stocké dans un réservoir isolé à l'état liquide. Toute chaleur transmise au réservoir provoque l'évaporation d'une partie du GNL sous forme de gaz, appelé gaz d'évaporation. Sa composition est liée à celle du GNL. Lors de l'évaporation du GNL, l'azote et le méthane sont les premiers à se vaporiser du liquide en raison de leurs points d'ébullition plus bas. Généralement, le gaz d'évaporation contient environ 20 % d'azote, 80 % de méthane et des traces d'éthane. La teneur en azote du gaz d'évaporation est 20 fois supérieure à celle du GNL.

(IV) Évaporation éclair

Lorsqu'un liquide est chauffé dans un récipient fermé, la pression de la phase gazeuse augmente continuellement en raison de l'évaporation de la phase liquide. Lorsque l'équilibre entre le liquide et le gaz est atteint, si la phase gazeuse contenue dans le récipient est brusquement mise en contact avec un milieu extérieur de basse pression, la pression de la phase gazeuse chute immédiatement, le liquide se met à bouillir rapidement ; ce phénomène d'évaporation rapide d'une grande quantité de liquide en phase gazeuse est appelé vaporisation instantanée.

La vaporisation instantanée se produit également lorsque la pression du GNL dans un conteneur ou un pipeline chute brutalement en dessous de sa pression de vapeur saturante. Le GNL étant un mélange de plusieurs composants, la composition du gaz de vaporisation instantanée diffère de celle du liquide restant. À titre indicatif, pour une pression comprise entre 100 kPa et 200 kPa, 1 m³ de liquide produit environ 0,4 kg de gaz par kPa de chute de pression.

5. Déversement, expansion et diffusion du GNL

Lorsqu'une fuite de GNL se produit sur le sol (par exemple, un déversement accidentel), elle provoque d'abord une ébullition violente, puis le taux d'évaporation diminue rapidement jusqu'à une valeur fixe qui dépend des propriétés thermiques du sol et du réchauffement de l'air ambiant. Si le déversement a lieu sur l'eau, la convection est suffisamment forte pour maintenir le taux d'évaporation constant dans la zone concernée, et la surface de déversement du GNL continue de s'étendre jusqu'à ce que la quantité totale de gaz évaporé soit égale à la quantité totale de GNL déversée.

Initialement, la température du gaz d'évaporation est presque identique à celle du GNL, et sa densité est supérieure à celle de l'air ambiant. Le gaz circule d'abord en couche superficielle au-dessus du sol jusqu'à absorber la chaleur de l'atmosphère et se réchauffer. Lorsque la température du GNL atteint -107 °C, sa densité est proche de celle de l'air ; à mesure que la température augmente, sa densité devient inférieure à celle de l'air ambiant.

Suite à un déversement, un nuage de « brouillard » se forme par condensation de la vapeur d'eau atmosphérique. Visible en journée (en l'absence de brouillard naturel), ce nuage permet de visualiser le mouvement du gaz en évaporation et d'estimer, de manière prudente, la plage d'inflammabilité du mélange air-gaz. En cas de déversement dans une cuve sous pression ou un pipeline, le GNL pénètre dans l'atmosphère sous forme de jet, se dilatant et s'évaporant simultanément. Ce processus s'accompagne d'un mélange intense avec l'air. La majeure partie du GNL est initialement contenue dans le nuage gazeux sous forme d'aérosol (dispersion colloïdale de fines particules solides ou liquides en suspension dans un milieu gazeux). Cet aérosol finit par s'évaporer par mélange avec l'air.

(VI) Incendie de la piscine de GNL

Pour une piscine de GNL en combustion d'un diamètre supérieur à 10 m, la puissance de rayonnement de surface de la flamme est très élevée (c'est-à-dire que la température est très élevée). Cette puissance dépend de la taille de la piscine de combustion, de la dispersion des fumées et de la méthode de mesure. Elle diminue avec l'augmentation des concentrations de suie et de noir de carbone.

(VII) Culbute

Le terme « retournement » désigne le processus par lequel une grande quantité de gaz est libérée d'un conteneur de GNL en peu de temps. Sans mesures préventives ou sans conception spécifique du conteneur, ce phénomène peut entraîner une surpression ou la destruction de celui-ci.

Lorsqu'on introduit de la chaleur dans le récipient, des transferts de chaleur et de masse se produisent entre les différentes parties du liquide, ainsi qu'une évaporation à la surface. La densité entre les différentes parties atteint un équilibre et elles finissent par se mélanger. Ce mélange spontané est appelé culbutage.

8. Transition de phase

Lorsque deux liquides à températures différentes entrent en contact dans certaines conditions, un changement de phase peut se produire, susceptible de générer des forces explosives. Ce phénomène, appelé changement de phase rapide, se produit lorsque le GNL entre en contact avec l'eau. Bien qu'il n'y ait pas de combustion, le phénomène présente toutes les autres caractéristiques d'une explosion.

9. Expansion d'un liquide en ébullition et explosion de vapeur

Tout liquide à une température proche de son point d'ébullition et sous une pression supérieure à un certain seuil, s'évaporera à une vitesse extrêmement élevée s'il est libéré brutalement suite à une défaillance du système de pression. Ce phénomène est appelé explosion de vapeur par détente d'un liquide en ébullition.

2. Liquéfaction du gaz naturel

1. Prétraitement du gaz naturel

Le gaz naturel, utilisé comme gaz brut dans l'unité de liquéfaction, doit d'abord être prétraité. Ce prétraitement consiste à éliminer les impuretés telles que le sulfure d'hydrogène, le dioxyde de carbone, l'humidité, les hydrocarbures lourds et le mercure afin d'éviter la corrosion des équipements, le gel à basse température et l'obstruction des canalisations et des équipements.

(II) Procédé de liquéfaction du gaz naturel

Il existe différentes formes de procédés de liquéfaction du gaz naturel, que l'on peut diviser en trois méthodes selon la méthode de réfrigération :

1. Procédé de liquéfaction en cascade

2. Procédé de liquéfaction de fluides frigorigènes mixtes

3. Procédé de liquéfaction avec expandeur

Cette division n'est pas stricte, et l'on adopte généralement un procédé composite qui inclut différentes combinaisons de certaines parties des procédés de liquéfaction susmentionnés.

3. Introduction au procédé de réfrigération au gaz naturel

Les procédés de réfrigération par liquéfaction du gaz naturel les plus courants comprennent le procédé de réfrigération en cascade, le procédé de réfrigération mixte et le procédé de réfrigération par détente.

1. Procédé de réfrigération en cascade

Le procédé de réfrigération en cascade est un procédé de réfrigération conventionnel. Pour la liquéfaction du gaz naturel, il se compose généralement de trois étapes de cycle frigorifique utilisant le propane, l'éthylène et le méthane comme fluides frigorigènes. Ces étapes fournissent successivement la capacité de refroidissement nécessaire à la liquéfaction du gaz naturel, avec des gradients de température d'environ -30 °C, -90 °C et -150 °C respectivement. Le gaz naturel brut purifié est refroidi, condensé, liquéfié et surfondu successivement dans les refroidisseurs des trois cycles frigorifiques. Après détente et réduction de pression, on obtient du gaz naturel liquéfié à basse température et pression normale, qui est ensuite stocké dans un réservoir.

Dans le procédé de réfrigération en cascade, le système de réfrigération et le système de liquéfaction du gaz naturel sont indépendants. Le fluide frigorigène étant un composant unique, les systèmes interagissent peu, le fonctionnement est stable et ce procédé est particulièrement adapté aux sources de gaz à haute pression (utilisant l'énergie de la pression du gaz). Cependant, en raison du grand nombre d'unités de réfrigération et de la longueur du procédé, les exigences de pureté du fluide frigorigène sont strictes, ce qui le rend inadapté au gaz naturel à forte teneur en azote. Par conséquent, ce procédé de liquéfaction est rarement utilisé dans les équipements de liquéfaction du gaz naturel.

(II) Procédé de réfrigération hybride

Le procédé de réfrigération mixte est une évolution du procédé de réfrigération en cascade apparue à la fin des années 1960. Il utilise principalement des mélanges d'hydrocarbures (N₂, C₁, C₂, C₃, C₄, C₅) comme fluides frigorigènes, remplaçant ainsi les composants purs du procédé en cascade. La composition du fluide frigorigène est déterminée par la composition et la pression du gaz brut. Les composants lourds du mélange se condensent en premier, suivis des composants légers. Les mélanges sont ensuite condensés, séparés, détendus et évaporés successivement afin d'obtenir une capacité de refroidissement à différentes températures. Selon que le fluide frigorigène est mélangé ou non au gaz naturel brut, on distingue deux types de procédés de réfrigération mixte : fermé et ouvert.

Cycle fermé : Le système de circulation du fluide frigorigène est un système indépendant. Après compression par le compresseur frigorifique, le fluide frigorigène mélangé est refroidi par de l’eau (ou de l’air), puis condensé et séparé par étapes à différentes températures. Après détente, il pénètre dans les différentes sections de température de l’échangeur de chaleur afin de refroidir le gaz naturel brut. Après traitement en trois étapes, le gaz naturel brut entre dans l’échangeur de chaleur et subit successivement les processus de refroidissement, de condensation, de détente et de dépressurisation pour obtenir le gaz naturel liquéfié.

Cycle ouvert : Le gaz naturel brut est mélangé à un fluide frigorigène après avoir subi trois dégazages, puis circule successivement à travers différents niveaux d’échangeurs de chaleur et de séparateurs gaz-liquide. Lors de la condensation progressive, les composants frigorifiques nécessaires sont également condensés et séparés un à un. Ces composants sont ensuite vaporisés progressivement en fonction de leur point d’ébullition, puis collectés pour former une chaîne frigorifique basse température. Il s’agit d’un cycle frigorifique à contre-courant avec le gaz naturel brut. Le démarrage d’un système à cycle ouvert est long, son exploitation est complexe et sa technologie n’est pas encore parfaitement aboutie.

Section 2 Flux de traitement de la station GNL

Il existe deux types courants de stations GNL : les stations de gazéification de GNL et les stations de gazéification de GNL en groupe. Les stations de gazéification de GNL assurent le déchargement, le stockage, la gazéification, la régulation de la pression, le dosage et l’odorisation du GNL transporté par camions-citernes ou navires-citernes, avant son injection dans les réseaux de transport et de distribution de gaz urbains. Elles sont souvent utilisées dans les villes non raccordées au réseau de gaz de ville. Les stations de gazéification de GNL en groupe utilisent des groupes de bouteilles de gaz comme installations de stockage et de distribution. Leur capacité de production est plus faible et elles sont principalement destinées à l’approvisionnement en gaz de collectivités ou d’utilisateurs industriels individuels. Cette section présente une analyse détaillée du processus de fonctionnement des stations de gazéification et décrit brièvement celui des stations en groupe.

1. Schéma de procédé d'une station de gazéification de GNL

Figure 1 Schéma de procédé d'une station de gazéification de GNL

La station de gazéification du GNL est le principal mode de traitement du GNL en aval. Sa fonction principale est le stockage et la gazéification du GNL. Elle comprend une plateforme de déchargement, un réservoir de stockage cryogénique, un système de surpression, un système de gazéification, un système de régulation de pression, un système de comptage et un système d'odorisation. Cette section décrit le processus de déchargement, la pressurisation automatique du réservoir de stockage et le processus de chauffage par gazéification de la station de gazéification du GNL, ainsi que les procédés associés de traitement des gaz d'échappement (BOG) et des gaz d'évaporation (EAG). Le schéma de fonctionnement d'une station de gazéification de GNL classique est présenté sur la figure 1.

1. Processus de déchargement du GNL

Le GNL est transporté des usines de liquéfaction et des terminaux maritimes vers les stations de gazéification des villes consommatrices par camions-citernes. Son poids est déterminé par des ponts-bascules. Le camion-citerne est relié aux canalisations correspondantes de la plateforme de déchargement par un flexible métallique. La station de gazéification met le camion sous pression afin de créer une différence de pression entre le camion et la cuve de stockage du GNL. Cette différence de pression permet de décharger le GNL du camion-citerne dans la cuve de stockage de la station de gazéification. À la fin du déchargement, le gaz naturel en phase gazeuse contenu dans le camion-citerne est récupéré par la canalisation de gaz de la plateforme de déchargement (voir figure 2).

Lors du déchargement, différentes méthodes sont utilisées pour éviter que la pression dans le réservoir de stockage de GNL n'augmente et n'affecte la vitesse de déchargement. Lorsque la température du GNL dans le camion-citerne est inférieure à celle du GNL dans le réservoir, on utilise la méthode d'injection par le haut. Le GNL à basse température du camion-citerne pénètre dans le réservoir par la buse du tuyau d'injection supérieur, sous forme de jet, ce qui provoque la liquéfaction d'une partie du gaz et réduit la pression dans le réservoir, permettant ainsi un déchargement fluide. Si la température du GNL dans le camion-citerne est supérieure à celle du GNL dans le réservoir, on utilise la méthode d'injection par le bas. Le GNL à haute température pénètre alors dans le réservoir par l'injection inférieure, se mélange au GNL à basse température et se refroidit, évitant ainsi que le GNL à haute température ne pénètre dans le réservoir par l'injection supérieure et ne s'évapore, ce qui augmenterait la pression et compliquerait le déchargement.

En pratique, étant donné que la source de gaz GNL est actuellement éloignée de la ville consommatrice de gaz, lorsque le GNL arrive dans cette ville après un transport longue distance, sa température dans le camion-citerne est généralement supérieure à celle du GNL dans le réservoir de stockage de la station de gazéification ; c’est pourquoi la méthode d’injection de liquide par le bas est adoptée.

Figure 2 Processus de déchargement par augmentation de pression

(II) Processus de pressurisation automatique du réservoir de stockage

Lorsque le GNL contenu dans le réservoir de stockage s'écoule en continu vers le vaporisateur, la pression dans le réservoir diminue progressivement, et le débit de GNL à la sortie ralentit jusqu'à s'arrêter. Par conséquent, en fonctionnement normal, il est nécessaire d'alimenter le réservoir de stockage en gaz de manière continue afin de maintenir la pression dans une certaine plage et ainsi assurer la poursuite du processus de gazéification du GNL. La pressurisation du réservoir de stockage est assurée par une vanne de régulation automatique et un vaporisateur à température ambiante autopressurisé. Lorsque la pression dans le réservoir de stockage descend en dessous du seuil d'ouverture de la vanne de régulation automatique, celle-ci s'ouvre et le GNL s'écoule vers le vaporisateur à température ambiante autopressurisé grâce à la différence de niveau. Dans ce vaporisateur, le GNL est gazéifié en gaz naturel par échange thermique avec l'air, puis ce gaz naturel est renvoyé dans le réservoir de stockage, ce qui permet d'élever la pression à la pression de service requise. Lors de la mise sous pression automatique, l'afflux continu de gaz naturel entraîne une augmentation progressive de la pression dans le réservoir de stockage. Lorsque cette pression atteint la pression de fermeture de la vanne de régulation automatique, cette dernière se ferme et la mise sous pression s'achève. Au cours de la gazéification, si la pression dans le réservoir de stockage descend en dessous de la pression d'ouverture de la vanne de régulation, cette dernière s'ouvre et un nouveau cycle de mise sous pression commence.

(III) Procédé de gazéification et de chauffage du GNL

Lorsque le GNL s'écoule du réservoir de stockage vers le vaporisateur à température ambiante et se vaporise en gaz, son processus est fortement influencé par la température ambiante. En été, la température de sortie du vaporisateur peut dépasser 15 °C et le gaz peut être directement injecté dans le réseau de gazoducs. En hiver ou pendant la saison des pluies, l'efficacité de la vaporisation est fortement réduite, notamment dans les régions froides du nord. En hiver, la température du gaz naturel à la sortie du vaporisateur (environ 10 °C inférieure à la température ambiante) est largement inférieure à 0 °C et il s'agit alors de gaz naturel basse température. Ce gaz naturel gazéifié doit être réchauffé à plus de 10 °C par un bain-marie avant d'être acheminé vers le réseau de transport et de distribution urbain.

Généralement, deux groupes de vaporisateurs à température ambiante sont installés et utilisés en alternance. Lorsqu'un groupe est utilisé trop longtemps et que le vaporisateur est fortement givré, ce qui réduit son efficacité de vaporisation et entraîne une température de sortie non conforme aux exigences, il est basculé manuellement (ou automatiquement ou par minuterie) vers un autre groupe. Ce dernier sert alors au dégivrage naturel et à la mise en veille.

(IV) Processus d'évaporation naturelle

Le BOG est l'abréviation de B0il Off Gas, soit gaz naturel évaporé naturellement. Lors du stockage du GNL dans les réservoirs et de son transport par pipeline, une partie du GNL se vaporise sous l'effet de la chaleur, ce qui augmente la pression dans les réservoirs et les pipelines. Afin de garantir la sécurité d'exploitation et l'utilisation optimale du gaz naturel, le BOG généré par les camions-citernes, les réservoirs et les pipelines est collecté dans la conduite principale de BOG via un détendeur et une soupape de sécurité, puis réchauffé par un réchauffeur de BOG avant d'être injecté dans le réseau de transport et de distribution.

(V) Procédure de libération d'urgence

EAG est l'abréviation de « Escape Air Gas », soit « gaz d'évacuation d'urgence », désignant le rejet d'urgence de gaz naturel. Tous les gaz rejetés par la soupape de sécurité du système cryogénique sont des gaz cryogéniques. Lorsque la température est inférieure à -113 °C, la densité du gaz naturel est supérieure à celle de l'air ambiant. Il a donc tendance à s'accumuler au sol lors de son rejet. C'est pourquoi il est nécessaire d'installer un réchauffeur de gaz de rejet à température ambiante. Le gaz rejeté traverse d'abord ce réchauffeur. Après échange thermique avec l'air, sa densité devient inférieure à celle de l'air. Lors d'un rejet en altitude, il se disperse plus facilement, évitant ainsi la formation d'un mélange explosif près du sol.

2. Procédé de gazéification d'une station d'embouteillage de GNL

Figure 3 Schéma de procédé de la station de gazéification de groupement de bouteilles de GNL

Le processus de fabrication d'une station de gazéification de GNL en bouteilles est similaire à celui d'une station de gazéification classique. Les bouteilles en acier contenant du gaz naturel liquéfié (GNL) sont acheminées jusqu'à la station, où les flexibles de gaz et de liquide sont raccordés. La bouteille est mise sous pression grâce au surpresseur intégré, et le GNL qu'elle contient est envoyé vers le gazéificateur externe à température ambiante par la différence de pression. Le GNL est alors gazéifié et chauffé dans le gazéificateur. La pression est ensuite ajustée au niveau requis par le régulateur, puis le gaz est distribué à l'utilisateur après dosage. Le système d'alimentation en gaz de la station de gaz en bouteilles de GNL comprend deux groupes de bouteilles en acier, en service et de secours, en nombre identique. Lorsque le niveau de liquide dans une bouteille de GNL en service atteint le niveau spécifié, elle est immédiatement basculée vers le groupe de secours, et la bouteille vide est stockée dans un réservoir et utilisée sans délai. Le gaz naturel est incolore et inodore. En tant que gaz de ville, il doit être odorisé conformément à la réglementation. Si le processus d'approvisionnement en gaz par bouteilles de GNL est utilisé dans les régions froides du nord, il existe un dispositif de chauffage et d'élévation de température avant que le gaz naturel n'entre dans le réseau de pipelines, comme le montre la figure 3.