Qui n'a jamais entendu parler du groupe françaisTotal? Peut-être les personnes qui ne doivent pas passer à une station-service pour faire le plein de leur véhicule et encore… Il s'agit du cinquième groupe pétrolier mondial, présent dans plus de 130 pays, employant 96104 personnes à la fin 2011 et dont les principales activités couvrent l'ensemble de la chaîne pétrolière et gazière, de l'amont avec l'exploitation et la production de pétrole et de gaz naturel jusqu'au raffinage, le transport maritime et la distribution (voir encadré Les activités du groupeTotal ). Mais rares sont les personnes, au sein même de Total d'ailleurs, qui savent qu'une équipe de la raffinerie de Normandie située au Havre (Seine-Maritime) a développé un savoir-faire en métrologie légale et est devenue une référence dans le domaine du comptage transactionnel aussi bien pour l'ensemble du groupe que pour la France.

Et il faut dire que les quatre personnes de ce service ont l'occasion de parfaire leurs compétences avec tous les équipements ayant été développés et en fonctionnement sur le site de la raffinerie de Normandie. Rattaché au Département Qualité, sécurité et environnement, le service Métrologie a en effet en charge vingt bancs de pesage, trente bancs de comptage de liquide autre que l'eau et deux comptages gaz (voir encadré Les activités du groupe Total ). En plus du développement de bancs, l'équipe a également la responsabilité des contrôles en service, à savoir les révisions périodiques et les essais métrologiques à l'aide d'étalons raccordés.

Le banc de comptage Z7 pour le fuel gas Total Si les compteurs de fuel oil (mazout) sont des débitmètres massiques à effet Coriolis, la technologie retenue pour les quatre bancs de comptage de fuel gas (méthane), à l'instar du banc Z7, est en fait une plaque à orifice et un tranquiliseur associés à une mesure de différence de pression P. En plus des capteurs de P, la solution comprend des capteurs de température, de pression et de densimètre, ainsi qu'une mesure de niveau de condensat (sonde vibrante) et un calculateur/convertisseur OMNI 3000 relié par une liaison série au système numérique de contrôle-commande. Il faut signaler la présence d'un micro-chromatographe en ligne pour déterminer le pourcentage de carbone, sachant que la composition est extrêmement variable dans le temps.

« Jusqu'en 1988, un agent de l'État était présent sur le site de la raffinerie et seul juge de la conformité, rappelle Laurent Patureaux, responsable du service Métrologie. A cette date, l'État a autorisé,et même encouragé,les industriels à s'auto-vérifier sous certaines conditions, d'où l'apparition de la notion de dispense.» A partir de 1995, une dispense était accordée à la raffinerie pour la vérification de ses instruments de mesure légaux, dans le cadre d'un système qualité approuvé pour les compteurs d'hydrocarbures, le pesage et les compteurs de gaz. « Mais,en 2001,l'État a décidé de ne plus accorder de dispense ;il a toutefois autorisé ceux qui en détenaient une à la conserver, jusqu'à la fin de l'année 2013 dans notre cas et reconductible tous les deux ans » , poursuit Laurent Patureaux (Total Raffinage & Marketing).

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La raffinerie de Normandie de Total est désormais soumise à déclaration pour les émissions de CO2 dans ses fours et ses torches, comme tout exploitant d'usine utilisant la combustion des sources d'énergie fossiles. Pour répondre aux exigences réglementaires, la raffinerie a investi 3 M€ pour développer en interne un banc de comptage pour le fuel oil (ci-contre) et quatre autres bancs pour le fuel gas.

Total

Avant de voir en détail le nouveau banc de comptage développé pour le projet CO2 (dioxyde de carbone), il est judicieux de décrire le fonctionnement d'une raffinerie pour mieux appréhender les raisons qui ont amené à ce projet. Prenons un peu de hauteur… Le site du Havre a depuis sa création, en 1936, connu des extensions successives et occupe aujourd'hui une superficie totale de 360 hectares, sur laquelle travaillent 1200 collaborateurs et autant de sous-traitants. On trouve par ailleurs 400 réservoirs pour une capacité de stockage maximale de 4 millions de m ³ ,un réseau de 70km de routes et de 22km de voies ferrées,ainsi qu'un total de 40000km de canalisation et 1 million de points de contrôle de sécurité.

Une capacité de 350 000 barils par jour

Le pétrole brut n'étant pas utilisable en l'état, il doit être raffiné pour donner naissance à des produits commerciaux, comme les carburants, les lubrifiants, les fiouls, le gaz de pétrole liquéfié, les bitumes… Le principe d'une unité pétrolière est le suivant: un four de distillation porte le pétrole brut à une température de +400°C et une colonne de distillation permet d'obtenir les différents produits pétroliers. Les plus lourds (fiouls lourd et domestique) sont récupérés en bas de la colonne et les produits les plus légers (essence légère ou nafta, butane et propane) en haut de la colonne et à des températures inférieures à +150°C. « La capacité de traitement de la raffinerie est de 350 000 barils par jour, 20 % étant destiné pour la consommation nationale et 40 % rien que pour la région parisienne.Ce ne sont ainsi pas moins de 200 produits finis ou intermédiaires différents et vendus à des clients qui sont également pour certains des fournisseurs » , explique Laurent Patureaux (Total Raffinage & Marketing).Avec la Compagnie industrielle maritime (CIM SNC), par exemple, la société fournit 30000 t par jour de pétrole brut à la raffinerie qui lui revend des produits pétroliers. Avec de telles quantités échangées par jour, la maîtrise du bilan matière revêt un aspect critique: la moindre incertitude de mesure peut représenter des pertes très importantes (15000€ par jour pour une erreur de seulement 1‰). Pour la Société havraise de manutention de produits pétroliers (SHMPP), il s'agit de fabriquer des produits noirs à partir de produits pétroliers,et,dernier exemple, l'usine d'Oudalle de Total Fluides vend des huiles récupérées et du gaz à haute pression à la raffinerie qui produit et lui revend des produits spéciaux et du gaz riche en dihydrogène (H2 ). Et la liste des fournisseurs et des clients est encore très longue…

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Le banc de comptage pour le fuel oil fonctionne sur le principe suivant : un premier débitmètre à effet Coriolis mesure en amont le gavage du système et le second mesure la quantité de carburant en retour. La différence entre les deux valeurs sert à contrôler la consommation et dans le calcul des émissions de CO2 .Untroisième débitmètre (Master Meter) est installé périodiquement dans la manchette libre pour vérifier l'exactitude des deux compteurs installés à demeure.

Source : Total

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L'étape de distillation du pétrole brut n'étant pas parfaite, les résidus de fuel gas (méthane) et de fuel oil (mazout) sont brûlés dans les fours d'unités, d'où la production de CO2 .Ilexiste deux réseaux de gaz (un réseau de gaz humide venant d'unités distantes ou fourni par GDF et alimentant à haute pression les unités Z7, Z8, Z11 et Z12, et un réseau de gaz sec à basse pression alimentant huit autres unités) et un circuit de fuel oil fournissant en fioul les huit unités.

Source : Total

Les attributions du service Métrologie ne s'arrêtent pas à la maîtrise du bilan matière. Rien n'étant parfait dans la nature, il reste quand même des résidus à l'issue de la distillation. Ces résidus de fuel gas (méthane) et de fuel oil (fioul ou mazout), qui ne peuvent être ni vendus ni stockés, sont en fait brûlés dans les fours, d'où la production de CO2 . « Depuis des années,la raffinerie de Normandie met en œuvre des procédés de plus en plus complexes, constate Laurent Patureaux (Total Raffinage & Marketing). Il existe plusieurs raisons à cette tendance : l'entreprise doit fiabiliser ses sources d'approvisionnement, développer de nouvelles qualités de produits et, globalement, se conformer à des exigences environnementales toujours plus strictes. C'est pourquoi l'objectif était de justifier et de quantifier auprès d'organismes de contrôle les rejets de CO2 sur une installation de chauffage d'unité de raffinage.»

Un investissement de 3 M€ pour le projet CO2

Le projet CO2 s'inscrit dans la métrologie environnementale,l'une des trois missions du service Métrologie, avec le bilan matière et la métrologie légale dispensée.L'origine du projet CO2 remonte en fait au 11 décembre 1997, le jour où le protocole de Kyoto a été signé. Il visait à réduire, entre 2008 et 2012, de 5,2% par rapport au niveau de 1990 les émissions de six gaz à effet de serre (dioxyde de carbone, méthane,protoxyde d'azote et trois substituts des chlorofluorocarbones), dans le cadre de la Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques. Ce traité international n'est entré en vigueur que le 16 février 2005 pour être ensuite transposé en droit européen avec les directives 2003/87/CE et 2007/589/CE et enfin en droit français avec l'arrêté du 31 mars 2008 et l'instauration de quotas de CO2 .

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Le développement du projet CO2 a été une affaire d'équipe : celle dirigée par Laurent Patureaux, responsable du service Métrologie à la raffinerie de Normandie de Total Raffinage & Marketing (à gauche), avec notamment Ibrahima Sow, ingénieur consultant en génie des procédés chez Ad'missions (au centre), et celle du fabricant Krohne avec Samuel Monnier, technico-commercial (à droite).

Cédric Lardière

Tout exploitant d'usine utilisant la combustion des sources d'énergie fossiles étant désormais soumis à déclaration, la raffinerie de Normandie se doit de quantifier les émissions de CO2 par la combustion de fuel gas et de fuel oil dans ses fours et ses torches. L'arrêté du 31 mars 2008 fixe par ailleurs les performances métrologiques des instruments, ce qui oblige les exploitants à apporter la preuve du respect de ces exigences métrologiques. Pour la raffinerie de Normandie, le budget alloué au projet CO2, c'est-à-dire à la mise en conformité du site, a ainsi représenté un montant total de 3M€, pour la période comprise entre 2008, date du début du projet, et la fin de l'année 2013 (date à laquelle la raffinerie de Normandie s'est engagée à être conforme).

« La stratégie de mise en conformité ne s'est pas résumée à mettre en œuvre un simple compteur. Nous avons dû concevoir des unités de comptage similaires à celles utilisées en métrologie légale et définir une construction regroupée de ces unités à des endroits clés du réseau » , explique Ibrahima Sow, ingénieur consultant en génie des procédés chez Ad'missions ⁽¹⁾ .Ilexiste en fait trois réseaux différents: deux réseaux de gaz et un circuit de fuel oil (voir figure 1 ). Le premier est un réseau de gaz humide, venant d'unités distantes ou fourni par GDF et alimentant à haute pression (10 bar) les unités Z7, Z8, Z11 et Z12. Les quatre sorties, une pour chaque unité, sont autant d'entrées pour le second réseau de fuel gas sec à basse pression (3 bar), qui alimente huit autres unités (Conv 1, Conv 2, Conv 3, Energie, Huiles 2, Huiles 3, Ouest et Sud).

C'est là que se trouvent les bancs de comptage fuel gas (voir encadré Le banc de comptage Z7 pour le fuel gas) afin d'être certain de compter tout ce qui transite dans ce maillage plus compliqué que celui de fuel oil . Les huit unités sont par ailleurs alimentées en fuel oil par le troisième réseau. « Comme il y a un point de livraison unique, contrairement au réseau de fuel gas sec,nous avons pu installer un banc de comptage à l'entrée et un second au niveau du circuit retour » , indique Ibrahima Sow (Ad'missions). Cette configuration de l'installation a ainsi permis le développement un banc de comptage de CO2 compact, les compteurs retenus étant placés au même endroit,l'un à côté de l'autre.

Trois débitmètres à effet Coriolis, dont un étalon

Le principe du banc est le suivant: le premier compteur mesure en amont le gavage du système (à savoir le fuel oil venant des unités productrices via un bac de charge pour disposer d'un débit normal à peu près constant) et le second mesure, en aval des fours d'unités, la quantité de carburant en retour ; la différence entre les deux valeurs sert à élaborer la consommation (voir Figure 2 ). La différence calculée est également utilisée dans le calcul des émissions de CO2 ,selon l'expression: QCO2 = MCO2 /MC x(Valeur compteur1 –Valeur compteur2 )x%C , où QCO2 est la quantité de CO2 émis, M sont les masses molaires respectives du CO2 et du carbone,Valeur du Compteur 1 etValeur du Compteur 2 sont les mesures de débit massique fournies par les compteurs 1 et 2 et %C est le pourcentage de carbone contenu dans le combustible. « Il faut néanmoins veiller à la qualité des mesures. Dans l'éventualité où la combustion est complète, il n'y a alors pas de carbone résiduel. L'exactitude exigée pour les deux compteurs est de 1,5 % et celle du troisième (le Master Meter), exactitude vérifiée à l'aide d'une installation externe de Trapil, doit être de 0,5 % » , explique Laurent Patureaux (Total Raffinage & Marketing).

Pour vérifier l'exactitude des compteurs, le Master Meter est utilisé périodiquement pour prouver l'exactitude des deux autres. Pour cela, il est installé dans la manchette de remplacement libre du banc de comptage aller ou retour. Sa fonction est de fournir une valeur d'étalonVe à un calculateur Omni 3000 de l'américain Omni Flow Computers pour déterminer l'erreur du compteurVi –Ve ou, en pourcentage,Vi –Ve /Ve ,Vi étant la valeur du compteur vérifié, exprimée en impulsions/l. Le reste du temps, cet étalon est rangé à l'abri dans une salle… sauf en cas de problème avec l'un des deux compteurs qu'il peut alors remplacer temporairement. « Cette procédure a été privilégiée à un étalonnage qui aurait nécessité de sortir les deux compteurs,entraînant l'arrêt temporaire du banc,et à l'utilisation d'un camion d'étalonnage. Cette méthode nous aurait contraint à ajouter une boucle spécifique, des vannes, etc. En plus d'erreurs supplémentaires en raison d'un étalonnage en volume,nous aurions également été dépendant de la disponibilité du camion » ,poursuit Laurent Patureaux (Total Raffinage & Marketing).

Il existe différentes technologies de mesure transactionnelle, comme des compteurs à palettes, des turbines, des systèmes de pesage, mais Total Raffinage & Marketing a porté son choix sur des débitmètres massiques à effet Coriolis de l'allemand Krohne pour plusieurs raisons. « En ce qui concerne la technologie Coriolis,elle permettait d'obtenir directement un comptage en masse du fuel oil. Si l'on avait dû opter pour un compteur volumétrique, il aurait fallu convertir le signal du compteur en valeur massique via la connaissance de la masse volumique. Sans compter le coût très important des étalonnages des compteurs à palettes et des turbines en transactionnel » ,explique Samuel Monnier,technicocommercial chez Krohne France. Même avec un serpentin à une température de +80°C sur toute la ligne jusqu'aux deux brides et les débitmètres à effet Coriolis enveloppés dans des chaussettes de réchauffage, il ne faut pas oublier que le fuel oil est un résidu et qui fige à température ambiante.

Parmi les avantages de la débitmétrie à effet Coriolis, on peut également citer la facilité de disposer des mesures de masse volumique avec (très) peu d'instrumentation annexe, ainsi que l'insensibilité, dans une certaine mesure, à la nature du fluide et à ses caractéristiques (température, pression, masse volumique, viscosité). « L'absence de pièces en mouvement en contact direct avec le produit réduit, quant à elle, significativement les risques de casse, contrairement à des modèles à palettes ou des turbines,et plus généralement les débitmètres à effet Coriolis garantissent une maintenance plus aisée que les compteurs mécaniques » , poursuit Samuel Monnier (Krohne France).

Respect des exigences de l'arrêté

A la question des motivations concernant le choix du fabricant de débitmètres, Laurent Patureaux (Total Raffinage & Marketing) répond sans détour la renommée internationale de Krohne, la compétence des équipes, le respect des incertitudes demandées, l'ergonomie du modèle proposé, à savoir sa construction en tube droit, son afficheur local notamment, pour ainsi dire « des produits séduisants » . Il s'agit des modèles Optimass 2300C S 150 (DN150) à brides. «Avec leur concept de tube de mesure droit double, des tubes de grande taille et une capacité de débit élevée, nos débitmètres à effet Coriolis procurent une grande précision, essentielle pour les transactions commerciales, ainsi que des zones de rétention et des pertes de charge minimes » , indique Samuel Monnier (Krohne France).

Cela est le résultat de l'emploi d'un tube droit, et non pas en forme de U ou de O, et d'un diviseur de débit optimisé. Avec l'option Super Duplex, les débitmètres à effet Coriolis supportent des pressions de service jusqu'à 180 barg. Anoter que chaque appareil a été étalonné individuellement en usine sur les bancs d'étalonnage de Krohne afin d'assurer les performances exigées par le client en termes de précision et de répétabilité. Le tube de mesure droit et la conception modulaire de l'électronique alimentée en 24 Vca rendent plus faciles l'installation et l'utilisation des débitmètres (vidange et nettoyage aisés en raison également de l'inclinaison des appareils, remplacement rapide du module électronique et du capteur…).

Grâce à cette nouvelle installation complète pour les mesures de rejets de CO2 ,Total Raffinage & Marketing a ainsi pu se mettre en conformité avec la réglementation en vigueur. «Alors que les mesures oscillaient entre ± 2 et ± 10 %,hors gaz naturel,comme l'ont montré des résultats obtenus en 2009 au sein de la raffinerie, nous sommes parvenus à descendre à une incertitude pour les mesures de débit inférieure à ± 1,5 %, en accord avec l'arrêté » , rappelle Laurent Patureaux (Total Raffinage & Marketing). La raffinerie de Normandie s'évite ainsi de payer des amendes pouvant s'élever à plusieurs millions d'euros, ce qui justifie amplement l'investissement initial.

Hormis des incertitudes élevées lors d'essais préliminaires, avant l'étalonnage chez le français Trapil et le Centre technique des industries aérauliques et thermiques (Cetiat), problème lié notamment au temps d'équilibre thermique entre le débitmètre à effet Coriolis et le produit et à une certaine sensibilité au produit et à ses conditions d'ambiance, le projet CO 2 fonctionne depuis plusieurs mois et le service Métrologie n'attend plus que l'accord de déclaration de conformité vis-à-vis de l'arrêté. « Nous pourrons alors faire profiter les autres raffineries du groupe de notre compétence en leur fournissant des bancs de comptage pour les rejets de CO 2 » , envisage Laurent Patureaux (Total Raffinage & Marketing).

(1)Ad'missions est une structure française de portage salarial.