ASPECTS TECHNIQUES DE LA REDUCTION DES COUTS DE TRANSPORT PAR

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1 ASPECTS TECHNIQUES DE LA REDUCTION DES COUTS DE TRANSPORT PAR Résumé : CANALISATION DES HYDROCARBURES LIQUIDES ET GAZEUX Abdelnacer SMATI Unversté de Boumerdes, Faculté des hydrocarbures La réducton des coûts est devenu un mpératf crucal de l explotaton des systèmes de transport par canalsatons des hydrocarbures lqudes et gazeux. Cette communcaton porte essentellement sur les gans susceptbles d être générés par l usage ntensf de l outl nformatque, l ntroducton de technque de smulaton globale des réseaux, l usage de modèles d optmsaton ntégrée et l améloraton de la fablté des ouvrages par la modélsaton de leur dsponblté. Un smulateur est outl logcel permettant la représentaton vrtuelle de l ensemble du réseau et de ses équpements sur ordnateur. Il devent alors de Prévor le comportement du réseau global et de chaque lgne en fonctonnement normal et perturbé. L usage de smulateurs seuls reste le plus souvent nsuffsant en rason du très grand nombre de degré de lberté généré par un modèle de réseau complexe. C est pourquo ls sont dans certans logcels assocés à des outls d optmsaton et parfos à des systèmes experts. Les technques d optmsaton sont des approches numérques, basées dans la majorté des cas sur des formulatons de type non lnéares, consstant à trouver parm toutes les solutons admssbles, la melleure confguraton suvant un crtère fxé. De nombreux crtères peuvent être sélectonnés suvant les besons de l explotant. Dans un objectf de réducton des coûts, le crtère du mnmum de consommaton d énerge est dans ce contexte le plus en vue. Les systèmes experts ne trouve leur utlté que lorsque les technques d optmsaton sont dffcles à mettre en œuvre. D autre part, la ve et le comportement d un matérel, ben que relevant d aspects stochastques, peut être décrt par des los statstques moyennant un suv est un tratement de massfs de données de grandes dmensons ssus du retour d expérence. La connassance de ces los permet une melleure maîtrse de la mantenance et par conséquent des possbltés certanes de réducton des coûts à ce nveau. Mots clés : Réducton des coûts, Smulaton, Optmsaton, Fablté ères JNTSTD

2 Inroducton La réducton des coûts de transport par canalsatons des hydrocarbures lqudes et gazeux est devenu un mpératf crucal en relaton prncpalement avec : l ntensfcaton des rythmes de producton de pétrole, de gaz et de condensat ; l envronnement concurrentel dans lequel bagne désormas ce secteur avec son ouverture aux grosses compagnes nternatonales. Les coûts d explotaton représente l équvalent de 3 à 5% par an de l nvestssement et ce décomposent en tros postes : fras de personnel, fras d énerge, fras de mantenance. L aspect technque de la réducton des coûts d explotaton ne peut concerner naturellement que les deux derners ponts. Cette communcaton porte essentellement sur les gans susceptbles d être générés par l usage ntensf de l outl nformatque. La réducton des coûts peut alors être obtenue par : l ntroducton de technque de smulaton globale des réseaux, l usage ntensf de modèles d optmsaton ntégrée, le suv de l état technque et le ramonage pérodque des canalsaton, l améloraton de la fablté des ouvrages par la modélsaton de leur dsponblté et le dagnostc en lgne. 1. Smulaton de réseaux complexes de transport d hydrocarbures par canalsaton La majeur parte des grandes compagnes pétrolères et gazères dans le monde utlsent depus déjà une vngtane d années des smulateurs dynamques pour la geston optmale de leurs réseaux. Un smulateur peut sommarement être défn comme un outl logcel permettant la représentaton vrtuelle de l ensemble du réseau et de ses équpements sur ordnateur. Il peut de se fat : Prévor le comportement du réseau global et de chaque lgne en fonctonnement normal et perturbé ; Fournr une vson prospectve résultant de toute perturbaton (ndsponblté d équpements, fute sur un tronçon, soutrage ou njecton pérodques sur la lgne, évoluton de la demande ou de la producton, etc.) et de ce fat permettre à l explotant d antcper sur les évènements et de défnr les solutons adéquates permettant de rédure les mpacts négatfs éventuels sur la lgne tratée et sur l ensemble du réseau. En relaton avec le pont précédent, se tradure par une sécurté accrue du réseau ; Permettre d ntégrer aux réseau exstant des lgnes vrtuelles autorsant des tests sur l opportunté et l mpact d un projet de gazoduc avant même sa réalsaton ; Servr à la formaton des nouveaux opérateurs et au renforcement des compétences technques du personnel d explotaton par génératon de perturbatons artfcelles (mpossbles à fare sur le réseau réel), d analyse de leurs conséquences et de la qualté des décsons de l explotant face à un problème donné. Les smulateurs dynamques sont conçus sur la base d un outl de résoluton numérque d un système complexe d équatons dfférentelles et algébrques. Ces équatons représentent pour chaque nœud les équatons de mouvement, de contnuté et de l énerge. Ces dernères sont assocées aux modèles des équpements de compresson (de pompage) et de régulaton. Il exste sur le marché une dzane de logcels de smulaton de réseaux d oléoducs et de gazoducs (TLNET, PIPEPHASE, TGNET, ères JNTSTD

3 SIMONE, FLOWMASTER, INTERCOMP, etc.). Lla majorté de ces logcels offrent la possblté d une connexon au système SCADA.. Les technques d optmsaton. L usage de smulateurs seuls reste le plus souvent nsuffsant en rason du très grand nombre de degré de lberté généré par un modèle d un réseau complexe. C est pourquo ls sont dans certans logcels assocés à des outls d optmsaton et parfos à des systèmes experts. Les technques d optmsaton sont des approches numérques, basées dans la majorté des cas sur des formulatons de type non lnéares, consstant sommarement à trouver parm toutes les solutons admssbles, la melleure confguraton suvant un crtère fxé. De nombreux crtères peuvent être sélectonnés suvant les besons de l explotant. Dans un objectf de réducton des coûts, le crtère du mnmum de consommaton d énerge est dans ce contexte le plus en vue. Le pont de fonctonnement d un ppelne est soums : aux varatons de débt aux changements de condtons clmatques ; à la dsponblté des équpements ; à la dsponblté des tronçons de condute. Lorsque les condtons de servce ne sont pas extrêmes, un grand nombre de solutons peut être obtenues en agssant sur le nombre et la poston des équpements en servce ans que sur les paramètres de fonctonnement des statons de compresson (de pompage). Toutes les solutons réalsables ont un coût, exprmé en combustble consommé dans les statons, qu l convent de mnmser. L optmsaton porte donc sur une successon d états permanents, dont les changements correspondent à une modfcaton : de la dsponblté des équpements ; dans les quanttés à lvrer ; dans les condtons de presson et de température au départ de la lgne ; de la presson requse à l arrvée ; des condtons extéreures. Le but de l optmsaton est de mnmser la consommaton d énerge des statons. Il s agt donc de défnr le nombre de machness et la vtesse de rotaton à chaque statn permettant de mnmser l autoconsommaton globale de la lgne. Cette consommaton est consttuée prncpalement par les besons en combustble des untés de compresson (de pompage). Le plus souvent la consommaton des turboalternateurs est néglgée ou ben supposée constante. A ttre d exemple, pour le cas d un gazoduc, le but de l optmsaton est donc de mnmser la consommaton de gaz dans les turbnes, en répondant aux exgences suvantes : Les condtons de presson et de température au termnal départ sont connues (P 0,T 0 ) ; Le débt de gaz au termnal arrvée est fxé ( q ) ; f La presson ne dot pas dépasser la PMS ( P max ) ; Elle ne dot pas tomber au dessous d une presson mnmale fxée Pmn La presson au termnal arrvée ne dot pas descendre au dessous d un seul fxé ( P f ) ; mn ères JNTSTD

4 Les compresseurs en explotaton dovent produre une hauteur adabatque comprse entre les lmtes mnmales et maxmales ( H H H ) ; Les compresseurs en explotaton dovent tourner à une vtesse comprse entre les lmtes mnmales et maxmales ; Le calcul des pertes de charge est effectué en tenant compte de la consommaton des turbnes et des pquages ; l énerge consommée par les turboalternateurs est supposée constante. Pose sommare du problème n =1 mn [ ε β ] Mn C q 1 0 max P R PMS P P R P R n ε R W T P P mn max P mn A + 1 max A + 1 A + K q + K q n n mn T R max max W W max Le problème ans posé est un problème de programmaton non lnéare dont la résoluton peut être obtenue sot par programmaton dynamque sot par usage d algorthmes d optmsaton non lnéare (GRG, SQL) assocés à une procédure arborescente de type «branch & bound». Les systèmes experts ne trouve leur utlté que lorsque les technques d optmsaton sont dffcles à mettre en œuvre. 3. Technques de reconsttuton d état. Tout processus technologque est soums à l nfluence de perturbatons ncontrôlables. Par perturbaton on entend c les facteurs aléatores agssant sur le processus et que l on ne peut mesurer quanttatvement. Ans l état technque d un ppelne évolue dans le temps sous l acton de nombreux facteurs ( rugosté nterne, accumulaton de boues et de condensat dans les ponts bas, facteurs atmosphérques, etc). Des travaux expérmentaux ont montrés que l erreur sur le coeffcent de frcton, calculé par une des relatons analytque classques, pouvat attendre 100%. De plus, le coeffcent de conductblté thermque du sol pouvat augmenter de plus de 300% dans le cas de sol moullés (dans l ntervalle d une pérode pluveuse par exemple). En conséquence, à la lumère des erreurs élevées susceptbles d apparaître dans la prse en compte de certans paramètres mportants, l est légtme de se demander ce que vaudraent les résultats d un modèle d optmsaton n ntégrant pas ces partculartés dans sa formulaton. La dsponblté d un système SCADA, donc de résultats de mesure en temps réel et en nombre suffsant des prncpaux paramètres, permettrat de «reconstrure» l état du ppelne et de ce fat obtenr des modèles reflétant, à un nstant donné, d une manère adéquate son état réel. A Ttre d exemple, l état technque d une canalsaton de gaz peut ères JNTSTD

5 etre suv en temps réel par analyse des pertes de charge qu s y produsent. Pour cela, les pertes de charges dans le ème tronçon de gazoduc seront calculées par la relaton smple suvante : P 1 P = KrQ où : P 1, presson au début du tronçon ; P, presson à la fn du tronçon ; Q, débt dans le tronçon. Le coeffcent est une sorte de coeffcent global de pertes de charge tenant compte K r de toutes les perturbatons. La détermnaton de données réelles d explotaton fournes par le système SCADA. est effectuée sur la base des est lnéare par rapport à la perte de charge quadratque et le carré du débt. En conséquence l estmaton de K r peut être réalsée par la méthode des mondres carrées (MMC) sur la base d un massf de données recuelles à ntervalles régulers sur une perode de temps fxe. Pour tenr compte de l évoluton de ce paramètre en foncton du temps, l est possble d ntrodure une procédure adaptatve de type fenêtre glssante, MMC pondérée ou autre. 4. Ramonage pérodque des canalsatons. L encrassement des canalsatons au fur et à mesure de leur explotaton se tradut par une augmentaton des pertes de charge. En conséquence, la capacté de transt de la lgne dmnue et la consommaton d énerge augmente. Pour le cas des oléoducs, l encrassement est prncpalement provoqué par des dépôts de crstaux de paraffne et de partcules soldes (poussère et grans de sable ) qu se collent sur la paro nterne de la condute. Ces dépôts dmnuent la secton utle de passage et augmentent la rugosté nterne. L mportance de ce phénomène dépend des caractérstques du brut transporté (teneur en paraffne et en asphaltènes) et du profl des températures le long de la condute. Le pétrole brut transporté content toujours, souvent en très fable concentraton, une certane quantté d eau. Cette eau est présente sous forme de gouttelettes de très petts damètres. Sous certanes condtons d écoulement, en relaton avec le nombre de Reynolds, ces gouttelettes peuvent s assembler et former des gouttelettes de damètres plus grands (phénomène de coalescence). Ces dernères, en rason de leur pods plus mportant, peuvent se déposer dans les ponts bas de la condute et former, en assocaton avec les partcules soldes, des dépôts de boue. Ces dépôts, en plus du fat qu ls rédusent la secton de passage, représentent de formdables «lts de corroson». Pour le cas des gazoducs, sous certanes condtons de température et de presson, de la gazolne (condensât) se dépose au nveau des ponts bas du gazoduc. Le condensât s accumule et, attegnant un certan volume, se met en mouvement le long de la condute entraînant des perturbatons dans les régmes de fonctonnement du gazoduc et pour les clents. En prncpe, des séparateurs et des pots de purge sont dsposés le long de la lgne pour élmner le condensât. Cependant, lorsque des accumulatons mportantes se déplacent, les capactés des séparateurs se trouvent rapdement saturées. Les accumulatons de condensât provoquent également une dmnuton de la secton utle se tradusant par des pertes de charge supplémentares. Pour rédure les problèmes lés à l encrassement et aux dépôts dans les ppelnes on a recours à des envos réguler de dspostfs de nettoyage (sphères et racleurs). 5. Modélsaton de la fablté des équpements. D une manère générale, la ve et le comportement d un matérel, ben que relevant d aspects stochastques, peut être décrt par des los statstques moyennant un suv est K r K r ères JNTSTD

6 un tratement de massfs de données de grandes dmensons ssus du retour d expérence. La connassance de ces los permet une melleure maîtrse de la mantenance et par conséquent des possbltés certanes de réducton des coûts à ce nveau. Cependant, un ppelne est un système complexe composé de pluseurs centanes d éléments de nature et de concepton dfférentes. Le suv opératonnelle de ces éléments et la mse au pont de modèles de dsponblté pour chaque macroélément et pour le ppelne dans sa globalté, permettant le suv de l état technque de l ouvrage et des prses de décson ratonnelles concernant sa mantenance, sont nconcevables sans le recours à l outl nformatques. Le terme «fablté» est un néologsme ntrodut dans les années 60 pour tradure le terme anglo-saxon «relablty». La fablté est consdérée comme la scence des défallances. Par défnton, la fablté est «l apttude d un dspostf a accomplr une foncton requse, dans des condtons données, pendant une durée donnée» [ ]. Le terme fablté est auss utlsé comme caractérstque quanttatve désgnant une probablté de succès ou un pourcentage de succès. De ce fat les caractérstques de fablté sont nombreuses. Le chox de l une ou l autre des caractérstques dépend de la fnalté de l étude. L ntérêt que l on peut avor à évaluer la fablté d un dspostf peut se stuer à pluseurs stades: Au nveau de la concepton où l est mportant de dsposer de méthodes permettant de prédre la fablté pour répondre à un caher des charges ; Au nveau de la fabrcaton où l est souvent nécessare de vérfer que les composants employés répondent ben aux caractérstques retenues lors de la concepton ; Au nveau de l explotaton où l est ntéressant à pluseurs ttres de contrôler les prédctons en matère de fablté, de vérfer que le système se comporte normalement, de trouver la cause des anomales, de défnr des alternatves susceptbles de l amélorer et surtout de quantfer l mpact de toute décson allant dans ce sens. La fablté est quantfée par l ntroducton de dfférentes grandeurs caractérstques. Dans la pratque la fablté R d un système, dans le cas de systèmes rréparables, s exprme comme la probablté que l unté consdérée, remplsse sa foncton pendant une durée fxée t ou ne tombe pas en panne pendant ce temps. La fablté R() t du système et la probablté de défallance F() t sont à cette occason détermnés à partr du taux de défallance λ supposé constant pendant un temps d observaton : λ R t = e (1) t () λt () t = 1 e F () Dans le cas des systèmes réparables, on utlse comme grandeur caractérstque de fablté la dsponblté. Elle représente la probablté qu un système se trouve en servce à un moment détermné t. Dans la pratque en entend par dsponblté, la dsponblté à long terme. Dans ce contexte les défntons suvantes sont habtuelles : µ A = MTTF = MTTF + MTTR µ + λ A = = MTTR MTTR +MTTF µ λ +λ avec : A : Dsponblté A : Indsponblté MTTF : Durée moyenne d explotaton sans défaut. MTTR : Durée moyenne de défallance et de réparaton. λ : Taux de défallance. µ : Taux de réparaton ères JNTSTD

7 L stmaton des taux de panne et de réparaton de chaque équpement se fat sur la base d un relevé statstque de la pérodcté des pannes et de leurs durées de réparaton. Dans le cas où le matérel statstque s avère nsuffsant on peut recourr aux bases de données nternatonal ou aux technques d estmaton bayesennes. 6. dagnostc en lgne par «outl ntellgent» Les nspectons en lgne par outl «ntellgent» des canalsatons d hydrocarbures lqudes et gazeux sont devenus des opératons courantes de l explotaton et de la mantenance des ppelnes. La corroson nterne et externe affecte de nombreux ouvrages pouvant provoquer parfos des dégâts mportants : Polluton du mleu naturel, Fras supplémentares de réparaton, Arrêt prolongé du pompage, Et même parfos des dégâts humans. Les progrès très mportants dans le domane du dagnostc en lgne, prncpalement dans la concepton d outls dt «ntellgents», permet à l heure actuelle la détecton et la localsaton de pratquement tous les défauts (corroson nterne et externe, fssures, bosses, ovalsaton, etc.). De ce fat, des nterventons préventves peuvent lmter consdérablement les rsques. L nspecton en lgne par outls ntellgents peut fournr presque toutes les nformatons requses pour l évaluaton de l état technque d un ppelne. Cependant, le son est lassé à l opérateur de décder des chox à fare pour réhablter l ouvrage et les moyens à mettre en œuvre pour le mantenr en bonne condton. Un grand nombre de ppelnes à travers le monde a dépassé la lmte d age prévue de leur utlsaton. Ils contnuent pourtant à être parfatement fonctonnels. Cec moyennant un suv réguler de leur état technque et une poltque de mantenance approprée. La queston fondamentale qu se pose dans ces cas là est la suvante : réparaton ou réhabltaton? La premère étape pour répondre à cette queston est un programme détallé d nspecton pour obtenr les données nécessares à l évaluaton de l état de la lgne. La haute résoluton des technques actuelles d nspecton en lgne, flux magnétque ou ultrasons, permet à l opérateur une évaluaton précse de l ntégrté du ppelne. Les équpements basés sur ces technques peuvent localser tous les types de défauts le long de la lgne lassant à l opérateur le son de décder de la nécessté de procéder à des réparatons. Les nspectons pérodques par outl ntellgent révèlent la présence de nombreux défauts. Ces nspectons permettent non seulement la localsaton des défauts de corroson mas également leurs dmensons (qu révèlent en fate la nature de la corroson et la sévérté du danger). Le degré de nusance de certans défauts peut être évalué sur la base de méthodes analytque relatvement smples. Certanes compagnes pétrolères ou gazères ont leurs propres codes mas dans une grande proporton, tous les opérateurs utlse la fameuse norme ANSI/ASME B31 G. Pour un contrôle effcace, surtout en présence de corroson actve, une nspecton supplémentare est souvent recommandée. Une nspecton répétée permet de précser le dagnostc mas surtout l évoluton dans le temps des dégradatons et donc la possblté d une évaluaton à long terme de l état de la condute ères JNTSTD

8 Concluson Une réducton mportante des coûts d explotaton de réseaux complexes de transport d hydrocarbures lqudes et gazeux par canalsaton peut être obtenue par la combnason d outls software et de solutons technques adéquates. Ces outls permettent une connassance plus approfonde de l état technque du réseau, son suv en temps réel et une ade à la prse de décson. L usage d outls de smulaton et d optmsaton est devenu une pratque courante des grandes compagnes nternatonales. Le développement de modèles de fablté permettant la mse en œuvre de technques de mantenance condtonnelle, au leu et place des pratques coûteuses de mantenance préventve, font l objet de nombreuses études ères JNTSTD

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