FR2952161A1 - Systeme de vaporisation d'un fluide cryogenique avec des echangeurs centralises - Google Patents

Abstract

Un système de vaporisation d'un fluide cryogénique utilisant l'air ambiant comme source de chaleur indirecte, comprend un circuit primaire (3) dans lequel circule un fluide intermédiaire caloporteur réchauffé à partir de l'air ambiant et échangeant de la chaleur avec ledit fluide cryogénique à travers une cascade de circuits secondaires (10,20,30) qui réchauffent par pallier de température successifs ledit fluide cryogénique, ledit circuit primaire et lesdits circuits secondaires étant raccordés à un réservoir central (5) de forte capacité de stockage dudit fluide intermédiaire

Description

L'invention concerne un système de vaporisation d'un fluide cryogénique, notamment un système de vaporisation ou regazéification du gaz naturel liquéfié, utilisant de l'air ambiant comme source de chaleur indirecte.

Un tel système de vaporisation du gaz naturel liquéfié est destiné à être installé sur des terminaux où le gaz naturel liquéfié arrive dans des méthaniers sous forme liquide à une température d'environ -160 degrés Celsius (°C) et est transformé en gaz à une température comprise environ entre +2°C et +20°C, le gaz naturel étant ensuite transporté par des gazoducs jusqu'à son lieu d'utilisation. Les trois sources d'énergie thermique disponibles sur un terminal méthanier pour la regazéification du gaz naturel liquéfié sont : - le gaz naturel lui-même dont une partie peut être brûlée, - l'eau de mer, - l'air ambiant. Les systèmes de vaporisation du gaz naturel liquéfié les plus utilisés actuellement sont : - l'évaporateur par combustion submergée mais celui-ci présente l'inconvénient d'un coût opérationnel élevé et d'un fort impact sur l'environnement naturel. Un tel système est décrit en particulier dans le document de brevet US-2005092263. - l'évaporateur par échange de chaleur avec l'eau de mer mais celui-ci nécessite un pompage d'une grande quantité d'eau de mer, puis son rejet avec les risque de pollution que cela entraîne ainsi que la nécessité de disposer d'une eau de mer à une température supérieure à 8°C pour être autonome. Un tel système est décrit en particulier dans le document de brevet JP-5332499. - l'évaporateur par fluide intermédiaire caloporteur utilisant l'air ambiant comme source de chaleur indirecte tel que décrit dans le brevet US 7155917. Ce système présente l'avantage d'utiliser une énergie renouvelable non émettrice de gaz à effet de serre et un coût d'exploitation limité inférieur au coût d'exploitation des autres techniques. Dans le brevet indiqué ci-dessus, le gaz naturel liquéfié est réchauffé de -160°C à +20°C dans un échangeur de chaleur par un fluide intermédiaire caloporteur. Le fluide intermédiaire caloporteur est réchauffé dans un autre échangeur de chaleur par de l'air ambiant pulsé du haut vers le bas à l'aide de ventilateurs. Dans ce genre d'installation, il faut prévoir un système de dégivrage de l'échangeur de chaleur avec l'air ambiant car du givre se forme sur cet échangeur de chaleur. Ce système de dégivrage est par exemple un système à base de résistances électriques ce qui nécessite d'apporter dans le système de vaporisation un appoint en énergie électrique. Le but de l'invention est de proposer un autre système de vaporisation d'un fluide cryogénique comme le gaz naturel liquéfié qui utilise l'air ambiant comme source de chaleur indirecte pour réchauffer un fluide intermédiaire.

Un autre but de l'invention est de proposer un tel système de vaporisation qui est agencé pour fonctionner en autonomie avec un système de dégivrage intégré en prévoyant dans le cycle de vaporisation un cycle moteur générant de l'énergie électrique pour alimenter le système de dégivrage. Un autre but de l'invention est encore de proposer un tel système de vaporisation agencé pour que le système de dégivrage soit compact et centralisé pouvant dégivrer de façon séquentielle l'ensemble des batteries d'échangeurs de chaleur entre l'air ambiant et le fluide intermédiaire. A cet effet, l'invention a pour objet un système de vaporisation d'un fluide cryogénique utilisant de l'air ambiant comme source de chaleur indirecte, en particulier pour vaporiser du gaz naturel liquéfié, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit primaire dans lequel circule un fluide intermédiaire caloporteur réchauffé à partir de l'air ambiant et échangeant de la chaleur avec ledit fluide cryogénique à travers une cascade de circuits secondaires qui réchauffent par pallier de température successifs ledit fluide cryogénique, ledit circuit primaire et lesdits circuits secondaires étant raccordés à un réservoir central de forte capacité de stockage dudit fluide intermédiaire. L'idée à la base de l'invention est donc d'utiliser un réservoir central pour stocker une grande quantité du fluide intermédiaire caloporteur réchauffé directement par l'air ambiant par l'intermédiaire de batteries d'échangeurs de chaleur, ces échangeurs pouvant donc être dégivrés de manière centralisée.

Ainsi, selon une particularité du système selon l'invention, ledit circuit primaire du fluide intermédiaire caloporteur traverse des batteries d'échangeurs de chaleur avec l'air ambiant et il est prévu un circuit de dégivrage qui traverse lesdits échangeurs de chaleur et qui est raccordé à un premier circuit secondaire à cycle thermodynamique du type pompe à chaleur. Selon encore une autre particularité du système selon l'invention, il est prévu dans un second circuit intermédiaire au moins une turbine pour générer de l'énergie électrique destinée à alimenter un compresseur dudit premier circuit secondaire. Selon encore une autre particularité du système selon l'invention, ladite turbine fait partie d'un sous circuit dudit second circuit secondaire dans lequel circule un autre fluide thermodynamique à travers lequel ledit fluide intermédiaire échange de la chaleur avec ledit fluide cryogénique, cet autre fluide thermodynamique effectuant dans ledit sous circuit un cycle thermodynamique moteur de type Brayton ou Rankine. Selon encore une autre particularité du système selon l'invention, ledit réservoir commun est agencé pour fournir auxdits circuits secondaires ledit fluide intermédiaire caloporteur sous forme vapeur ou liquide.

Le fluide intermédiaire caloporteur peut être du propane vaporisé par l'air ambiant et stocké dans le réservoir sous forme vapeur/liquide. La chaleur du fluide intermédiaire caloporteur est utilisée dans tous les cycles thermodynamiques en cascade (un cycle moteur avec une ou deux boucles en cascade ; un cycle de fluide intermédiaire diphasique et un cycle de pompe à chaleur) du système et l'énergie électrique qui peut être produite dans le cycle moteur est exploitée pour alimenter l'appareillage du cycle de pompe à chaleur utilisé pour le dégivrage ainsi que les ventilateurs des aéroréfrigérants et les quelques pompes du système. Le système selon l'invention a donc de cette manière un faible impact sur l'environnement. L'utilisation d'un cycle de pompe à chaleur permet une exploitation du système dans des zones climatiques où la température de l'air ambiant est inférieure à la température d'exploitation du fluide cryogénique vaporisé.

Dans le cas du gaz naturel liquéfié, le système permet de restituer le gaz à une température de 5°C même si l'air ambiant reste à une température ne dépassant pas 0°C. Un tel système peut être mis en exploitation même dans des zones éloignées d'un réseau électrique et si un tel réseau électrique est disponible, ce système pourra le cas échéant fournir de l'énergie électrique excédentaire. Comme cela apparaîtra dans la description, dans le système de vaporisation selon l'invention, on réalise en fait un couplage de trois systèmes thermodynamiques à travers le fluide intermédiaire caloporteur qui est également le fluide de travail de la pompe à chaleur. Ce couplage permet d'associer un ensemble d'aéroréfrigérants à la fonction d'évaporation de ce fluide intermédiaire par échange thermique avec l'air ambiant. Cette chaleur est emmagasinée dans un réservoir et distribuée par la suite aux cycles thermodynamiques dans les circuits secondaires (cycle moteur, cycle de réchauffage direct et cycle de pompe à chaleur). Le fluide intermédiaire caloporteur est sous sa tension de vapeur et se présente dans le réservoir de stockage en deux phases liquide et vapeur pour être exploité par les circuits secondaires. Le ou les cycles moteurs permettent une vaporisation partielle du fluide cryogénique tout en générant de l'énergie électrique à partir de l'énergie disponible dans le fluide cryogénique lui-même. La source de chaleur du ou des cycles moteurs vient de l'air ambiant. L'énergie électrique générée dans le ou les cycles moteurs est destinée à alimenter les composants énergivores du système de vaporisation. Un des circuits secondaires permet une vaporisation partielle du fluide cryogénique par l'intermédiaire du fluide intermédiaire caloporteur. Quand la température de l'air ambiant est inférieure à la température d'exploitation du fluide cryogénique vaporisé, le cycle de pompe à chaleur permet de terminer la vaporisation par une « surchauffe » qui est également exploitée pour le dégivrage. Le système de dégivrage exploite comme fluide thermodynamique le fluide intermédiaire caloporteur ce qui est plus efficace qu'un chauffage externe. D'autres caractéristiques et avantages du système de vaporisation d'un fluide cryogénique, en particulier pour la regazéification du gaz naturel liquéfié, apparaîtront encore mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre illustré par les dessins. La figure 1 est une représentation très schématique de principe du système de vaporisation selon l'invention.

La figure 2 est un diagramme de Mollier illustrant un premier palier de réchauffage du GNL dans un premier circuit à cycle thermodynamique du système selon l'invention. La figure 3 est un diagramme de Mollier illustrant un second palier de 5 réchauffage du GNL dans un second circuit à cycle thermodynamique du système selon l'invention. La figure 4 est un diagramme de Mollier illustrant un troisième palier de réchauffage du GNL dans un troisième circuit à cycle thermodynamique du système selon l'invention. 10 Sur la figure 1, on a représenté de façon schématique un système 1 de regazéification du GNL liquéfié selon l'invention exploitant l'air ambiant AIR comme source indirecte de chaleur. Le GNL liquéfié entre dans le système de regazéification 1 par l'entrée E à une température d'environ -160°C et à une pression d'environ 90 bars. Il 15 ressort du système de regazéification 1 par la sortie S sous forme gazeuse à une température d'environ +5°C et à une pression d'environ 90 bars et avec un débit de 160 tonnes/heure par exemple. Selon l'invention, le GNL est réchauffé dans le système 1 par paliers de température successifs dans une cascade d'échangeurs de chaleur répartis 20 respectivement dans différents circuits à cycles thermodynamiques. Comme illustré sur la figure 1, l'air ambiant AIR est pulsé par des ventilateurs qui le dirigent du haut vers le bas (au sol) en le diffusant sur des échangeurs de chaleur à tubes horizontaux. Les ventilateurs avec ces échangeurs de chaleur à tubes horizontaux munis de préférence d'ailettes sont ci-après désignés par le terme « aéroréfrigérant ». Sur la figure 1, on a représenté trois aéroréfrigérants 2 mais il est évident qu'une installation de regazéification du GNL liquéfié selon l'invention peut comprendre un plus grand nombre de tels aéroréfrigérants disposés en batterie en une ou plusieurs rangées. Les aéroréfrigeants 2 sont raccordés en parallèle à un circuit primaire 3 à cycle thermodynamique dans lequel circule un premier fluide caloporteur, ici du propane. Le circuit 3 traverse dans l'ordre depuis la sortie des aéroréfrigérants 2, en suivant la flèche indicative du sens de circulation du propane, une vanne de détente 4, un réservoir de stockage 5 du propane sous forme diphasique avec grande capacité de stockage et une pompe 6 servant à faire circuler le propane. Par ailleurs, la pompe 6 et la vanne 4 sont commandées par une unité de contrôle/commande 7 qui sert à réguler la température du propane dans le circuit 3. Le réservoir de stockage 5 peut avoir une contenance de plusieurs m3. Le réservoir contient le propane à l'équilibre liquide/vapeur. Sa pression est régulée par la température du propane qui est elle-même régulée en fonction de la température ambiante et donc des échanges thermiques dans les batteries d'aéroréfrigérants. Le réservoir contient le propane sous forme liquide dans sa partie basse et sous vapeur dans sa partie haute. Dans cet agencement du circuit 3, le propane sort du réservoir 5 en phase liquide avec un couple flottant de température et de pression, par exemple à une température de -10°C pour une température de l'air ambiant de 0°C et entre dans le réservoir 5 en phase mixte vapeur/liquide ou sous forme vapeur avec le même couple flottant de température et de pression. Selon l'invention, le réservoir 5 de propane est utilisé comme une source de chaleur centralisée pour la cascade de circuits secondaires à cycle thermodynamique de réchauffage du GNL. Cette disposition permet donc de centraliser les aéroréfrigérants 2 qui fournissent indirectement la chaleur pour tous les circuits secondaires. On comprend que dans un tel système, de l'humidité contenue dans l'air ambiant à tendance à se condenser sur les tubes des aéroréfrigérants du fait de l'écart de température entre l'air ambiant et le propane ce qui provoque un phénomène de givre sur ces tubes lequel nécessite donc de prévoir un système de dégivrage automatique. La disposition centralisée des aéroréfrigérants 2 permet avantageusement de centraliser également ce système de dégivrage et donc d'obtenir une structure compacte du système de regazéification 1. A noter, qu'à la place du propane on pourrait utiliser un autre fluide caloporteur comme le dioxyde de carbone ou l'ammoniac sans sortir du cadre de l'invention. La cascade de circuits secondaires à cycle thermodynamique qui servent à réchauffer le GNL liquide à partir de la chaleur stockée dans le réservoir 5 comprend un premier circuit secondaire 10 qui permet de réchauffer le GNL sur un premier palier de température de -160°C à environ - 60°C, un second circuit secondaire 20 qui permet de réchauffer le GNL sur un second palier de température de -60°C à -15°C et un troisième circuit secondaire 30 qui permet de réchauffer le GNL sur un dernier palier de température de -15°C à +5°C. Dans le premier circuit secondaire 10, le GNL arrivant sur l'entrée E à - 160°C traverse successivement un premier échangeur de chaleur 11 et un second échangeur de chaleur 12 d'où il sort réchauffé à -60°C. Le premier échangeur de chaleur 11 fait partie d'un sous circuit intermédiaire 10A en boucle fermée à cycle thermodynamique de Brayton qui permet de réchauffer le GNL sur un palier de température de -160°C à -115°C par un échangeur de chaleur avec une boucle de propane 10C raccordée au réservoir 5. Le second échangeur de chaleur 12 fait partie d'un autre sous circuit intermédiaire 10B en boucle fermée à cycle thermodynamique de Rankine qui permet de réchauffer le GNL sur un palier de température de - 115°C à -60°C par échange de chaleur avec la boucle de propane 10C. Le sous circuit 10A contient un fluide thermodynamique, ici de l'azote, qui suit donc un cycle thermodynamique de Brayton illustré sur la figure 2 par le diagramme Dl. Le sous circuit 10B conduit un autre fluide thermodynamique, ici de l'éthane, qui suit un cycle thermodynamique de Rankine illustré sur la figure 2 par le diagramme D2. Dans le sous circuit 10A, l'azote est réchauffé dans un échangeur de chaleur 13 par échange de chaleur avec la boucle de propane 10C et dans le sous circuit 10B, l'éthane est réchauffé dans un autre échangeur de chaleur 14 par échange de chaleur avec la boucle de propane 10C. Sur la figure 1, on voit que les deux échangeurs 10A et 10B sont donc raccordés en série sur la boucle de propane 10C. Dans le sous circuit 10A à cycle de Brayton, l'azote sort de l'échangeur de chaleur 13 à une température d'environ -20°C, puis traverse une turbine 15 apte à utiliser une différence de pression de l'azote pour produire de l'énergie électrique, puis traverse l'échangeur de chaleur 11 et ressort à une température d'environ -150°C, puis traverse enfin un compresseur 16 avant de revenir dans l'échangeur de chaleur 13. On peut dans cette boucle du sous circuit 10A, prévoir en plus un système de récupération d'énergie par un échange de chaleur entre l'azote sortant de la turbine 15 et l'azote sortant du compresseur 16. Dans ce cycle thermodynamique, l'azote est comprimé dans le compresseur 16 et détendu dans la turbine 15 de façon quasi-isentropique et il est réchauffé dans l'échangeur 13 et refroidi dans l'échangeur 11 de façon quasi-isobare. L'azote ayant un point critique suffisamment bas reste toujours sous forme de vapeur sur tout son parcours dans le sous circuit 10A. L'azote pourrait être remplacé par un autre fluide thermodynamique présentant un point critique très bas et un profil de température croissant afin de suivre facilement l'augmentation de température du GNL comme illustré sur la figure 2.

Dans le sous circuit 10B à cycle de Rankine, l'éthane sort de l'échangeur de chaleur 14 également à une température de -20°C, puis traverse une turbine 17 apte à utiliser une différence de pression de l'éthane pour produire de l'énergie électrique, puis traverse l'échangeur de chaleur 12 et ressort de celui-ci à environ -110°C, puis est comprimé dans une pompe 18 avant de revenir dans l'échangeur de chaleur 14. Dans ce cycle thermodynamique de Rankine, l'éthane est comprimé dans la pompe 18 et détendu dans la turbine 17 de façon quasi-isentropique et il est réchauffé dans l'échangeur 14 et refroidi dans l'échangeur 12 de façon quasi-isobare. Dans l'échangeur de chaleur 12, le GNL passe d'un état liquide à û 115°C à un état gazeux à -60°C, le passage liquide/gazeux du GNL se produisant plus particulièrement dans la tranche de température -80°C à - 70°C. Dans les tubes des échangeurs de chaleur 11 et 12, le GNL circule à contre courant du flux d'azote et d'éthane. Par ailleurs, dans les tubes des échangeurs de chaleur 13 et 14, le propane circule également à contre courant des flux d'azote et d'éthane. Le second circuit secondaire 20 est une boucle de propane qui sort du réservoir 5 sous forme vapeur, puis qui traverse un échangeur de chaleur 21 pour échanger de la chaleur avec le GNL, puis qui revient dans le réservoir 5 sous forme liquide. Dans ce circuit secondaire, le propane suit un cycle thermodynamique qui est illustré sur la figure 3 par le diagramme D3. Pour compenser les pertes de charges du circuit et réguler le débit de propane, une pompe est utilisée en sortie de l'échangeur de chaleur 21.

Comme le propane dans l'échangeur de chaleur 21 entre à une température d'environ -10°C alors que la température de l'air ambiant d'environ 0°C est inférieure à la température d'exploitation du GNL vaporisé qui est de +5°C, le système selon l'invention comprend donc le troisième circuit intermédiaire 30 à cycle thermodynamique qui est encore une boucle de propane mais fonctionnant comme une pompe à chaleur pour surchauffer le GNL déjà réchauffé par le circuit 20 en aval. Dans ce circuit 30, le propane sort du réservoir 5 sous forme de vapeur, puis traverse un compresseur 31 de propane vaporisé, puis se condense dans un échangeur de chaleur 32 pour céder de la chaleur avec le GNL, puis traverse encore une vanne de détente 33 avant de revenir en état diphasique dans le réservoir 5. Dans ce circuit secondaire, le propane suit un cycle thermodynamique illustré par le diagramme D4 sur la figure 4.

Comme on peut le comprendre de la description ci-dessus, le compresseur 31 peut être alimenté par de l'énergie électrique produite par les turbines 15 et 17. Toutefois, l'énergie électrique nécessaire pour surchauffer le GNL de -10°C à +5°C reste assez faible. Selon les conditions d'utilisation du système d'exploitation, qui peuvent être liées à la zone géographique d'exploitation, il n'est pas toujours nécessaire d'utiliser deux sous circuits 10A, 10B, seul un sous circuit 10A à cycle de Rankine pouvant permettre de réchauffer le GNL de -160°C à 60°C peut être proposé. Il est possible aussi d'utiliser dans la boucle de Rankine comme fluide intermédiaire un mélange de fluides azéotropiques, par exemple des hydrocarbures, dont la particularité est que le changement de phase liquide-gaz s'effectue avec un changement de température. L'énergie produite par la turbine 17 seule est certes plus faible que celle qui peut est produite par les deux turbines 15 et 17 en cascade, cependant elle peut suffire à alimenter complètement le système en électricité.

Selon l'invention, le propane circulant dans le circuit secondaire 30 à une température supérieure à 0°C est également utilisé pour alimenter un circuit de dégivrage 40 des aéroréfrigérants 2. Ce circuit de dégivrage 40 est raccordé aux entrées et aux sorties des aéroréfrigérants et comprend des vannes de dérivation commandées par l'unité de contrôle/commande 7 de telle manière que le flux de propane sous forme vapeur qui sort en haute température du compresseur 31 soit dérivé dans le circuit 40 pour réchauffer de façon sélective un ou plusieurs aéroréfrigérants positionnés en cycle de dégivrage. A noter, comme illustré par les flèches sur le circuit 40, que le circuit 40 est raccordé au circuit primaire 3 de telle manière qu'en cycle de dégivrage, l'aéroréfrigérant devient un condenseur isolé de propane et est alimenté par du propane chaud sous forme de vapeur qui cède sa chaleur pour dégivrer les ailettes de l'aéroréfrigérant de manière très efficace. L'unité de contrôle/commande 7 et le système de dégivrage sont conçus pour que même pendant un cycle de dégivrage de certains aéroréfrigérants 2, le système 1 continue d'assurer la vaporisation du GNL avec l'autre partie des aéroréfrigérants. Un système de dégivrage comme illustré sur la figure 1 est beaucoup plus efficace qu'un chauffage externe par résistance électrique par exemple.

Le système 1 selon l'invention peut également intégrer une récupération de chaleur perdue disponible à proximité de la zone d'implantation. La récupération de la chaleur d'une source disponible permet de baisser quantitativement le nombre d'aéroréfrigérants 4 nécessaires au bon fonctionnement du système 1. Cette intégration rend le système 1 d'avantage excédentaire en énergie électrique laquelle pourrait être valorisée. Dans le système 1, l'unité de contrôle/commande 7 est agencée pour réguler le couple de température et de pression du propane (dans l'exemple à -10°C) pour son changement d'état vapeur/liquide en fonction de la température de l'air ambiant (dans l'exemple à 0°C) en agissant sur la pompe 6 et la vanne 4. L'unité 7 agit également sur une vanne de régulation (non illustrée) montée sur une portion du circuit secondaire 10 pour réguler le débit de propane dans ce circuit permettant de réchauffer les fluides intermédiaires des sous circuits 10A et 10B. L'unité 7 agit encore sur une autre vanne de régulation (non illustrée) montée sur une portion du circuit secondaire 20 pour réguler le débit du propane dans ce circuit.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1. Système de vaporisation d'un fluide cryogénique utilisant l'air ambiant (AIR) comme source de chaleur indirecte, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit primaire (3) dans lequel circule un fluide intermédiaire caloporteur réchauffé à partir de l'air ambiant et échangeant de la chaleur avec ledit fluide cryogénique à travers une cascade de circuits secondaires (10,20,30) qui réchauffent par pallier de température successifs ledit fluide cryogénique, ledit circuit primaire et lesdits circuits secondaires étant raccordés à un réservoir commun (5) de forte capacité de stockage dudit fluide intermédiaire.
2. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel ledit circuit primaire (3) du fluide intermédiaire caloporteur traverse au moins une batterie d'échangeurs de chaleur (2) avec l'air ambiant et dans lequel il est prévu un circuit de dégivrage (40) qui traverse lesdits échangeurs de chaleur et qui est raccordé à un premier circuit secondaire (30) à cycle thermodynamique du type pompe à chaleur.
3. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel il est prévu dans un second circuit intermédiaire (10) au moins une turbine pour générer del'énergie électrique destinée à alimenter un compresseur dudit premier circuit secondaire.
4. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel ladite turbine fait partie d'un sous circuit (10A) dudit second circuit secondaire dans lequel circule un autre fluide thermodynamique à travers lequel ledit fluide intermédiaire échange de la chaleur avec ledit fluide cryogénique, cet autre fluide thermodynamique effectuant dans ledit sous circuit un cycle thermodynamique de type Brayton ou Rankine.
5. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit réservoir commun (5) est agencé pour fournir auxdits circuits secondaires ledit fluide intermédiaire caloporteur sous forme vapeur ou liquide.
6. 6. Procédé pour vaporiser du gaz naturel liquéfié, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un système selon l'une des revendications précédentes et du propane comme fluide intermédiaire caloporteur.