Brevet FR2844028A1 — publié le 20040305

La présente invention se rapporte au transport de gaz dans une conduite, en particulier au transport de gaz naturel par gazoduc. Elle propose un procédé pour transporter un gaz. Actuellement, le gaz naturel est transporté sous forme comprimée sur de grandes distances par gazoduc. La pression de transport étant de l'ordre de 7 MPa dans le cas d'une conduite à terre, mais pouvant atteindre environ 16 MPa dans le cas d'une conduite en mer. Dans la majorité des cas, le gaz naturel transporté comporte au moins 90 % de méthane. Ce transport est 10 beaucoup plus coteux que le transport de pétrole, ce qui limite le développement de l'exploitation du gaz naturel. La réduction des cots de transport représente donc un enjeu économique essentiel, compte tenu de l'importance des investissements requis. Un moyen pour réduire le cot de transport du gaz consiste à augmenter le débit de gaz transporté pour une conduite de diamètre donné. Par exemple, on peut réduire le coefficient de friction à la paroi. Ceci peut être obtenu en utilisant des revêtements internes de très faible rugosité. Ainsi, on peut augmenter le débit de gaz transporté pour une perte de charge imposée. 20 La présente invention propose un autre moyen pour réduire le cot de transport du gaz. La présente invention propose de réguler et d'abaisser la température 25 du gaz circulant dans les gazoducs. Ainsi la présente invention concerne un procédé de transport d'un gaz naturel à une pression P d'un premier endroit jusqu'à un deuxième endroit. Le procédé comporte les étapes suivantes: a) on refroidit le gaz naturel à une température T, ladite température T étant inférieure à la température ambiante et supérieure à la température de rosée du gaz naturel à la pression P, b) on transporte le gaz naturel par circulation dans une première conduite du premier endroit jusqu'au deuxième endroit. Une station de recompression peut être disposée sur la première conduite entre le premier endroit et le deuxième endroit, et on peut effectuer l'étape: c) à la station de recompression, on refroidit le gaz naturel pour compenser le réchauffement du gaz naturel lors de l'étape b). A l'étape c) on peut refroidir le gaz naturel au moyen d'un échangeur de chaleur indirect disposé dans la première conduite. A l'étape c) on peut également effectuer les étapes: d) on prélève une fraction de gaz naturel de la première de conduite, e) on comprime la fraction de gaz naturel prélevée, f) on refroidit la fraction de gaz naturel comprimée, g) on détend la fraction de gaz naturel refroidie, h) on introduit la fraction de gaz naturel détendue dans la première conduite. La température T peut être comprise entre - 20 C et 10 C. La pression P peut être comprise entre 5 MPa et 20 MPa. La pression P peut également être supérieure au cricondenbar du gaz naturel. 25 La première conduite peut être recouverte d'une couche de matériau isolant, l'épaisseur de la couche étant déterminée pour que la température du gaz ne s'élève pas audessus d'une valeur T+15 C, de préférence T+5 C pendant l'étapes b). Le matériau isolant peut être placé dans une enceinte remplie de dioxyde de carbone. On peut faire circuler un courant de dioxyde de carbone dans l'enceinte. On peut analyser la composition du dioxyde de carbone issu de l'enceinte. Le procédé selon l'invention peut également comporter les étapes suivantes: k) on refroidit une quantité de dioxyde de carbone, 1) on transporte la quantité de dioxyde de carbone par circulation dans une deuxième conduite du deuxième endroit jusqu'au premier endroit, la 10 deuxième conduite coopérant avec la première conduite. L'une des première et deuxième conduites peut être disposée à l'intérieure de l'autre des première et deuxième conduites. Une station de recompression peut être disposée entre le premier endroit et le deuxième endroit et on peut effectuer l'étape suivante: m) à la station de recompression, on refroidit la quantité de dioxyde de carbone pour compenser le réchauffement du dioxyde de carbone lors de l'étape 1). A l'étape m), on peut effectuer les étapes suivantes: n) on prélève de la deuxième conduite une fraction gazeuse de dioxyde de 20 carbone, o) on comprime la fraction gazeuse de dioxyde de carbone prélevée, p) on refroidit la fraction gazeuse de dioxyde de carbone comprimée, q) on détend la fraction gazeuse de dioxyde de carbone refroidie, r) on introduit la fraction liquide obtenue à l'étape q) dans la deuxième 25 conduite. A l'étape k), la quantité de dioxyde de carbone peut être refroidie à une température et à une pression correspondant à un point de bulle. Le premier endroit peut consister en un puits pétrolier produisant ledit gaz naturel et on injecte ladite quantité de dioxyde de carbone dans le puits pétrolier, et le deuxième endroit peut consister en une installation utilisant ledit gaz naturel et produisant ladite quantité de dioxyde de carbone. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faites ci-après à titre d'exemple en se référant aux dessins parmi lesquels: 10 - la figure 1 représente une conduite isolée, - la figure 2 donne un diagramme représentant l'évolution de la conductivité thermique de plusieurs gaz en fonction de la température, - la figure 3 représente un système d'isolation d'une conduite, 15 - la figure 4 schématise un gazoduc, - la figure 5 représente un moyen de réfrigération d'un fluide circulant dans une conduite, - la figure 6 représente un procédé de réfrigération d'un fluide, - les figures 7, 8 et 9 représentent des gazoducs pour convoyer 20 simultanément du gaz naturel et du dioxyde de carbone. Le procédé selon l'invention consiste à transporter le gaz naturel réfrigéré d'un premier endroit jusqu'à un deuxième endroit par circulation dans une conduite, le gaz étant réfrigéré. On peut isoler thermiquement la 25 conduite. En abaissant la température, à pression constante, on réduit le volume spécifique du gaz transporté, ce qui permet d'augmenter la capacité de transport de la conduite. Lorsque la température est abaissée de T à T' ( K), le volume spécifique V du gaz varie selon la relation: V' = V. (T'/T). (Z'/Z) (1) Z et Z' sont respectivement les facteurs de compressibilité du gaz 5 considéré à la température T et T', V et V' étant respectivement les volumes spécifiques du gaz considéré à la température T et T'. En considérant le transport d'un gaz naturel, soit à 8 MPa, soit à 20 MPa, et pour une température de transport abaissée de 50 C à -30 C, on observe que le facteur de compressibilité diminue avec la température de 0,92 à 0, 72 dans le cas d'un 10 transport à 8 MPa et diminue de 0,88 à 0,68 dans le cas d'un transport à MPa (abaques SPE/AIME). On observe que l'incidence de la température sur le volume spécifique est nettement plus importante pour le gaz naturel que dans le cas d'un gaz parfait. En appliquant la relation (1), on obtient un rapport de volume spécifique V/V de 0,59 dans le premier cas et de 0,58 dans 15 le deuxième cas. Avec ces hypothèses, pour une vitesse de passage du gaz inchangée c'est à dire sans augmenter les pertes de charge, il est possible d'augmenter la capacité de transport d'environ 40%. Le gaz naturel peut être réfrigéré au niveau des stations de recompression disposée sur le parcours du gazoduc. La température du gaz 20 transporté est de préférence inférieure à 10 C et reste supérieure à la température de rosée du gaz transporté. Ceci implique que la température du gaz transporté peut être comprise entre- 20 C et + 10 C. On peut également transporter le gaz dans des conditions supercritiques, c'est à dire à une pression supérieure au cricondenbar du gaz 25 transporté. Ainsi le gaz réfrigéré ne risque pas de former un dépôt liquide d à un réchauffement du gaz. Lorsque le gaz est transporté dans une conduite à une température inférieure à la température du milieu ambiant environnant la conduite, la conduite peut être isolée pour éviter le réchauffement du gaz. Sur la figure 1, le gaz naturel 1 sous pression, par exemple entre 5 MPa et 20 MPa, circule dans la conduite 2. Elle peut être protégée, notamment de la corrosion, par une couche de revêtement extérieur 4. La conduite 2 est thermiquement isolée par 5 la couche 3 de matériau isolant qui recouvre le revêtement extérieur 4. Différents types de matériaux isolants peuvent être envisagés: mousse de polyuréthanne, perlite, silicalite. L'utilisation de matériaux isolants, sous vide au moins partiel, permet d'améliorer considérablement les performances de l'isolation. Il est possible de réaliser le vide dans un espace intra-tubulaire 10 entre tubes concentriques (système pipe-in-pipe) . Il est également possible de mettre en oeuvre des éléments isolants rigides ou flexibles entourant la conduite, dans lesquels on réalise le vide. La couche de matériau isolant 3 peut être protégée par une enveloppe métallique 5 qui peut être elle-même protégée par un revêtement extérieur 6. Le matériau isolant de la couche 3 peut également consister en une mousse synthétique à structure cellulaire fermée contenant du dioxyde de carbone et d'autres gaz de faible conductivité thermique, par exemple une mousse de polyuréthanne. La figure 2 présente l'évolution de la conductivité thermique de plusieurs gaz en fonction de la température. La température T 20 figure sur l'axe des abscisses gradué de -250 à 150 en C. La conductivité thermique ? figure sur l'axe des ordonnées gradué de 0 à 0, 0350 en W/m.K. Les ronds, les croix, les carrés pleins, les carrés vides et les triangles représentent respectivement la conductivité thermique de l'azote, du méthane, du dioxyde de carbone, de l'oxygène et de l'argon. On observe que la conductivité 25 thermique du dioxyde de carbone est environ deux fois plus faible que la conductivité thermique de l'air (azote et oxygène). Par conséquent une mousse cellulaire contenant du dioxyde de carbone présente une conductivité thermique plus faible qu'une mousse cellulaire contenant de l'air (azote et oxygène). Toutefois, lorsqu'une mousse cellulaire contenant du dioxyde de carbone est placée dans l'air, le dioxyde de carbone diffuse progressivement vers l'extérieur de la mouse et l'air pénètre dans la mousse, et, par conséquent, la conductivité thermique de la mousse augmente. Pour éviter cet inconvénient, on peut placer la mousse au sein d'une atmosphère de dioxyde de carbone. Sur la figure 3, la conduite 8 de transport du gaz est entourée d'une enceinte annulaire 10. Des billes 11 de mousse cellulaire contenant du dioxyde de carbone sont disposées dans l'enceinte 10. Le matériau isolant 11 peut également être un produit en vrac du type perlite ou silicalite. De plus, 10 l'enceinte 10 est remplie de dioxyde de carbone à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, par exemple entre 0,1 MPa et 0,2 MPa. Le dioxyde de carbone peut être envoyé par le conduit 12 dans l'enceinte 10 et évacué par le conduit 13. Ainsi on établit un courant de dioxyde de carbone continu dans l'enceinte 10. Ce courant de balayage est régulé au 15 moyen d'une vanne de détente VP disposée sur le conduit 13. La vanne VP permet de maintenir une pression constante dans l'enceinte 10. La vanne de détente VP est contrôlée par le capteur de pression CP qui mesure la pression dans l'enceinte 10. Sur le conduit 13, on dispose un analyseur en ligne AL pour contrôler la composition du gaz évacué de l'enceinte 10. Ainsi, on peut vérifier, 20 d'une part, l'absence de fuite de méthane de l'intérieur de la conduite 8 vers l'enceinte 10 et, d'autre part, qu'il n'y a pas de pénétration d'air dans l'enceinte 10. Lorsque le gaz naturel est transporté sur de longues distances (milliers 25 de kilomètres), il doit être recomprimé après une certaine distance de parcours. Sur la figure 4, le gaz circulant dans la conduite 15, est successivement recomprimé dans les stations de recompression KS1, KS2, KS3, etc. Les stations se suivent à intervalle régulier. La distance séparant deux stations de recompression peut être de comprise entre 50 km et 200 km. L'épaisseur de la couche de matériau isolant doit être suffisante pour éviter une élévation excessive de la température du gaz entre deux stations de recompression. Cette élévation de température peut rester inférieure à 15 C, de préférence 5 C. L'exemple suivant montre que pour un transport massif de gaz, le réchauffage du gaz par échange avec l'environnement ambiant peut demeurer faible, même avec un isolant conventionnel. 30 milliards de m3 par an de gaz sont transportés dans une conduite de 56" (1,4224 m) de diamètre. La température environnant la conduite est de 20 C. La température du gaz 10 transporté est de - 20 C et sa pression est de 15 MPa avant recompression et de 20 MPa après recompression. La conductivité du matériau, par exemple une mousse polyuréthane, isolant la conduite est de 0,03 W/m.K. L'épaisseur de la couche de matériau isolant entourant la conduite est de 0,2 m. Après avoir parcouru une distance de 100 km dans les conditions précitées, l'élévation de 15 température du gaz est d'environ 1 K. Ainsi, le transport du gaz peut être effectué entre deux stations de recompression distantes de 100 km sans réfrigération. Un échauffement progressif du gaz demeure inévitable sans 20 complément de réfrigération pour compenser les transferts thermiques. Dans le procédé selon l'invention, le complément de réfrigération peut être amené au niveau d'une station de recompression. Différents moyens de réfrigération peuvent être utilisés. Un premier moyen consiste à refroidir le gaz à la sortie d'une station 25 de recompression par échange de chaleur. Sur la figure 5, un faisceau de réfrigération 22 conduisant un fluide réfrigérant est disposé dans la conduite 23. Un gaz 24 circule dans la conduite 23 suivant la direction d'écoulement E. La conduite 23 est recouverte d'une couche de matériau isolant 25. Un fluide réfrigérant entre par le conduit 20 dans le faisceau de réfrigération 22 et en ressort par le conduit 21. Le faisceau de réfrigération 22 peut consister en un échangeur de chaleur tubulaire ou à plaques, connu de l'homme du métier. Les tubes ou les plaques sont disposés de préférence parallèlement à la direction d'écoulement E. Une autre manière de réfrigérer le gaz consiste à opérer selon le procédé décrit en relation avec la figure 6. Le gaz arrive dans une station de recompression KS par le conduit 30 et en sort recomprimé par le conduit 31. Le gaz arrivant par le conduit 30 est comprimé par le compresseur K1 à une pression supérieure à la pression à laquelle il doit être envoyé par le conduit 10 31. Puis le gaz comprimé est refroidi dans l'échangeur C1 par échange de chaleur indirecte avec par exemple le milieu ambiant de refroidissement, de l'eau ou de l'air. Puis le gaz refroidi est détendu par la turbine T1 et évacué de la station de recompression par le conduit 31. L'arbre de la turbine T1 peut être couplé à l'arbre du compresseur K1 afin de récupérer le travail de détente. 15 Avantageusement, le transport de gaz naturel réfrigéré par conduite selon l'invention peut être couplé au transport simultané de dioxyde de carbone. Le problème de la capture, du transport et de la séquestration du dioxyde de carbone émis, notamment par les installations industrielles, prend 20 à l'heure actuelle une importance croissante en vue de limiter les conséquences de ces émissions sur l'effet de serre responsable d'un réchauffement de la planète. La figure 7 représente deux conduites cylindriques, concentriques 40 et 41. Le gaz naturel circule dans la conduite 40. Le dioxyde de carbone circule 25 dans l'espace annulaire défini entre la conduite 40 et la conduite 41. Une couche de matériau isolant 42 recouvre la surface extérieure de la conduite 41. Le gaz naturel et le dioxyde de carbone peuvent être transportés à la même température. L'isolation peut être commune. Selon un autre mode de réalisation, le dioxyde de carbone circule dans la conduite 40, le gaz naturel circule dans l'espace annulaire défini entre les conduites 40 et 41. Le fluide circulant dans la conduite 40 peut échanger de la chaleur, à 5 travers la conduite 40, avec le fluide circulant dans l'espace défini entre les conduites 40 et 41. Le transport du dioxyde de carbone est avantageusement réalisé en phase liquide. En phase liquide, la masse spécifique du dioxyde de carbone est sensiblement plus élevée qu'en phase gazeuse. Ainsi, le transport en phase 10 liquide par rapport au transport en phase gazeuse permet d'augmenter la capacité de transport ou bien, pour une même capacité de transport, on réduit la quantité d'énergie nécessaire pour transporter le dioxyde de carbone. Le gaz naturel et le dioxyde de carbone sont transportés dans des conduites telles que représentées sur la figure 7 à une température de 5 C. Le 15 dioxyde de carbone est transporté en phase liquide à une pression de 3 MPa. Dans ces conditions thermodynamiques, la masse spécifique du dioxyde de carbone est de 900 kg/m3. A titre de comparaison, la masse spécifique du dioxyde de carbone à 40 C et à 7 MPa est de 450 kg/m3. Le diamètre extérieur de la conduite 40 est de 0,965 m. Le diamètre extérieur de la conduite 41 est de 20 1,1684 m (46"). Pour ces dimensions de conduites, il est possible de transporter 315 kg/s de dioxyde de carbone à une vitesse moyenne de 2 m/s. Un tel procédé réduit considérablement les cots de transport du dioxyde de carbone. En effet, outre le fait que l'isolation est commune, les cots de pose à affecter au transport de dioxyde de carbone ne représentent que 25 l'accroissement marginal de cot de pose du gazoduc. En utilisant une configuration selon la figure 7, on peut contrôler la température à laquelle le gaz naturel et le dioxyde de carbone sont transportés, le dioxyde de carbone étant sous forme liquide à son point de bulle. Ainsi les transferts thermiques entre les fluides circulant dans les conduites et le milieu extérieur va provoquer la vaporisation du dioxyde de carbone. Tant qu'il y a une phase liquide et une phase gazeuse de dioxyde de carbone en équilibre, le dioxyde de carbone est à la température correspondante à celle du point de bulle. Les échanges thermiques entre le 5 dioxyde de carbone et le gaz naturel permettent de maintenir le gaz naturel sensiblement à la même température que le dioxyde de carbone. L'appoint de réfrigération nécessaire au cours du transport peut être fourni uniquement au dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est réfrigéré avant que les échanges thermiques avec le milieu extérieur ait complètement vaporisé le dioxyde de 10 carbone. Par exemple, au niveau d'une station de recompression, on prélève la fraction gazeuse de dioxyde de carbone vaporisé lors du transport. Cette fraction gazeuse est successivement comprimée, condensée par échange de chaleur avec un fluide extérieur (par exemple de l'air ou de l'eau), détendue à la pression de transport et après détente la fraction liquide est introduite dans 15 la conduite de transport, la fraction gazeuse est renvoyée à l'étape de compression. Ainsi, avec un gazoduc agencé selon le dispositif décrit en relation avec la figure 7, on peut acheminer le gaz naturel du pays producteur au pays consommateur en faisant circuler le gaz naturel dans le sens de la flèche E1 et 20 on peut acheminer le dioxyde de carbone du pays consommateur au pays producteur en faisant circuler le dioxyde de carbone dans le sens de la flèche E2, contraire à El. Dans le pays producteur, le gaz naturel est produit par un puits pétrolier et le dioxyde de carbone peut être réinjecté dans un puits pétrolier. Dans le pays consommateur, le gaz naturel est utilisé par une 25 installation industrielle qui rejette du dioxyde de carbone. A terme, le réseau de gazoducs pourrait être doublé d'un réseau d'évacuation de dioxyde de carbone dans un contexte de séquestration du dioxyde de carbone. Le transport simultané de gaz naturel et de dioxyde de carbone peut être également réalisé en mettant en oeuvre d'autres configurations. Sur la figure 8, le gaz naturel circule dans la conduite 50. Le dioxyde de carbone circule dans la conduite 51, celle-ci étant enroulée autour de la 5 conduite 50 en formant une nappe de spires. Les spires peuvent être jointives ou non. Une couche de matériau isolant 52 en forme de tube recouvre la nappe de spire jointives de la conduite 51. Cette disposition peut convenir lorsque la quantité de dioxyde de carbone transportée est relativement faible. Elle présente l'avantage de pouvoir être appliquée simplement dans le cas d'une 10 conduite existante. Sur la figure 9 les conduites transportant le gaz naturel et le dioxyde de carbone sont séparées. La conduite transportant le gaz naturel 61 et la conduite transportant le dioxyde de carbone 62 sont distinctes. Les moyens 63 permettent de maintenir les conduites 61 et 62 solidaires. Les moyens 63 15 peuvent être des tendeurs. Ils peuvent également être un enrobage de béton. Le béton permet en outre d'améliorer les transferts thermiques entres les deux conduites et d'assurer une protection mécanique des conduites. Les deux conduites 61 et 62 sont recouvertes d'une couche de matériau isolant 64. Dans les exemples illustrés par les figures 8 et 9, le dioxyde de carbone 20 et le gaz naturel circulent dans des conduites distinctes, mais maintenues solidaires et comportant un système d'isolation unique. REVENDICATIONS 1) Procédé de transport d'un gaz naturel à une pression P d'un premier endroit (A) jusqu'à un deuxième endroit (B), comportant les étapes suivantes: a) on refroidit le gaz naturel à une température T, ladite température T étant inférieure à la température ambiante et supérieure à la température de rosée du gaz naturel à la pression P, b) on transporte le gaz naturel par circulation dans une première conduite (2) du premier endroit jusqu'au deuxième endroit. 2) Procédé selon la revendication 1), dans lequel une station de recompression (KS1) est disposée sur la première conduite entre le premier 15 endroit et le deuxième endroit, dans lequel: c) à la station de recompression (KS1), on refroidit le gaz naturel pour compenser le réchauffement du gaz naturel lors de l'étape b). 3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel à l'étape c) on refroidit le 20 gaz naturel au moyen d'un échangeur de chaleur indirect (22) disposé dans la première conduite. 4) Procédé selon la revendication 2, dans lequel à l'étape c) on effectue les étapes: d) on prélève une fraction de gaz naturel de la première de conduite, e) on comprime la fraction de gaz naturel prélevée, f) on refroidit la fraction de gaz naturel comprimée, g) on détend la fraction de gaz naturel refroidie, h) on introduit la fraction de gaz naturel détendue dans la première conduite. ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la température T est comprise entre - 20 C et 10 C. 6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la pression P est comprise entre 5 MPa et 20 MPa. 7) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la pression P est supérieure au cricondenbar du gaz naturel. 10 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première conduite (2) est recouverte d'une couche de matériau isolant (3), l'épaisseur de la couche étant déterminée pour que la température du gaz ne s'élève pas au-dessus d'une valeur T+15 C pendant l'étapes b). 15 9) Procédé selon la revendication 8, dans lequel le matériau isolant (11) est placé dans une enceinte (10) remplie de dioxyde de carbone. ) Procédé selon la revendication 9, dans lequel: i) on fait circuler un courant de dioxyde de carbone dans l'enceinte. 11) Procédé selon la revendication 10, dans lequel: j) on analyse la composition du dioxyde de carbone issu de l'enceinte. 12) Procédé selon la revendication 1, dans lequel: k) on refroidit une quantité de dioxyde de carbone, l) on transporte la quantité de dioxyde de carbone par circulation dans une deuxième conduite (62) du deuxième endroit (B) jusqu'au premier endroit (A), la deuxième conduite (62) coopérant avec la première conduite (61). 13) Procédé selon la revendication 12, l'une des première et deuxième conduites est disposée à l'intérieure de l'autre des première et deuxième conduites. 14) Procédé selon l'une des revendications 12 et 13, dans lequel une station de recompression est disposée entre le premier endroit et le deuxième endroit, dans lequel: m) à la station de recompression, on refroidit la quantité de dioxyde de carbone 10 pour compenser le réchauffement du dioxyde de carbone lors de l'étape 1). ) Procédé selon la revendication 14, dans lequel à l'étape m): n) on prélève de la deuxième conduite une fraction gazeuse de dioxyde de carbone, o) on comprime la fraction gazeuse de dioxyde de carbone prélevée, p) on refroidit la fraction gazeuse de dioxyde de carbone comprimée, q) on détend la fraction gazeuse de dioxyde de carbone refroidie, r) on introduit la fraction liquide obtenue à l'étape q) dans la deuxième conduite. 16) Procédé selon l'une des revendications 12 à 15, dans lequel à l'étape k) la quantité de dioxyde de carbone est refroidie à une température et à une pression correspondant à un point de bulle. 17) Procédé selon l'une des revendications 12 à 16, dans lequel le premier endroit consiste en un puits pétrolier produisant ledit gaz naturel et on injecte ladite quantité de dioxyde de carbone dans le puits pétrolier, et le deuxième endroit consiste en une installation utilisant ledit gaz naturel et produisant ladite quantité de dioxyde de carbone.