WO2021064318A1 - Fluide réfrigérant destiné à un circuit de fluide réfrigérant d'un système de traitement de gaz naturel - Google Patents

Fluide réfrigérant destiné à un circuit de fluide réfrigérant d'un système de traitement de gaz naturel Download PDF

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WO2021064318A1
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Bernard Aoun
Pavel BORISEVICH
Rodrigo RIVERA TINOCO
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Gaztransport Et Technigaz
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    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/30—Compression of the feed stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/60—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams the fluid being hydrocarbons or a mixture of hydrocarbons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/60—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being (a mixture of) hydrocarbons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/34—Details about subcooling of liquids

Definitions

  • the present invention relates to the field of floating structures of which at least one engine is powered by natural gas and which also make it possible to contain or transport liquefied natural gas. It relates more particularly to a refrigerant fluid intended for a natural gas treatment system used as fuel for the engine or engines of the floating structure.
  • the gas In order to more easily transport and / or store gas, such as natural gas, over long distances, the gas is usually liquefied by cooling it to cryogenic temperatures, for example -163 ° C at atmospheric pressure, in order to d '' obtain liquefied natural gas, commonly known by the acronym "LNG”, or “LNG” for "Liquefled Natural Gas”. This liquefied natural gas is then loaded into specialized storage tanks of the floating structure.
  • cryogenic temperatures for example -163 ° C at atmospheric pressure
  • the storage tanks of the floating structure thus comprise both natural gas in liquid form and natural gas in gaseous form, the natural gas in the gaseous state forming the tank top.
  • At least part of the natural gas present in the tank in gaseous form can be used to supply an engine intended to meet the energy needs for the operation of the floating structure, in particular for its propulsion and / or its production of water. electricity for on-board equipment.
  • it is in particular known to circulate natural gas in the gaseous state through at least one natural gas treatment system, so as to allow it to be heated, said system comprising a heat exchanger used as a superheater. and a compressor, both placed upstream of the engine.
  • the natural gas treatment system it is also known practice to configure the natural gas treatment system so that it can allow the condensation of the part withdrawn from natural gas in the gaseous state.
  • the condensation of natural gas may in particular be required when the quantity of natural gas evaporated in the tank is too large in relation to the operating energy needs of the floating structure, the natural gas treatment system then allows the evaporated natural gas to be condensed. present in the tank in order to return it to the liquid state.
  • Such a liquefaction system can in particular be implemented when the floating structure is stopped and the consumption of gaseous natural gas by its engine or engines is zero, or almost zero.
  • Such natural gas treatment systems involve the heating and / or condensation of natural gas by heat exchange with a refrigerant fluid circulating through at least one dedicated refrigerant fluid circuit.
  • This refrigerant due to its use in floating structures intended for the transport or storage of natural gas, is subject to many constraints. In particular, it is essential that the refrigerant has a change-of-state temperature of between -200 and 15 ° C at atmospheric pressure. Also, it is essential that the refrigerant is not corrosive or toxic.
  • the refrigerant must also be free from oxidizing compounds and compounds prohibited by environmental regulations, such as chlorofluorocarbons, or “CFCs”, perfluorocarbons, or “PFCs” and hydrofluorocarbons, or “HCFCs”.
  • the present invention falls within this context and aims to propose a new refrigerant fluid optimized to operate at cryogenic temperatures of change of state of natural gas, in particular of a natural gas comprising essentially methane, while being particularly configured to allow a sub-cooling of natural gas and also heating thereof.
  • the refrigerant must be able to pass from a two-phase state to a gaseous state so as to cool the LNG in the liquid state below its liquefaction temperature at atmospheric pressure, i.e. -163 ° C. .
  • This same coolant is also configured to change from a gaseous state to a liquid state, thus causing the BOG to heat up so that the latter is reheated to supply a consumer on the floating structure.
  • Another object of the present invention is to provide a low-cost refrigerant fluid, the compounds of which are available in large quantities on the floating structure, while optimizing the thermal efficiency of said refrigerant fluid within the natural gas treatment system. .
  • the present invention relates to a refrigerant fluid intended to circulate in a refrigerant fluid circuit and configured to exchange heat with a liquefied natural gas stored in at least one tank of a floating structure, the refrigerant fluid comprising:
  • said refrigerant fluid having a proportion of methane and dinitrogen and / or argon of between 70 and 85 mol% of the refrigerant, the remainder comprising a mixture of hydrocarbons composed at least of ethane and / or propane and / or butane and / or ethylene and / or propylene.
  • all of the remainder mentioned above comprises at least ethane and / or ethylene and / or propane and / or propylene and / or butane.
  • butane denotes both n-butane and 2-methylpropane.
  • the total composition of the refrigerant fluid comprises 100 mol%.
  • the refrigerant according to the present invention is suited to the various constraints set out above, in particular the constraints relating to the heating of the gas to deliver it to the consumer and that relating to the temperature of the gas withdrawn in the liquid state from the tank.
  • the refrigerant according to the invention undergoes a refrigeration cycle, that is to say, changes of state of the refrigerant fluid are caused at different points in the circuit.
  • the refrigerant can, at an evaporator in the circuit, also take calories from the liquefied natural gas coming from the storage tank.
  • the refrigerant also transfers calories, at a circuit condenser, to natural gas in the vapor phase, that is to say to the BOG, coming from the storage tank.
  • the refrigerant fluid Before entering the condenser, the refrigerant fluid passes through an expansion valve so as to cool it or even subcool it to maximize the liquid fraction after expansion and therefore the useful cold which can be transferred during its passage through the evaporator. .
  • the refrigerant fluid according to the invention can also include ethane and / or ethene to improve the heat exchanges carried out in the evaporator.
  • the coolant can also include ethane and / or ethene and / or propane and / or propene and / or butane to improve the heat exchanges achieved with the BOG.
  • the various compounds that can be used in this refrigerant have, at atmospheric pressure, the following boiling temperatures:
  • methane, ethane and / or ethylene, propane and / or propylene and butane are available in large quantities within the floating structure and are in particular stored in the form of liquefied natural gas in the tank. .
  • the mixture of hydrocarbons can comprise 15 to 30% of ethane and / or ethylene and propane and / or propylene or ethane and / or ethylene and butane. According to one example, this remainder of 15% to 30% can thus comprise ethane and propane or ethylene and propane. In another example, this 15% to 30% residue may include ethane and butane or ethylene and butane.
  • the mixture of hydrocarbons, and therefore the rest of the refrigerant can comprise 15 to 30% of ethane and / or ethylene and propane and / or propylene or that the mixture of hydrocarbons , and therefore the remainder of the refrigerant, can comprise 15 to 30% of ethane and / or ethylene and butane.
  • the refrigerant fluid can comprise 5 to 19 mol% of ethane and / or ethylene, the remainder being completed with propane and / or propylene and / or butane.
  • the refrigerant fluid can comprise up to 15 mol% of propane and / or propylene or butane.
  • methane is present in the refrigerant in an amount strictly greater than 40 mol% and less than or equal to 55 mol%.
  • the refrigerant contains 40 to 55 mol% of methane, the 40 mol% value being excluded.
  • the refrigerant according to the present invention can thus be defined according to three distinct embodiments according to the inert gas or the mixture of inert gases that it comprises.
  • the refrigerant fluid is produced according to a first embodiment when it comprises dinitrogen as its sole inert gas, according to a second embodiment when it comprises argon as its sole inert gas, and according to a third embodiment. when it comprises a mixture of dinitrogen and argon.
  • the refrigerant fluid can comprise at least dinitrogen, methane, ethane and / or ethylene and propane and / or propylene, the refrigerant fluid having a ratio methane and dinitrogen between 1: 1 and 9: 5.
  • the refrigerant can comprise at least as much methane as dinitrogen.
  • the refrigerant fluid can comprise at least dinitrogen, methane, ethane and / or ethylene and butane, the refrigerant fluid having a ratio of methane and dinitrogen between 4: 5 and 7: 5 .
  • the presence of methane and nitrogen in the refrigerant fluid improves heat exchange between the refrigerant and liquefied natural gas in the evaporator.
  • the coolant can have a molar mass of 24 g / mol +2 g / mol.
  • the refrigerant fluid can comprise at least 30 mol% of dinitrogen, 50 mol% of methane, 10 mol% of ethane and 10 mol% of propane.
  • the refrigerant fluid can comprise at least 35 mol% of nitrogen, 42 mol% of methane, 15 mol% of ethane and 8 mol% of propane.
  • the refrigerant fluid may comprise argon, methane, ethane and / or ethylene, butane and / or propane and / or propylene, the refrigerant fluid exhibiting a ratio of methane and argon between 3: 5 and 6: 5.
  • the coolant according to the present embodiment can comprise as much methane as argon.
  • the coolant can have a molar mass of 31 g / mol + 3 g / mol.
  • the coolant can comprise at least dinitrogen and argon, methane, ethane and / or ethylene, as well as butane and / or propane and / or propylene, the refrigerant having a methane / argon / dinitrogen ratio between 1: 2 and 13:10.
  • the coolant according to the third embodiment may have a molar mass of 30 g / mol ⁇ 3g / mol.
  • the present invention also relates to a refrigerant circuit configured to heat exchange with liquefied natural gas stored in at least the tank of the floating structure, the refrigerant circuit containing, in a closed circuit, the refrigerant fluid as described above.
  • the refrigerant fluid circuit according to the invention is thus used to allow heat exchanges at cryogenic temperatures between the refrigerant fluid and at least the liquefied natural gas, the latter possibly being in the gaseous state and / or in the liquid state.
  • cryogenic a temperature below -40 ° C, or even below -90 ° C, and preferably below -160 ° C.
  • the refrigerant fluid as described above is thus particularly suitable in order to optimize the efficiency of such heat exchanges, at cryogenic temperatures, between the refrigerant circuit and the natural gas.
  • the refrigerant fluid circuit comprises at least: a compressor configured to compress the refrigerant fluid, a first heat exchanger, used as a condenser, traversed by the refrigerant fluid and configured to be traversed by natural gas, a means for expansion of the refrigerant fluid, a second heat exchanger, used as a vaporizer, through which the refrigerant fluid flows and configured to be traversed by natural gas.
  • the refrigerant fluid circuit comprises at least a first portion, which extends between the compressor and an inlet of the expansion means, at the level of which the refrigerant fluid circulates at high pressure, and a second portion, between said expansion means and an inlet of the compressor, at which the refrigerant fluid circulates at low pressure.
  • the refrigerant can have a pressure of between 18 and 36 bars in the first portion and a pressure of between 1.2 and 2.5 bars in the second portion.
  • the first portion can then consist of a cold reception zone, while the second portion can, for example, be intended for the transmission of cold.
  • the first portion of the refrigerant circuit comprises at least a first pass of the first heat exchanger and the second portion comprises at least a first pass of the second heat exchanger.
  • the compressor compresses the refrigerant
  • its temperature increases and the refrigerant can transmit its calories from the first pass of the first heat exchanger to an adjacent pass, for example a second pass of the first heat exchanger in which natural gas circulates. liquefied in the gaseous state from the tank.
  • the refrigerant fluid is then expanded in the expansion means, which decreases its pressure.
  • the expansion means can be a Joule-Thomson valve.
  • This refrigerant then circulates in the second portion of the refrigerant circuit, and more particularly in the second pass of the second heat exchanger where it can absorb calories from another pass, for example from a second pass from the second heat exchanger to the within which circulates the liquefied natural gas in the liquid state coming from the tank, then the refrigerant is returned to the compressor.
  • the invention also relates to a system for treating natural gas used as fuel for an engine of the floating structure, the treatment system comprising the refrigerant circuit as described above and the treatment system being configured to. cooperate with at least one motor and at least the tank of the floating structure.
  • the floating structure can be an LNG carrier but it can also be a vessel whose tank is a tank to contain the LNG and feed the vessel's engine (s).
  • the engine may, by way of example, be a propulsion engine for the floating structure and / or an engine for at least one on-board equipment.
  • treatment is meant heating and / or cooling, respectively intended to cause evaporation or condensation of natural gas.
  • the natural gas treatment system thus comprises at least the refrigerant circuit, forming a closed circuit of the refrigerant fluid, and at least a plurality of lines and / or installation (s) ensuring the circulation or treatment of natural gas. , in particular between the tank and the engine, and the heat exchanges between said natural gas and the refrigerant fluid circulating in the refrigerant circuit.
  • the treatment system comprises at least one line for withdrawing natural gas in the gaseous state present in the tank, the first heat exchanger being the seat of a heat exchange between this natural gas in the gaseous state and the refrigerant.
  • the sampling line opens onto the gas overhead of the tank.
  • natural gas in the gaseous state circulates in the second pass of the first heat exchanger, this natural gas then having a temperature above -160 ° C, more particularly between -120 ° C and 45 ° C.
  • the sampling line takes the evaporated natural gas from the top of the vessel, that is to say around an upper wall of the vessel. Such sampling of natural gas in the gaseous state can be carried out continuously or selectively, the sampling line then comprising at least one valve for controlling the sampling of natural gas in the gaseous state.
  • the natural gas in the gaseous state taken can then be sent to the second pass of the first heat exchanger, so as to exchange heat with the circulating refrigerant fluid. in the first pass of the first heat exchanger, then to at least the motor of the floating structure.
  • the pressure and temperature of natural gas in the gaseous state is thus made compatible with the needs of the engine or engines of the floating structure.
  • At least the sampling line and the second pass of the first heat exchanger are thus included in a circuit for supplying at least the engine with natural gas as fuel, said supply circuit being included in the treatment system. .
  • the compressor of the refrigerant circuit can be configured to compress the natural gas stored in at least the tank.
  • the compressor installed in the refrigerant circuit is configured to compress natural gas in the gaseous state used as fuel for at least the engine of the floating structure, for example the propulsion engine of the floating structure.
  • the compressor of the refrigerant circuit can make it possible to compress the liquefied natural gas in the gaseous state or the refrigerant fluid, depending on whether 'it is used to circulate and compress the refrigerant or to supply the engine with liquefied natural gas.
  • Such an arrangement is implemented in particular for security purposes.
  • the first compressor can be used in order to '' compress the natural gas instead of the second compressor. The first compressor therefore ensures the redundancy of the second compressor in the event of failure of the latter.
  • the first compressor and / or the second compressor can be preceded and / or succeeded by at least one valve.
  • Such valves allow, on the one hand, the selective supply of the first compressor with natural gas or with refrigerant fluid, and on the other hand, the isolation of said first compressor from the engine, when the first compressor is operating for the refrigerant circuit. , or with respect to the refrigerant circuit, when the first compressor operates to supply at least the engine with natural gas as fuel.
  • the first compressor is subject to particular constraints.
  • the first compressor must be able to compress natural gas from a pressure of the order of atmospheric pressure to a pressure of approximately 13 bars.
  • the compressor in order to be able to compress the natural gas or the refrigerant fluid, the compressor preferably has a compression ratio of at least 13 ⁇ 20% and a flow rate of 5000 m 3 / h + 10%.
  • the first compressor is particularly suitable in order to ensure the compression of natural gas and may, by way of example, be similar to the second compressor.
  • the refrigerant fluid according to the invention is particularly optimized in order to reduce the power required for the first compressor to compress said refrigerant fluid.
  • the treatment system may include a sub-cooling installation and / or a natural gas condensing installation.
  • sub-cooling installation means an installation configured to cool natural gas in the liquid state to a temperature below -160 ° C, such a phenomenon being implemented in particular by heat exchange with the refrigerant circulating in the air. within the refrigerant circuit, the composition of which is suitable for this purpose.
  • the treatment system can comprise at least one pipe for taking off the natural gas in the liquid state present in the tank, the second heat exchanger being the seat of a heat exchange between this natural gas at the same time. liquid state and refrigerant.
  • the bleed line can be configured to supply the processing system sub-cooling facility with natural gas.
  • the natural gas in the liquid state taken from the tank is then sent to the second heat exchanger, more particularly to the second pass of the second exchanger, so as to exchange heat with the refrigerant circulating in the heat exchanger.
  • second portion of the circuit in particular in the first pass of the first heat exchanger.
  • the sampling line extends at least partially into the tank but in such a way that it is in contact with the liquid part of natural gas stored in the tank.
  • the sampling line can include at least one pump.
  • said pump is at least partially immersed in liquefied natural gas.
  • condensation installation of the treatment system is understood to mean an installation configured to ensure, by heat exchange, the passage to the liquid state of natural gas initially in the gaseous state, for example the BOG resulting from natural evaporation. natural gas in the tank.
  • the condensing plant can be configured to ensure the condensation of natural gas in the gaseous state previously taken off to be used as fuel for at least the engine of the floating structure. In other words, it is natural gas in a gaseous state flowing through the supply circuit of at least the engine of the processing system.
  • the treatment system may comprise a natural gas return line through which a flow of surplus natural gas flows, the treatment system comprising a third heat exchanger which is the seat of a heat exchange between this excess natural gas and the natural gas in the liquid state coming from the tank.
  • the natural gas in the liquid state from the vessel comes from the second heat exchanger.
  • liquid natural gas from the vessel flows successively through the second heat exchanger and then into the third heat exchanger, where it exchanges calories with the excess natural gas.
  • the return line can also be part of the condensing installation in that it participates in the condensing function by returning the condensed natural gas to the tank.
  • the term “excess natural gas” means a portion of the gaseous natural gas withdrawn by the sampling line and compressed, with a view to supplying at least the engine with natural gas in the gaseous state as fuel, but not used. by said motor.
  • the excess natural gas has a pressure of 13 bars or less.
  • the return line can take excess natural gas between the second compressor, or the first compressor, and the floating structure motor.
  • the return line of the treatment system can bring the excess natural gas to the third heat exchanger so that it transmits its calories, that is to say that it captures the cold, liquid natural gas y also circulating.
  • this liquid natural gas may have previously been sub-cooled by heat exchange with the refrigerant, so that the natural gas is sent to a first pass of the third heat exchanger, while the excess natural gas is fed. up to a second pass from the third heat exchanger through the return line.
  • the liquefied natural gas treatment system stored in at least the tank of the floating structure can combine the refrigerant circuit with the sub-cooling installation and / or the natural gas condensing installation.
  • the invention also relates to a floating structure comprising at least one tank intended for the transport or storage of liquefied natural gas, the floating structure comprising at least one motor of the floating structure and at least one treatment system as described above. , the engine being configured to be powered by natural gas in the gaseous state circulating at least in part in the treatment system.
  • the present invention also relates to a system for loading or unloading a liquefied natural gas which combines at least one means on land and at least the floating structure for the transport of liquefied natural gas comprising at least the tank.
  • the invention relates to a process for loading or unloading a liquefied natural gas from the tank of the floating liquefied natural gas transport structure as described above.
  • FIG 1 shows schematically a treatment system for liquefied natural gas stored in a tank of a floating structure for the transport or storage of said natural gas;
  • FIG 2 shows an alternative of the natural gas treatment system illustrated in Figure 1;
  • FIG 3 shows the natural gas treatment system in a first mode of operation
  • FIG 4 shows the natural gas treatment system implementing an emergency operating mode, alternative to the first operating mode illustrated in Figure 3;
  • FIG 5 shows the natural gas treatment system in a second mode of operation
  • FIG 6 is a cut-away schematic representation of the tank of a floating structure and of a terminal for loading and / or unloading this tank.
  • FIG. 1 represents a treatment system 1 of a natural gas used as fuel for an engine 2 of a floating structure for the transport and / or storage of said natural gas.
  • the treatment system 1 is configured to cooperate with at least the engine 2 and at least one tank 3 for storing said natural gas in liquefied form of the floating structure, the treatment system 1 thus ensuring the supply of at least the engine 2 with natural gas coming from tank 3.
  • the treatment system 1 comprises at least one refrigerant circuit 4 and a circuit 5 for supplying fuel to at least engine 2.
  • the engine 2 can be a propulsion engine for the floating structure and / or a power supply engine for at least one on-board item of equipment.
  • the treatment system 1, in particular the fuel supply circuit 5, is used to heat the natural gas in the state gas which comes from the tank and to raise the pressure so as to put said natural gas under pressure and temperature conditions compatible with the needs of the engine 2.
  • the treatment system 1 can comprise at least one condensation installation 6 and / or a sub-cooling installation 14 for natural gas fitted out within the treatment system 1 in order to carry out at least one heat exchange, for example with the refrigerant circuit 4.
  • the condensing plant 6 and the subcooling plant 14 can be used independently or in combination with each other. They ensure, according to the needs for natural gas in the gaseous state of the engine 2, the treatment of at least part of the natural gas taken from the tank 3, in particular in order to ensure the condensation of gaseous natural gas or the sub- cooling of a liquid portion of natural gas.
  • the refrigerant circuit 4 consists of a unit capable of transferring thermal energy at cryogenic temperatures close to the storage temperature of natural gas when it is liquefied.
  • the liquefied natural gas concerned essentially comprises methane and exhibits a change of state temperature, from the gaseous state to the liquid state, of approximately -163 ° C.
  • the refrigerant fluid circuit 4 is a closed circuit within which a refrigerant fluid circulates.
  • the refrigerant fluid circuit 4 successively comprises at least one compressor 7, called first compressor 71, a first heat exchanger 8, expansion means 9, for example a Joule-Thomson valve, and a second heat exchanger 10.
  • the refrigerant fluid circuit 4 comprises at least a first portion 151 which extends between an outlet of the first compressor 71 and the expansion means 9 and in which the refrigerant fluid circulates at high pressure, between 18 and 36 bars.
  • the first portion 151 of the refrigerant fluid circuit 4 constitutes a cold reception zone. It comprises for this purpose at least a first pass 81 of the first heat exchanger 8, arranged between the compressor 7 and the expansion means 9.
  • the refrigerant fluid circuit 4 comprises at least one second portion 152, included between an outlet of the expansion means 9 and the first compressor 71, within which the refrigerant fluid circulates at low pressure, for example at a pressure of the order of from 1.2 to 2.5 bars.
  • the second portion 152 of the refrigerant circuit is intended for the transmission of cold. It comprises at least a first pass 101 of the second heat exchanger 10 arranged between the expansion means 9 and the compressor 7.
  • the refrigerant fluid circulating within the refrigerant fluid circuit 4 is first compressed by the compressor 7, then circulates in the first pass 81 of the first heat exchanger 8 which functions as a condenser of the refrigerant fluid and in which the refrigerant gives up calories.
  • the refrigerant is then expanded in the expansion means 9 before being sent to the first pass 101 of the second heat exchanger 10, functioning as a vaporizer, where it captures calories, and then returns to the compressor 7.
  • the composition of the refrigerant fluid according to the invention is particularly suitable for use at cryogenic temperature for heat exchanges with natural gas comprising essentially methane, that is to say, the liquefaction temperature of which is of the order of from -163 ° C.
  • the refrigerant thus exhibits a state change temperature from gaseous to liquid state of between -160 and 20 ° C, when the refrigerant is subjected to a pressure of between 18 and 36 bars.
  • the refrigerant has a state change temperature from liquid to gaseous state of -183 to -50 ° C, when the refrigerant is subjected to a pressure in the range of 1.2 to 2.5 bar.
  • the refrigerant fluid according to the present invention is also non-corrosive and non-toxic.
  • the refrigerant fluid according to the invention is configured to allow at least one heat exchange with the natural gas circulating in the treatment system 1.
  • the refrigerant fluid is configured to heat the natural gas circulating in the fuel supply circuit 5. at least the engine so as to bring said natural gas to a temperature compatible with the engine.
  • the first heat exchanger 8 is the seat of a heat exchange between the refrigerant fluid and this natural gas intended for supplying at least the engine 2.
  • the treatment system 1 can be configured to put in operation. operates at least a second heat exchange, for example between the refrigerant fluid leaving the first heat exchanger, cooled, and natural gas in the liquid state circulating in the sub-cooling installation 14 for natural gas, at temperatures of around -170 ° C.
  • the refrigerant is thus particularly suitable for the treatment system 1 in that it does not freeze at temperatures below -160 ° C at atmospheric pressure.
  • the refrigerant fluid circulating in the refrigerant fluid circuit 4 comprises at least one inert gas, more particularly dinitrogen and / or argon, the function of which is to ensure the change of state of natural gas at cryogenic temperatures lower than the liquefaction temperature of natural gas at atmospheric pressure.
  • the refrigerant also comprises a mixture of hydrocarbons among methane, ethane and / or ethylene and / or propane and or propylene and / or butane.
  • Methane and ethane and / or ethylene are particularly suitable for heat exchanges carried out with natural gas in the gaseous state, for example with BOG, from the acronym for “Boil-off gas”, that is to say the natural gas in the gaseous state resulting from the natural evaporation of the natural gas in the tank 3 which has a temperature between -140 and -90 ° C.
  • the refrigerant fluid can be produced at low cost since some of the compounds of said refrigerant fluid are available in large quantities within the floating structure, the various hydrocarbons making up in particular the natural gas stored in tank 3.
  • the refrigerant fluid comprises at least 70-85 mol% of methane and dinitrogen and / or argon. It can be produced according to three types of distinct compositions:
  • the coolant comprises 25 to 35 mol% of dinitrogen and a mixture of hydrocarbons chosen from less ethane and / or propane and / or butane and / or ethylene and / or propylene,
  • the coolant comprises 35 to 50 mol% of argon and a suitable mixture of hydrocarbons, this mixture possibly being distinct or identical to that of the first embodiment,
  • the refrigerant fluid comprises 35 to 50 mol% of a mixture of dinitrogen and argon as well as a mixture of hydrocarbons, this mixture possibly being distinct or identical to that of the first embodiment or of the second embodiment.
  • the refrigerant regardless of its embodiment, can comprise 5 to 19 mol% of ethane and / or ethylene. Additionally, the refrigerant fluid can include up to 15% propane or butane, the latter promoting the heat exchanges achieved with the BOG, that is to say at higher temperatures.
  • the latter may comprise at least dinitrogen, methane, ethane and / or ethylene and propane and / or propylene, the refrigerant fluid then having , preferably, a ratio of methane and nitrogen of between 1: 1 and 9: 5.
  • the refrigerant fluid according to the first embodiment can comprise at least dinitrogen, methane, ethane and / or ethylene and butane, the refrigerant then preferably having a ratio of methane and dinitrogen included. between 4: 5 and 7: 5.
  • such refrigerant fluids have a molar mass of 24 g / mol +2 g / mol.
  • the latter may comprise at least argon, methane, ethane and / or ethylene, butane and / or propane and / or propylene, the refrigerant then preferably having a methane and argon ratio of between 3: 5 and 6: 5.
  • said refrigerant may have a molar mass of the order of 31 g / mol + 3 g / mol.
  • the refrigerant fluid may comprise at least dinitrogen and argon, methane, ethane and / or ethylene, as well as butane and / or propane and / or propylene, the refrigerant then preferably has a ratio of methane and argon and dinitrogen between 1: 2 and 13:10. Additionally, said refrigerant may have a molar mass of the order of 30 g / mol + 3g / mol.
  • Table 1 illustrates, without limitation, various examples of the composition of the refrigerant fluid, Examples 1 to 8 being representative of the first embodiment of the refrigerant fluid, and Examples 9 and 10 being representative of the second embodiment and the third embodiment. embodiment respectively.
  • the refrigerant fluid circulating in the refrigerant fluid circuit 4 is intended to be in the gaseous state or in a two-phase gas-liquid state.
  • the refrigerant fluid is essentially in the gaseous state in the compressor 7 and within the first portion 151 of the refrigerant fluid circuit 4, while it is in the two-phase state at the outlet of the means of expansion 9 and in particular between the expansion means 9 and the second heat exchanger 10. It follows that within the refrigerant circuit 4, the refrigerant can be brought to cryogenic temperatures, in particular to lower temperatures at -170 ° C, for example, at the outlet of the expansion means 9, but also be raised to temperatures of around 45 ° C, for example at the outlet of the compressor 7.
  • the first heat exchanger 8 allows an exchange of calories between the refrigerant fluid circulating at a temperature between 20 and 45 ° C in the first pass 81 of the first heat exchanger 8, and natural gas in the gaseous state which circulates through a second pass 82 of the first heat exchanger 8, included in the supply circuit 5, having a lower temperature, for example between -140 and -90 ° C.
  • the refrigerant circulating in the first pass 81 hotter than the natural gas, then transmits calories to the natural gas and receives the cold, thus ensuring the heating, and more precisely the heating, of said natural gas circulating in the supply circuit. engine fuel 2.
  • the refrigerant entering the first pass 101 at a temperature between -180 and -168 ° C, can heat exchange with natural gas in the liquid state which circulates in a second pass 102 of the second heat exchanger 10, in particular included in the sub-cooling installation 14 for natural gas and having a temperature of the order of -160 ° C.
  • the refrigerant fluid passes, for example, from a temperature of about -178 ° C after the expansion means 9 to a temperature of about -172 ° C at the outlet of the second heat exchanger 10.
  • the treatment system 1 can be made to include a combined heat exchanger 11 which replaces the first heat exchanger 8 and the second heat exchanger 10, the heat exchanger.
  • combined heat 11 comprising a first pass 111, a second pass 112, a third pass 113 and a fourth pass 114 respectively incorporating the previously described characteristics relating to the second pass of the first heat exchanger, to the first pass of the first heat exchanger, to the first pass of the second heat exchanger and to the second pass of the second heat exchanger described in FIG. 1.
  • the second pass 112 and the third pass of the combined heat exchanger 11 exchange calories with each other so that the refrigerant circulating in the second pass 112 of the combined heat exchanger 11 transmits calories to the heat exchanger.
  • the second pass 112 and the third pass 113 thus form an internal exchanger integrated into the combined heat exchanger 11.
  • the refrigerant circuit 4 is centrally integrated in the treatment system 1 of the natural gas transported and stored in the tank. 3 of the floating structure so as to allow heat exchange between the refrigerant fluid circulating in the refrigerant fluid circuit 4 on the one hand and natural gas from the tank 3 circulating in the fuel supply circuit 5 and / or in the sub-cooling installation 14 on the other hand.
  • the refrigerant fluid leaving the first compressor 71 is thus engaged in at least two heat exchanges, the first taking place within the first portion 151 and inducing its cooling, upstream of the expansion means 9, so as to cause the heating of the gas. natural gas circulating in the treatment system 1, and the second taking place in the second portion 152 of the refrigerant circuit and inducing the heating of the refrigerant fluid in order to allow the cooling, and more particularly the sub-cooling, of the natural gas circulating in the sub-cooling installation 14.
  • FIGS. 3 to 5 illustrate different operating modes of the treatment system 1 which can be implemented according to the needs of the floating structure. These different operating modes will be described with reference to the processing system 1 as illustrated in FIG. 1, it is nevertheless understood that these can be transposed to the processing system 1 produced according to the alternative configuration previously described with reference to FIG. 2, that is, in which the treatment system comprises the combined heat exchanger.
  • FIG. 1 illustrates different operating modes of the treatment system 1 which can be implemented according to the needs of the floating structure.
  • FIG. 3 particularly illustrates the operating mode of the treatment system 1 when it allows the supply of the motor 2 of the floating structure with natural gas in the gaseous state coming from the head of the vessel 3.
  • Such an operating mode can be implemented when the needs of the motor 2 of the floating structure are approximately equal to the quantity of BOG naturally produced within the tank 3.
  • the BOG is taken by a sampling line 51 of the engine fuel supply circuit and is routed from the tank 3 to at least the engine 2.
  • the extraction of natural gas in the state gas can be controlled, by way of example, by a pressure sensor, not shown, fitted in the tank 3 in order to measure the pressure of BOG in the tank 3 and to detect an overshoot of a predetermined pressure threshold. beyond which it is necessary to evacuate natural gas in the gaseous state, for example in order to prevent any damage to the tank 3.
  • the sampling line 51 of the supply circuit 5 brings the natural gas in the gaseous state, or BOG, taken at a temperature between -140 ° C and -90 ° C, for example from the order of -120 ° C, towards the second pass 82 of the first heat exchanger 8.
  • BOG gaseous state
  • the natural gas in the gaseous state which circulates in the second pass 82 of the first heat exchanger 8 captures the calories of the refrigerant fluid circulating in the first pass 81 of the first heat exchanger 8.
  • the gaseous natural gas is thus heated and leaves the first heat exchanger 8 at a temperature between 20 and 45 ° C, for be brought to a second compressor 72 of the treatment system 1, separate from the first compressor 71 included in the refrigerant circuit. Passing the gaseous natural gas through the first heat exchanger and the second compressor 72 successively thus makes it possible to bring the natural gas to a temperature compatible with its use as fuel for at least the engine of the floating structure.
  • the second compressor 72 has, for example, a compression ratio of 13 and a flow rate of about 5000 m 3 / h.
  • the natural gas in the gaseous state once compressed, has a temperature of the order of 43 ° C and can be sent to at least the engine 2 of the floating structure, for example the propulsion engine 2 or the engine. 2 of on-board equipment, via at least one supply line 53 of the supply circuit 5.
  • the composition of the coolant is thus particularly suitable for heating the natural gas circulating in the fuel supply circuit 5 of at least the engine.
  • the refrigerant fluid leaving the first exchanger 8 then passes through the expansion means 9 and is then brought into the second heat exchanger 10.
  • this second heat exchanger is used as a vaporizer of the refrigerant fluid and is the seat of an exchange of calories between the refrigerant fluid, circulating in the first pass 101 of the second heat exchanger, and the natural gas taken. in the liquid state in the tank 3, circulating in the second pass 102 of the second heat exchanger 10, so as to allow the cooling of at least a portion of the natural gas.
  • the calories transferred by the refrigerant fluid in the first heat exchanger 8 in other words the cryogenic energy generated by the refrigerant circuit as a result of the exchange of calories implemented in the first heat exchanger 8, can be used to sub-cool a portion of natural gas taken in liquid state from tank 3 to a temperature which may be of the order of -170 ° C.
  • the treatment system 1 can thus simultaneously ensure the supply of at least the engine 2 with gaseous natural gas as fuel via the supply circuit 5 and the operation of the installation. subcooling 14.
  • the sub-cooling installation 14 of the treatment system 1 comprises a pipe 61 for withdrawing natural gas in the liquid state.
  • the sampling line 61 is submerged so as to take the natural gas in the liquid state.
  • the sampling line 61 may include a pump 54, for example a submersible pump.
  • the sampling of natural gas in the liquid state can be controlled by at least one sampling valve 64 fitted on the sampling pipe 61, upstream of the second heat exchanger 10.
  • the sampling line 61 brings the natural gas in the liquid state at the level of the second heat exchanger 10, in the second pass 102 of said second heat exchanger 10.
  • natural gas in the liquid state may have, depending on its composition, a temperature less than or equal to -159 ° C.
  • the sub-cooled natural gas is then reinjected via a reinjection line 63 into the gas storage tank 3 natural, particularly in a lower portion of the tank 3, thus forming a cold storage layer 145 that can be reused later.
  • FIG. 4 represents an alternative operating mode, particularly a back-up system of the supply circuit 5 of the treatment system 1, which can be implemented in the event of failure of the second compressor 72 of the supply circuit 5.
  • the compressor 7 of the refrigerant circuit 4, or first compressor 71 can be configured to compress the gaseous natural gas taken by the sampling line 51 and intended to supply at least the engine 2 with gas natural in the gaseous state, as a fuel.
  • Such a redundancy of the compressors 7 supplying at least the motor 2 of the floating structure is implemented for safety purposes, so that in the event of failure of the second compressor 72, the supply of the motor 2 with natural gas compressed gas can still be done.
  • the first compressor 71 can be similar to the second compressor 72, that is to say that it is subjected to various stresses linked to its function of compressing natural gas in addition to its function of compressing the fluid. refrigerant.
  • the first compressor 71 has, for example, a compression ratio of 13 and a flow rate of about 5000 m 3 / h.
  • the composition of the refrigerant fluid is particularly suitable and optimized in order to minimize the consumption of the first compressor 71, configured to compress the refrigerant fluid or the natural gas.
  • the inlet of the first compressor 71 is connected on the one hand to the first pass 101 of the second heat exchanger 10, included in the refrigerant fluid circuit 4, and on the other hand at an outlet of the second pass 82 of the first heat exchanger 8, in which natural gas circulates.
  • the connection between the outlet of the second pass 82 of the first heat exchanger 8 and the first compressor 71 is made through an alternative line 52.
  • the first compressor 71 like the second compressor 72 are also preceded by at least an isolation valve 12 intended to control.
  • at least a first isolation valve 121 can be arranged upstream and / or downstream of the first compressor 71, for example in the reciprocating line 52.
  • the refrigerant circuit 4 can be arranged. comprise at least one stop valve 45, also arranged upstream of the first compressor 71.
  • FIG. 5 shows the treatment system 1 when the condensing plant 6 is implemented.
  • This second operating mode can in particular be used when too large a quantity of BOG is produced in relation to the needs of the motor 2. This is particularly the case, for example, when the speed of movement of the floating structure is low. .
  • part of the natural gas in the gaseous state, or BOG which has been sent to the fuel supply circuit 5 and which is not used by the engine 2 of the floating structure, is then taken and sent to the condensation installation 6 with a view to its liquefaction and then to its reinjection into the tank 3.
  • This portion of natural gas sent to the condensation installation 6 will be referred to below as excess natural gas.
  • the excess natural gas is taken from the supply circuit 5 of the treatment system 1 by a return line 62 of the condensing installation 6.
  • the return line 62 can take out the excess natural gas between the second. compressor 72 and at least the motor 2 of the floating structure, the excess natural gas then being compressed and having a temperature between 20 and 45 ° C and a pressure less than or equal to 13 bars.
  • This puncture can be carried out selectively, and can, for example, be controlled by a puncture valve 65 arranged on the return line 62.
  • the condensation installation comprises a third heat exchanger 13 which is configured to ensure an exchange of calories between the excess natural gas, circulating in a second pass 132 of the third heat exchanger 13, and natural gas in the state. liquid, circulating in a first pass 131 of the third heat exchanger 13, coming from the tank 3.
  • the liquid natural gas circulating in the first pass 131 of the third heat exchanger 13 can be the natural gas coming from the second heat exchanger 10, that is to say the natural gas circulating in the sub-cooling installation. 14, sub-cooled by heat exchange with the refrigerant fluid in the second heat exchanger 10.
  • This sub-cooled natural gas can in particular exit from the second heat exchanger 10 while exhibiting a temperature of between -165 and -172 ° C.
  • the natural gas in the liquid state circulating in the first pass 131 of the third heat exchanger can be taken from the tank 3 to be directly fed to the third heat exchanger 13.
  • the excess natural gas flow is thus brought to the second pass 132 of the third heat exchanger 13 of the treatment system 1 in order to be cooled and re-liquefied before being reinjected into the tank 3.
  • the liquefaction of the excess natural gas presenting a temperature of the order of 43 ° C is ensured by heat exchange with liquid natural gas or natural gas sub-cooled by the sub-cooling installation 14.
  • This sub-cooled natural gas, colder than gas excess natural gas circulating in the second pass 132 of the third heat exchanger 13, then captures the calories of the latter, thus cooling the excess natural gas and causing its condensation.
  • the natural gas in the liquid state circulating in the first pass 131 of the third heat exchanger has a temperature of about -152 ° C
  • the condensed natural gas circulating in the second pass 132 of this same third heat exchanger 13 has a temperature of about -158 ° C.
  • the outlets of the passes of the third heat exchanger 13 are connected to the reinjection pipe 63 in order to allow the mixing and then the reintroduction of natural gas in the liquid state and of the recondensed natural gas, also liquid, in the tank 3.
  • This reinjection step can be carried out selectively, for example by means of a reinjection valve 66 arranged on the reinjection line 63. Similar to the reinjection of the sub-cooled natural gas previously described, the reinjection line 63 can be used. expand into tank 3 so as to deliver liquid natural gas to the vicinity of the bottom of tank 3.
  • the refrigerant circuit 4 is indirectly involved with the condensation installation 14 , the fluid circuit refrigerant 4 being, as previously explained, used to sub-cool the liquid natural gas withdrawn by the withdrawal line 61 and used to collect the calories from the excess natural gas. Liquefaction is thus more efficient because the temperature of the liquid natural gas which passes through the first pass 131 of the third exchanger 13 is particularly low, and in particular lower than the temperature of the natural gas stored in the liquid state in the tank 3.
  • the refrigerant circuit 4, the fuel supply circuit 5, the subcooling installation 14 and the condensing installation 6 thus cooperate directly or indirectly with each other within the treatment system 1, d '' on the one hand in order to ensure the heating of the natural gas in the gaseous state, intended to supply at least the engine 2 of the floating structure, on the other hand in order to ensure the sub-cooling and the storage of liquid natural gas and finally to ensure the condensation and reinjection of gaseous natural gas when it is present in excess quantity.
  • FIG. 6 is a cut-away representation of the floating structure 15 which shows the natural gas storage tank 3 mounted in a double hull 16 of the floating structure 15 formed by a set of at least one waterproofing membrane.
  • primary a secondary waterproofing membrane, arranged between the primary waterproofing membrane and the double shell 16 of the floating structure 15, and two insulating barriers, respectively arranged between the primary waterproofing membrane and the secondary waterproofing membrane and between the secondary waterproofing membrane and the double shell 16.
  • Pipes 17 for loading and / or unloading arranged on the upper deck of the floating structure 15 can be connected, by means of suitable connectors, to a marine or port terminal 18 in order to transfer the natural gas cargo to the state. liquid from or to the tank 3.
  • the present invention provides a refrigerant fluid intended to circulate in a refrigerant fluid circuit of a natural gas treatment system, the refrigerant fluid having a composition particularly suitable for exchanging heat at temperatures cryogenic with said liquefied natural gas stored and taken from at least one tank of a floating structure.
  • the refrigerant fluid according to the invention thus aims to optimize any heat exchange carried out with natural gas but also to minimize the consumption of a compressor of the treatment system configured to compress said refrigerant fluid or the natural gas coming from the tank.
  • the present invention also relates to the refrigerant fluid circuit comprising said refrigerant fluid as well as the treatment system integrating said refrigerant fluid circuit.
  • the invention cannot however be limited to the means and configurations described and illustrated here, and it also extends to any equivalent means or configuration and to any technical combination operating such means.
  • the number of heat exchangers can be modified, the various heat exchangers being able in particular to be brought together in order to reduce the number, insofar as the treatment system, in fine, fulfills the same functions as those described. in this document.

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Abstract

Fluide réfrigérant destiné à circuler dans un circuit de fluide réfrigérant (4) d'un système de traitement (1) de gaz naturel, le fluide réfrigérant étant configuré pour échanger thermiquement avec un gaz naturel liquéfié stocké dans au moins une cuve (3) d'un ouvrage flottant (15), le fluide réfrigérant comprenant 25 à 35 %mol de diazote ou 35 à 50 %mol d'argon ou 40 à 50% mol d'un mélange de diazote et d'argon et, 35 à 55 %mol de méthane, ledit fluide réfrigérant présentant une proportion de méthane et de diazote et/ou d'argon comprise entre 70 et 85 %mol du fluide réfrigérant, le reste étant un mélange d'hydrocarbures composé au moins d'éthane, de propane et/ou de butane et/ou d'éthylène et/ou de propylène.

Description

Description
Titre : Fluide réfrigérant destiné à un circuit de fluide réfrigérant d’un système de traitement de gaz naturel
La présente invention concerne le domaine des ouvrages flottants dont au moins un moteur est alimenté par du gaz naturel et qui permettent en outre de contenir ou transporter du gaz naturel liquéfié. Elle concerne plus particulièrement un fluide réfrigérant destiné à un système de traitement du gaz naturel utilisé en tant que carburant du ou des moteurs de l’ouvrage flottant.
Afin de transporter et/ ou de stocker plus facilement du gaz, tel que du gaz naturel, sur de longues distances, le gaz est généralement liquéfié en le refroidissant à des températures cryogéniques, par exemple -163°C à la pression atmosphérique, afin d’obtenir du gaz naturel liquéfié, communément connu sous l’acronyme « GNL », ou encore « LNG » pour « Liquefled Natural Gas ». Ce gaz naturel liquéfié est ensuite chargé dans des cuves de stockages spécialisées de l’ouvrage flottant.
De telles cuves ne sont néanmoins jamais parfaitement isolées thermiquement de sorte qu’une évaporation naturelle du gaz est inévitable, ce phénomène étant appelé BOG, acronyme de l’anglais Boil-Off Gas. Les cuves de stockage de l’ouvrage flottant comprennent ainsi à la fois du gaz naturel sous une forme liquide et du gaz naturel sous forme gazeuse, le gaz naturel à l’état gazeux formant le ciel de cuve.
De façon connue, au moins une partie du gaz naturel présent dans la cuve sous forme gazeuse peut être utilisée pour alimenter un moteur prévu pour pourvoir aux besoins énergétiques de fonctionnement de l’ouvrage flottant, notamment pour sa propulsion et/ ou sa production d'électricité pour les équipements de bord. A cet effet, il est notamment connu de faire circuler le gaz naturel à l’état gazeux au travers d’au moins un système de traitement du gaz naturel, de manière à permettre son réchauffement, ledit système comprenant un échangeur de chaleur utilisé comme surchauffeur et un compresseur, tous deux placés en amont du moteur.
Il est également connu de configurer le système de traitement du gaz naturel de sorte qu’il puisse permettre la condensation de la partie prélevée du gaz naturel à l’état gazeux. La condensation du gaz naturel peut notamment être requise lorsque la quantité de gaz naturel évaporé dans la cuve est trop importante par rapport aux besoins énergétiques de fonctionnement de l’ouvrage flottant, le système de traitement du gaz naturel permet alors de condenser le gaz naturel évaporé présent dans la cuve afin de l’y renvoyer à l’état liquide. Un tel système de liquéfaction peut notamment être mis en œuvre lorsque l’ouvrage flottant est à l’arrêt et que la consommation de gaz naturel gazeux par son ou ses moteurs est nulle, ou quasiment nulle. De tels systèmes de traitement du gaz naturel impliquent le réchauffement et/ ou la condensation du gaz naturel par échange thermique avec un fluide réfrigérant circulant à travers au moins un circuit de fluide réfrigérant dédié.
Ce fluide réfrigérant, de par sa mise en œuvre au sein d’ouvrages flottants destiné au transport ou au stockage de gaz naturel, sont soumis à de nombreuses contraintes. Notamment, il est essentiel que le fluide réfrigérant présente une température de changement d’état comprise entre -200 et 15 °C à pression atmosphérique. Egalement, il est essentiel que le fluide réfrigérant ne soit pas corrosif ou toxique. Le fluide réfrigérant doit également être dépourvu de composés comburants et de composés interdits par les régulations environnementales, tels que les chlorofluorocarbures, ou « CFC », les perfluorocarbures, ou « PFC » et les hydrofluorocarbures, ou « HCFC ».
La présente invention s’inscrit dans ce contexte et vise à proposer un nouveau fluide réfrigérant optimisé pour opérer aux températures cryogéniques de changement d’état du gaz naturel, notamment d’un gaz naturel comprenant essentiellement du méthane, en étant particulièrement configuré pour permettre un sous-refroidissement du gaz naturel et également un chauffage de celui-ci. En d’autres termes, le fluide réfrigérant doit être capable de passer d’un état diphasique à un état gazeux de manière à refroidir le GNL à l’état liquide en dessous de sa température de liquéfaction à pression atmosphérique, soit -163°C. Ce même fluide réfrigérant est également configuré pour passer d’un état gazeux à un état liquide, provoquant ainsi un réchauffement du BOG de manière à ce que ce dernier soit réchauffé pour alimenter un consommateur sur l’ouvrage flottant.
Un autre but de la présente invention est de proposer un fluide réfrigérant de faible coût et dont les composés sont disponibles en large quantité sur l’ouvrage flottant, tout en optimisant l’efficacité thermique dudit fluide réfrigérant au sein du système de traitement du gaz naturel.
La présente invention concerne un fluide réfrigérant destiné à circuler dans un circuit de fluide réfrigérant et configuré pour échanger thermiquement avec un gaz naturel liquéfié stocké dans au moins une cuve d’un ouvrage flottant, le fluide réfrigérant comprenant :
25 à 35 %mol de diazote ou 35 à 50 %mol d’argon ou 35 à 50 %mol d’un mélange de diazote et d’argon et,
35 à 55 %mol de méthane ; ledit fluide réfrigérant présentant une proportion de méthane et de diazote et/ ou d’argon comprise entre 70 et 85 %mol du fluide réfrigérant, le reste comprenant un mélange d’hydrocarbures composé au moins d’éthane et/ ou de propane et/ ou de butane et/ ou d’éthylène et/ ou de propylène.
De manière avantageuse, l’intégralité du reste évoqué ci-dessus comprend au moins de l’éthane et/ ou de l’éthylène et/ ou du propane et/ ou du propylène et/ ou du butane.
Il faut comprendre ici, ainsi que dans tout ce qui suit, que butane désigne aussi bien le n-butane que le 2-méthylpropane.
Il est entendu que, dans l’ensemble du présent document, la composition totale du fluide réfrigérant comprend 100 %mol.
Le fluide réfrigérant selon la présente invention est adapté aux différentes contraintes exposées ci-dessus, en particulier les contraintes relatives au chauffage du gaz pour le délivrer au consommateur et celle relative à la température du gaz prélevé à l’état liquide dans la cuve.
Plus précisément, au sein du circuit de fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant selon l’invention subit un cycle frigorifique c’est-à-dire qu’on provoque les changements d'état du fluide réfrigérant en différent point du circuit. Ainsi, le fluide réfrigérant pourra, au niveau d’un évaporateur du circuit, aussi prendre des calories à du gaz naturel liquéfié issu de la cuve de stockage. Le fluide réfrigérant cède aussi des calories, au niveau d’un condenseur du circuit, à du gaz naturel en phase vapeur, c’est-à-dire au BOG, issue de la cuve de stockage. Avant d’entrer dans le condenseur, le fluide réfrigérant passe par un détendeur de manière à le refroidir voire à le sous refroidir pour maximiser la fraction liquide après la détente et donc le froid utile qui pourra être transférer lors de son passage dans l’évaporateur. Dans un tel cycle, c’est le BOG qui va apporter le froid pour refroidir le fluide réfrigérant avant la détente. En contrepartie le BOG est réchauffé pour alimenter un consommateur sur l’ouvrage flottant. Dans ce contexte, on comprend, d’une part, que le fluide réfrigérant selon l’invention peut comprendre également de l’éthane et/ ou de l’éthène pour améliorer les échanges thermiques réalisés au niveau de l’évaporateur. D’autre part, le fluide réfrigérant peut comprendre également de l’éthane et/ ou de l’éthène et/ ou du propane et/ ou du propène et/ ou du butane pour améliorer les échanges thermiques réalisés avec le BOG.
Notamment, les différents composés pouvant être mis en œuvre dans le présent fluide réfrigérant présentent, à pression atmosphérique, les températures d’ébullitions suivantes :
- Argon (Ar), diazote (N2) : [-200°C à -180°C] ;
- Méthane (Cl) : [-180°C à -125°C] ;
- Ethane (C2), Ethylène (C2H4) : [-125°C à -75°C]
Propane (C3), Propylène (C3H6), butane (C4) : [-75°C à 15°C]. Avantageusement, le méthane, l’éthane et/ ou l’éthylène, le propane et/ ou le propylène et le butane sont disponibles en large quantité au sein de l’ouvrage flottant et sont notamment stockés sous forme de gaz naturel liquéfié dans la cuve.
Selon une caractéristique de l’invention, le mélange d’hydrocarbures peut comprendre 15 à 30 % d’éthane et/ ou d’éthylène et de propane et/ ou de propylène ou d’éthane et/ ou d’éthylène et de butane. Selon un exemple, ce reste de 15% à 30% peut ainsi comprendre de l’éthane et du propane ou de l’éthylène et du propane. Selon un autre exemple, ce reste de 15% à 30% peut comprendre de l’éthane et du butane ou de l’éthylène et du butane. On comprend dans ce contexte que le mélange d’hydrocarbures, et donc le reste du fluide réfrigérant, peut comprendre 15 à 30 % d’éthane et/ ou d’éthylène et de propane et/ ou de propylène ou que le mélange d’hydrocarbures, et donc le reste du fluide réfrigérant, peut comprendre 15 à 30% d’éthane et/ ou d’éthylène et de butane.
Selon une caractéristique de l’invention, le fluide réfrigérant peut comprendre 5 à 19 %mol d’éthane et/ ou d’éthylène, le reste étant complété par du propane et/ ou du propylène et/ ou du butane.
Selon l’invention, le fluide réfrigérant peut comprendre jusqu’à 15 %mol de propane et/ ou de propylène ou de butane.
Selon une caractéristique de l’invention, le méthane est présent dans le fluide réfrigérant en une quantité strictement supérieure à 40 %mol et inférieure ou égale à 55 %mol. En d’autres termes, le fluide réfrigérant comprend 40 à 55 %mol de méthane, la valeur 40 %mol étant exclue.
Le fluide réfrigérant selon la présente invention peut ainsi être défini selon trois modes de réalisation distincts selon le gaz inerte ou le mélange de gaz inertes qu’il comprend. Notamment, le fluide réfrigérant est réalisé selon un premier mode de réalisation lorsqu’il comprend pour seul gaz inerte du diazote, selon un deuxième mode de réalisation lorsqu’il comprend pour seul gaz inerte de l’argon, et selon un troisième mode de réalisation lorsqu’il comprend un mélange de diazote et d’argon.
Selon le premier mode de réalisation de l’invention, le fluide réfrigérant peut comprendre au moins du diazote, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène et du propane et/ ou du propylène, le fluide réfrigérant présentant un ratio de méthane et de diazote compris entre 1:1 et 9:5. Autrement dit, le fluide réfrigérant peut comprendre au moins autant de méthane que de diazote. Alternativement, le fluide réfrigérant peut comprendre au moins du diazote, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène et du butane, le fluide réfrigérant présentant un ratio de méthane et de diazote compris entre 4:5 et 7:5.
La présence de méthane et du diazote dans le fluide réfrigérant permet d’améliorer les échanges thermiques entre le fluide réfrigérant et le gaz naturel liquéfié au niveau de l’évaporateur.
Selon une caractéristique du premier mode de réalisation, le fluide réfrigérant peut présenter une masse molaire de 24 g/ mol +2 g/ mol.
Selon une caractéristique du premier mode de réalisation, le fluide réfrigérant peut comprendre au moins 30 %mol de diazote, 50 %mol de méthane, 10 %mol d’éthane et 10 %mol de propane.
Selon une caractéristique du premier mode de réalisation, le fluide réfrigérant peut comprendre au moins 35 %mol de diazote, 42 %mol de méthane, 15 %mol d’éthane et 8 %mol de propane.
Selon le deuxième mode de réalisation, le fluide réfrigérant peut comprendre de l’argon, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène, du butane et/ ou du propane et/ ou du propylène, le fluide réfrigérant présentant un ratio de méthane et d’argon compris entre 3:5 et 6:5. De préférence, le fluide réfrigérant selon le présent mode peut comprendre autant de méthane que d’argon.
Selon une caractéristique du deuxième mode de réalisation, le fluide réfrigérant peut présenter une masse molaire de 31 g/mol + 3 g/mol.
Selon le troisième mode de réalisation, le fluide réfrigérant peut comprendre au moins du diazote et de l’argon, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène, ainsi que du butane et/ ou du propane et/ ou du propylène, le fluide réfrigérant présentant un ratio de méthane et d’argon et de diazote compris entre 1:2 et 13:10.
Additionnellement, le fluide réfrigérant selon le troisième mode de réalisation peut présenter une masse molaire de 30 g/ mol ± 3g/ mol.
La présente invention concerne également un circuit de fluide réfrigérant configuré pour échanger thermiquement avec le gaz naturel liquéfié stocké dans au moins la cuve de l’ouvrage flottant, le circuit de fluide réfrigérant contenant, en circuit fermé, le fluide réfrigérant tel que précédemment exposé.
Le circuit de fluide réfrigérant selon l’invention est ainsi utilisé pour permettre des échanges thermiques à températures cryogéniques entre le fluide réfrigérant et au moins le gaz naturel liquéfié, ce dernier pouvant être à l’état gazeux et/ ou à l’état liquide. On entend par « cryogénique » une température inférieure à -40°C, voire inférieure à -90°C, et de préférence inférieure à -160°C.
Le fluide réfrigérant tel que précédemment exposé est ainsi particulièrement adapté afin d’optimiser l’efficacité de tels échanges thermiques, à températures cryogéniques, entre le circuit de fluide réfrigérant et le gaz naturel.
Selon la présente invention, le circuit de fluide réfrigérant comprend au moins : un compresseur configuré pour compresser le fluide réfrigérant, un premier échangeur de chaleur, utilisé comme condenseur, parcouru par le fluide réfrigérant et configuré pour être parcouru par le gaz naturel, un moyen de détente du fluide réfrigérant, un deuxième échangeur de chaleur, utilisé comme vaporiseur, parcouru par le fluide réfrigérant et configuré pour être parcouru par le gaz naturel.
Le circuit de fluide réfrigérant comprend au moins une première portion, qui s’étend entre le compresseur et une entrée du moyen de détente, au niveau de laquelle le fluide réfrigérant circule à haute pression, et une deuxième portion, comprise entre ledit moyen de détente et une entrée du compresseur, au niveau de laquelle le fluide réfrigérant circule à basse pression. A titre d’exemple, le fluide réfrigérant peut présenter une pression comprise entre 18 et 36 bars dans la première portion et une pression comprise entre 1.2 et 2.5 bars dans la deuxième portion. La première portion peut alors consister en une zone de réception de froid, tandis que la deuxième portion peut, par exemple, être destinée à la transmission de froid.
Ainsi, lorsque le fluide réfrigérant circule à travers les différents composants du circuit de fluide réfrigérant, il subit, par échange de calories, une succession de changement d’état et de températures.
Particulièrement, la première portion du circuit de fluide réfrigérant comprend au moins une première passe du premier échangeur de chaleur et la deuxième portion comprend au moins une première passe du deuxième échangeur de chaleur.
Lorsque le compresseur comprime le fluide réfrigérant, sa température augmente et le fluide réfrigérant peut transmettre ses calories depuis la première passe du premier échangeur de chaleur vers une passe adjacente, par exemple une deuxième passe du premier échangeur de chaleur au sein duquel circule le gaz naturel liquéfié à l’état gazeux en provenance de la cuve.
Le fluide réfrigérant est ensuite détendu dans le moyen de détente, ce qui diminue sa pression. A titre d’exemple, le moyen de détente peut être une valve Joule-Thomson. Ce fluide réfrigérant circule ensuite dans la deuxième portion du circuit de fluide réfrigérant, et plus particulièrement dans la deuxième passe du deuxième échangeur de chaleur où il peut absorber des calories provenant d’une autre passe, par exemple d’une deuxième passe du deuxième échangeur de chaleur au sein de laquelle circule le gaz naturel liquéfié à l’état liquide provenant de la cuve, puis le fluide réfrigérant est renvoyé vers le compresseur.
L’invention concerne également un système de traitement de gaz naturel utilisé en tant que carburant d’un moteur de l’ouvrage flottant, le système de traitement comprenant le circuit de fluide réfrigérant tel qu’exposé précédemment et le système de traitement étant configuré pour coopérer avec au moins un moteur et au moins la cuve de l’ouvrage flottant. L’ouvrage flottant peut être un méthanier mais il peut également s’agir d’un navire dont la cuve est un réservoir pour contenir le GNL et alimenté le ou les moteurs du navire.
Tel que précédemment exposé, le moteur peut, à titre d’exemple, être un moteur de propulsion de l’ouvrage flottant et/ ou un moteur d’au moins un équipement de bord.
Par « traitement » on entend le réchauffement et/ ou le refroidissement, respectivement destinés à entraîner l’évaporation ou la condensation du gaz naturel. Le système de traitement du gaz naturel comprend ainsi au moins le circuit de fluide réfrigérant, formant un circuit fermé du fluide réfrigérant, et au moins une pluralité de lignes et/ ou d’installation(s) assurant la circulation ou le traitement du gaz naturel, notamment entre la cuve et le moteur, et les échanges thermiques entre ledit gaz naturel et le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant.
Afin d’assurer l’alimentation d’au moins le moteur en gaz naturel, le système de traitement selon l’invention comprend au moins une ligne de prélèvement du gaz naturel à l’état gazeux présent dans la cuve, le premier échangeur de chaleur étant le siège d’un échange thermique entre ce gaz naturel à l’état gazeux et le fluide réfrigérant. La ligne de prélèvement s’ouvre sur le ciel gazeux de la cuve. Particulièrement, le gaz naturel à l’état gazeux circule dans la deuxième passe du premier échangeur de chaleur, ce gaz naturel présentant alors une température supérieure à -160°C, plus particulièrement comprise entre -120°C et 45°C.
La ligne de prélèvement prélève le gaz naturel évaporé dans le ciel de cuve, c’est-à-dire aux abords d’une paroi supérieure de la cuve. Un tel prélèvement du gaz naturel à l’état gazeux peut être réalisé de manière continue ou sélectivement, la ligne de prélèvement comprenant alors au moins une vanne de contrôle du prélèvement du gaz naturel à l’état gazeux.
Le gaz naturel à l’état gazeux prélevé peut ensuite être envoyé vers la deuxième passe du premier échangeur de chaleur, de manière à échanger thermiquement avec le fluide réfrigérant circulant dans la première passe du premier échangeur de chaleur, puis vers au moins le moteur de l’ouvrage flottant. La pression et la température du gaz naturel à l’état gazeux est ainsi rendu compatible avec les besoins du ou des moteurs de l’ouvrage flottant. Au moins la ligne de prélèvement et la deuxième passe du premier échangeur de chaleur sont ainsi comprises dans un circuit d’alimentation d’au moins le moteur en gaz naturel en tant que carburant, ledit circuit d’alimentation étant compris dans le système de traitement.
Selon une caractéristique de l’invention, le compresseur du circuit de fluide réfrigérant peut être configuré pour comprimer le gaz naturel stocké dans au moins la cuve.
Particulièrement, le compresseur installé dans le circuit de fluide réfrigérant est configuré pour comprimer le gaz naturel à l’état gazeux utilisé comme carburant d’au moins le moteur de l’ouvrage flottant, par exemple le moteur de propulsion du l’ouvrage flottant.
En d’autres termes, selon les besoins de l’ouvrage flottant, le compresseur du circuit de fluide réfrigérant, appelé ci-après premier compresseur, peut permettre de comprimer le gaz naturel liquéfié à l’état gazeux ou le fluide réfrigérant, selon qu’il est exploité pour mettre en circulation et comprimer le fluide réfrigérant ou pour alimenter le moteur en gaz naturel liquéfié. Un tel arrangement est notamment mis en œuvre à des fins de sécurité. Ainsi, en cas de défaillance d’un deuxième compresseur du système de traitement, uniquement destiné à comprimer le gaz naturel envoyé au moteur de l’ouvrage flottant et distinct du premier compresseur du circuit de fluide réfrigérant, le premier compresseur peut être utilisé afin d’assurer la compression du gaz naturel en lieu du deuxième compresseur. Le premier compresseur assure donc la redondance du deuxième compresseur en cas de défaillance de celui-ci.
A cette fin, le premier compresseur et/ ou le deuxième compresseur peuvent être précédés et/ ou succédés d’au moins une vanne. De telles vannes permettent d’une part l’alimentation sélective du premier compresseur en gaz naturel ou en fluide réfrigérant, et d’autre part l’isolation dudit premier compresseur par rapport au moteur, lorsque le premier compresseur fonctionne pour le circuit de fluide réfrigérant, ou par rapport au circuit de fluide réfrigérant, lorsque le premier compresseur fonctionne pour alimenter au moins le moteur en gaz naturel en tant que carburant.
De par ce système de sécurité, le premier compresseur est soumis à des contraintes particulières. Notamment, le premier compresseur doit être apte à comprimer le gaz naturel depuis une pression de l’ordre de la pression atmosphérique jusqu’à une pression d’environ 13 bars. A titre d’exemple, afin de pouvoir comprimer le gaz naturel ou le fluide réfrigérant, le compresseur présente, de préférence, un taux de compression d’au moins 13 ± 20% et un débit de 5000 m3/h + 10%. Dans un tel contexte, le premier compresseur est particulièrement adapté afin d’assurer la compression du gaz naturel et peut, à titre d’exemple, être similaire au deuxième compresseur. Avantageusement, le fluide réfrigérant selon l’invention est particulièrement optimisé afin de réduire la puissance nécessaire au premier compresseur pour comprimer ledit fluide réfrigérant.
Le système de traitement peut comprendre une installation de sous-refroidissement et/ ou une installation de condensation du gaz naturel.
Par « installation de sous-refroidissement » on entend une installation configurée pour refroidir le gaz naturel à l’état liquide à une température inférieure à -160°C, un tel phénomène étant notamment mis en œuvre par échange thermique avec le fluide réfrigérant circulant au sein du circuit de fluide réfrigérant, dont la composition est adaptée à cette fin.
Selon l’invention, le système de traitement peut comprendre au moins une conduite de prélèvement du gaz naturel à l’état liquide présent dans la cuve, le deuxième échangeur de chaleur étant le siège d’un échange thermique entre ce gaz naturel à l’état liquide et le fluide réfrigérant.
La conduite de prélèvement peut être configurée pour alimenter l’installation de sous- refroidissement du système de traitement en gaz naturel. A titre d’exemple, le gaz naturel à l’état liquide prélevé dans la cuve est ensuite envoyé vers le deuxième échangeur de chaleur, plus particulièrement vers la deuxième passe du deuxième échangeur, de manière à échanger thermiquement avec le fluide réfrigérant circulant dans la deuxième portion du circuit, notamment dans la première passe du premier échangeur de chaleur.
La conduite de prélèvement s’étend au moins partiellement dans la cuve mais d’une manière tel qu’elle soit en contact avec la partie liquide de gaz naturel stocké dans la cuve. Notamment, la conduite de prélèvement peut comprendre au moins une pompe. Particulièrement, ladite pompe est au moins partiellement immergée dans le gaz naturel liquéfié.
Par « installation de condensation » du système de traitement, on entend une installation configurée pour assurer, par échange thermique, le passage à l’état liquide de gaz naturel initialement à l’état gazeux, par exemple le BOG résultant de l’évaporation naturelle du gaz naturel dans la cuve. Particulièrement, l’installation de condensation peut être configurée pour assurer la condensation du gaz naturel à l’état gazeux préalablement prélevé pour être utilisé comme carburant d’au moins le moteur de l’ouvrage flottant. En d’autres termes, il s’agit du gaz naturel à l’état gazeux circulant dans le circuit d’alimentation d’au moins le moteur du système de traitement.
Selon l’invention, le système de traitement peut comprendre une ligne de retour du gaz naturel parcourue par un flux de gaz naturel excédentaire, le système de traitement comprenant un troisième échangeur de chaleur qui est le siège d’un échange thermique entre ce gaz naturel excédentaire et le gaz naturel à l’état liquide en provenance de la cuve.
Particulièrement, selon l’invention, le gaz naturel à l’état liquide provenant de la cuve est issu du deuxième échangeur de chaleur. En d’autres termes, le gaz naturel liquide provenant de la cuve circule successivement dans le deuxième échangeur de chaleur puis dans le troisième échangeur de chaleur dans lequel il échange des calories avec le gaz naturel excédentaire.
La ligne de retour peut également faire partie de l’installation de condensation en ce sens qu’elle participe à la fonction de condensation en ramenant le gaz naturel condensé vers la cuve.
Par « gaz naturel excédentaire », on entend une portion du gaz naturel gazeux prélevé par la ligne de prélèvement et comprimé, en vue de l’alimentation d’au moins le moteur en gaz naturel à l’état gazeux comme carburant, mais non utilisée par ledit moteur. A titre d’exemple, le gaz naturel excédentaire présente une pression inférieure ou égale à 13 bars.
A titre d’exemple, la ligne de retour peut prélever le gaz naturel excédentaire entre le deuxième compresseur, ou le premier compresseur, et le moteur de l’ouvrage flottant.
Notamment, la ligne de retour du système de traitement peut amener le gaz naturel excédentaire jusqu’au troisième échangeur de chaleur afin qu’il transmette ses calories, c’est-à-dire qu’il capte le froid, du gaz naturel liquide y circulant également.
Particulièrement, ce gaz naturel liquide peut avoir, au préalable, été sous-refroidi par échange thermique avec le fluide réfrigérant, de sorte que le gaz naturel soit envoyé vers une première passe du troisième échangeur de chaleur, tandis que le gaz naturel excédentaire est amené jusqu’à une deuxième passe du troisième échangeur de chaleur par la ligne de retour.
Ainsi, le système de traitement du gaz naturel liquéfié stocké dans au moins la cuve de l’ouvrage flottant peut combiner le circuit de fluide réfrigérant avec l’installation de sous-refroidissement et/ ou l’installation de condensation du gaz naturel.
L’invention concerne aussi un ouvrage flottant comprenant au moins une cuve destinée au transport ou au stockage de gaz naturel liquéfié, l’ouvrage flottant comprenant au moins un moteur de l’ouvrage flottant et au moins un système de traitement tel qu’exposé précédemment, le moteur étant configuré pour être alimenté par le gaz naturel à l’état gazeux circulant au moins en partie dans le système de traitement. La présente invention concerne également un système pour charger ou décharger un gaz naturel liquéfié qui combine au moins un moyen à terre et au moins l’ouvrage flottant de transport de gaz naturel liquéfié comprenant au moins la cuve.
L’invention concerne enfin un procédé de chargement ou de déchargement d’un gaz naturel liquéfié de la cuve de l’ouvrage flottant de transport de gaz naturel liquéfié tel que précédemment exposé.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
[Fig 1] représente schématiquement un système de traitement d’un gaz naturel liquéfié stocké dans une cuve d’un ouvrage flottant de transport ou de stockage dudit gaz naturel ;
[Fig 2] représente une alternative du système de traitement du gaz naturel illustré à la figure 1 ;
[Fig 3] représente le système de traitement du gaz naturel lors d’un premier mode de fonctionnement ;
[Fig 4] représente le système de traitement du gaz naturel mettant en œuvre un mode de fonctionnement de secours, alternatif du premier mode de fonctionnement illustré à la figure 3 ;
[Fig 5] représente le système de traitement du gaz naturel lors d’un deuxième mode de fonctionnement ;
[Fig 6] est une représentation schématique écorchée de la cuve d’un ouvrage flottant et d’un terminal de chargement et/ ou de déchargement de cette cuve.
La figure 1 représente un système de traitement 1 d’un gaz naturel utilisé en tant que carburant d’un moteur 2 d’un ouvrage flottant de transport et/ ou de stockage dudit gaz naturel. Le système de traitement 1 est configuré pour coopérer avec au moins le moteur 2 et au moins une cuve 3 de stockage dudit gaz naturel sous forme liquéfié de l’ouvrage flottant, le système de traitement 1 assurant ainsi l’alimentation d’au moins le moteur 2 en gaz naturel provenant de la cuve 3. A cette fin, le système de traitement 1 comprend au moins un circuit de fluide réfrigérant 4 et un circuit d’alimentation 5 en carburant d’au moins le moteur 2.
A titre d’exemple, le moteur 2 peut être un moteur de propulsion de l’ouvrage flottant et/ ou un moteur d’alimentation d’au moins un équipement de bord. Le système de traitement 1, notamment le circuit d’alimentation 5 en carburant, est utilisé pour chauffer le gaz naturel à l’état gazeux qui provient de la cuve et pour en élever la pression de sorte à mettre ledit gaz naturel dans des conditions de pression et de température compatibles avec le besoin du moteur 2.
Egalement, le système de traitement 1 peut comprendre au moins une installation de condensation 6 et/ ou une installation de sous-refroidissement 14 du gaz naturel aménagées au sein du système de traitement 1 afin de réaliser au moins un échange thermique, par exemple avec le circuit de fluide réfrigérant 4.
Au sein du système de traitement 1, l'installation de condensation 6 et l'installation de sous- refroidissement 14 peuvent être utilisées indépendamment ou en combinaison l’une de l’autre. Elles assurent, selon les besoins en gaz naturel à l’état gazeux du moteur 2, le traitement d’au moins une partie du gaz naturel prélevée dans la cuve 3, notamment afin d’assurer la condensation de gaz naturel gazeux ou le sous-refroidissement d’une portion liquide du gaz naturel. Ces différentes installations et leurs modes de fonctionnement de l’ouvrage flottant requérant leur mise en œuvre seront davantage détaillées ci- après.
Au sein du système de traitement 1, le circuit de fluide réfrigérant 4 consiste en une unité apte à transférer de l’énergie thermique à des températures cryogéniques proches de la température de stockage du gaz naturel lorsque celui-ci est liquéfié. Notamment, dans la présente invention, le gaz naturel liquéfié concerné comprend essentiellement du méthane et présente une température de changement d’état, de l’état gazeux vers l’état liquide, d’environ -163°C.
Le circuit de fluide réfrigérant 4 est un circuit fermé au sein duquel circule un fluide réfrigérant.
Le circuit de fluide réfrigérant 4 comprend successivement au moins un compresseur 7, appelé premier compresseur 71, un premier échangeur de chaleur 8, un moyen de détente 9, par exemple une vanne Joule-Thomson, et un deuxième échangeur de chaleur 10.
Particulièrement, le circuit de fluide réfrigérant 4 comprend au moins une première portion 151 qui s’étend entre une sortie du premier compresseur 71 et le moyen de détente 9 et dans laquelle le fluide réfrigérant circule à haute pression, comprise entre 18 et 36 bars. La première portion 151 du circuit de fluide réfrigérant 4 constitue une zone de réception de froid. Elle comprend à cette fin au moins une première passe 81 du premier échangeur de chaleur 8, disposée entre le compresseur 7 et le moyen de détente 9.
Le circuit de fluide réfrigérant 4 comprend au moins une deuxième portion 152, comprise entre une sortie du moyen de détente 9 et le premier compresseur 71, au sein de laquelle le fluide réfrigérant circule à basse pression, par exemple à une pression de l’ordre de 1.2 à 2.5 bars. La deuxième portion 152 du circuit de fluide réfrigérant est destinée à la transmission de froid. Elle comprend au moins une première passe 101 du deuxième échangeur de chaleur 10 disposée entre le moyen de détente 9 et le compresseur 7.
Ainsi, le fluide réfrigérant circulant au sein de le circuit de fluide réfrigérant 4 est d’abord comprimé par le compresseur 7, puis circule dans la première passe 81 du premier échangeur de chaleur 8 qui fonctionne comme un condenseur du fluide réfrigérant et dans lequel le fluide réfrigérant cède des calories. Le fluide réfrigérant est ensuite détendu dans le moyen de détente 9 avant d’être envoyé dans la première passe 101 du deuxième échangeur de chaleur 10, fonctionnant comme vaporiseur, où il capte des calories, pour ensuite retourner au compresseur 7.
La composition du fluide réfrigérant selon l’invention est particulièrement adaptée à un usage à température cryogénique en vue d’échanges thermiques avec le gaz naturel comprenant essentiellement du méthane, c’est-à-dire dont la température de liquéfaction est de l’ordre de - 163°C. Le fluide réfrigérant présente ainsi une température de changement d’état de l’état gazeux à l’état liquide comprise entre -160 et 20°C, lorsque le fluide réfrigérant est soumis à une pression comprise entre 18 et 36 bars. Le fluide réfrigérant présente une température de changement d’état de l’état liquide à l’état gazeux comprise entre -183 et -50 °C, lorsque le fluide réfrigérant est soumis à une pression de l’ordre de 1.2 à 2.5 bars. Le fluide réfrigérant selon la présente invention est également non corrosif et non toxique.
Le fluide réfrigérant selon l’invention est configuré pour permettre au moins un échange thermique avec le gaz naturel circulant dans le système de traitement 1. Particulièrement, le fluide réfrigérant est configuré pour chauffer le gaz naturel circulant dans le circuit d’alimentation 5 en carburant d’au moins le moteur de manière à porter ledit gaz naturel à une température compatible pour le moteur. Particulièrement, le premier échangeur de chaleur 8 est le siège d’un échange thermique entre le fluide réfrigérant et ce gaz naturel destiné à l’alimentation d’au moins le moteur 2. Avantageusement, le système de traitement 1 peut être configuré pour mettre en œuvre au moins un deuxième échange thermique, par exemple entre le fluide réfrigérant sortant du premier échangeur de chaleur, refroidi, et du gaz naturel à l’état liquide circulant dans l’installation de sous-refroidissement 14 du gaz naturel, à des températures de l’ordre de -170°C. Le fluide réfrigérant est ainsi particulièrement adapté au système de traitement 1 en ce qu’il ne gèle pas à des températures inférieures à -160°C à pression atmosphérique.
Le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant 4 comprend au moins un gaz inerte, plus particulièrement du diazote et/ ou de l’argon, dont la fonction est d’assurer le changement d’état du gaz naturel à des températures cryogéniques plus basses que la température de liquéfaction du gaz naturel à pression atmosphérique.
Le fluide réfrigérant comprend également un mélange d’hydrocarbures parmi le méthane, l’éthane et/ ou l’éthylène et/ ou le propane et ou le propylène et/ ou le butane. Le méthane et l’éthane et/ ou l’éthylène sont particulièrement adaptés aux échanges thermiques effectués avec le gaz naturel à l’état gazeux, par exemple avec le BOG, de l’acronyme de l’anglais « Boil-off gas », c’est- à-dire le gaz naturel à l’état gazeux résultant de l’évaporation naturelle du gaz naturel dans la cuve 3 qui présente une température comprise entre -140 et -90°C.
Avantageusement, le fluide réfrigérant peut être réalisé à faible coût puisqu’une une partie des composés dudit fluide réfrigérant sont disponibles en large quantité au sein de l’ouvrage flottant, les différents hydrocarbures composant notamment le gaz naturel stocké dans la cuve 3.
Afin d’optimiser l’efficacité thermique des échanges thermiques réalisés entre le fluide réfrigérant et le circuit d’alimentation et/ ou l’installation de sous-refroidissement 14, le fluide réfrigérant comprend au moins 70-85%mol de méthane et de diazote et/ ou d’argon. Il peut être réalisé selon trois types de compositions distinctes :
- selon un premier mode de réalisation, le fluide réfrigérant comprend 25 à 35%mol de diazote et un mélange d’hydrocarbures choisis parmi moins l’éthane et/ ou le propane et/ ou le butane et/ ou l’éthylène et/ ou le propylène,
- selon un deuxième mode de réalisation, le fluide réfrigérant comprend 35 à 50%mol d’argon et un mélange d’hydrocarbures adapté, ce mélange pouvant être distinct ou identique à celui du premier mode de réalisation,
- ou selon un troisième mode, le fluide réfrigérant comprend 35 à 50%mol d’un mélange de diazote et d’argon ainsi qu’un mélange d’hydrocarbures, ce mélange pouvant être distinct ou identique à celui du premier mode de réalisation ou du deuxième mode de réalisation.
Particulièrement, le fluide réfrigérant, indépendamment de son mode de réalisation, peut comprendre 5 à 19 %mol d’éthane et/ou d’éthylène. Additionnellement, le fluide réfrigérant peut comprendre jusqu’à 15 % de propane ou de butane, ces derniers favorisant les échanges thermiques réalisés avec le BOG, c’est-à-dire à des températures plus élevées.
Lorsque le fluide réfrigérant est réalisé selon le premier mode de réalisation, celui-ci peut comprendre au moins du diazote, du méthane, de l’éthane et/ ou d’éthylène et du propane et/ ou du propylène, le fluide réfrigérant présentant alors, préférentiellement, un ratio de méthane et de diazote compris entre 1:1 et 9:5. Alternativement, le fluide réfrigérant selon le premier mode de réalisation peut comprendre au moins du diazote, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène et du butane, le fluide réfrigérant présentant alors préférentiellement un ratio de méthane et de diazote compris entre 4:5 et 7:5.
Avantageusement, de tels fluides réfrigérants présentent une masse molaire de 24 g/ mol +2 g/ mol.
Lorsque le fluide réfrigérant est réalisé selon le deuxième mode de réalisation, celui-ci peut comprendre au moins de l’argon, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène, du butane et/ ou du propane et/ ou du propylène, le fluide réfrigérant présentant alors, préférentiellement, un ratio de méthane et d’argon compris entre 3:5 et 6:5.
Additionnellement, ledit fluide réfrigérant peut présenter une masse molaire de l’ordre de 31 g/ mol + 3 g/ mol.
Lorsque le fluide réfrigérant est réalisé selon le troisième mode de réalisation, celui-ci peut comprendre au moins du diazote et de l’argon, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène, ainsi que du butane et/ ou du propane et/ ou du propylène, le fluide réfrigérant présente alors préférentiellement un ratio de méthane et d’argon et de diazote compris entre 1:2 et 13:10. Additionnellement, ledit fluide réfrigérant peut présenter une masse molaire de l’ordre de 30 g/mol + 3g/mol.
Le tableau 1 illustre, à titre non limitatif, différents exemples de composition du fluide réfrigérant, les exemples 1 à 8 étant représentatif du premier mode de réalisation du fluide réfrigérant, et les exemples 9 et 10 étant représentatifs du deuxième mode de réalisation et du troisième mode de réalisation respectivement.
[Table 1]
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De par sa composition, le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant 4 est destiné à être à l’état gazeux ou dans un état diphasique gaz -liquide. A titre d’exemple, le fluide réfrigérant est essentiellement à l’état gazeux dans le compresseur 7 et au sein de la première portion 151 du circuit de fluide réfrigérant 4, tandis qu’il est à l’état diphasique en sortie du moyen de détente 9 et notamment entre le moyen de détente 9 et le deuxième échangeur de chaleur 10. Il en résulte qu’au sein du circuit de fluide réfrigérant 4, le fluide réfrigérant peut être porté à des températures cryogéniques, notamment jusqu’à des températures inférieures à -170°C, par exemple, en sortie du moyen de détente 9, mais également être élevé jusqu’à des températures d’environ 45°C, par exemple en sortie du compresseur 7.
Dans l’exemple illustré et tel que précédemment exposé, le premier échangeur de chaleur 8 permet un échange de calories entre le fluide réfrigérant circulant à une température comprise entre 20 et 45°C dans la première passe 81 du premier échangeur de chaleur 8, et du gaz naturel à l’état gazeux qui circule à travers une deuxième passe 82 du premier échangeur de chaleur 8, comprise dans le circuit d’alimentation 5, présentant une température moins élevée, par exemple comprise entre -140 et -90°C. Le fluide réfrigérant circulant dans la première passe 81, plus chaud que le gaz naturel, transmet alors des calories au gaz naturel et reçoit le froid, assurant ainsi le réchauffement, et plus précisément le réchauffement, dudit gaz naturel circulant dans le circuit d’alimentation en carburant du moteur 2.
Dans le deuxième échangeur de chaleur 10, le fluide réfrigérant, entrant dans la première passe 101 à une température comprise entre -180 et -168°C, peut échanger thermiquement avec du gaz naturel à l’état liquide qui circule dans une deuxième passe 102 du deuxième échangeur de chaleur 10, notamment comprise dans l’installation de sous-refroidissement 14 du gaz naturel et présentant une température de l’ordre de -160°C. Le fluide réfrigérant, plus froid que le gaz naturel liquide, transmet du froid à ce dernier. Le fluide réfrigérant passe, par exemple, d’une température d’environ -178°C après le moyen de détente 9 à une température de l’ordre de - 172°C en sortie du deuxième échangeur de chaleur 10.
Alternativement, et tel qu’illustré sur la figure 2, le système de traitement 1 peut être réalisé de manière à comprendre un échangeur de chaleur combiné 11 qui remplace le premier échangeur de chaleur 8 et le deuxième échangeur de chaleur 10, l’échangeur de chaleur combiné 11 comprenant une première passe 111, une deuxième passe 112, une troisième passe 113 et une quatrième passe 114 reprenant respectivement les caractéristiques précédemment exposées relatives à la deuxième passe du premier échangeur de chaleur, à la première passe du premier échangeur de chaleur, à la première passe du deuxième échangeur de chaleur et à la deuxième passe du deuxième échangeur de chaleur décrites à la figure 1. Avantageusement, dans un tel système de traitement 1, la deuxième passe 112 et la troisième passe de l’échangeur de chaleur combiné 11 échangent mutuellement des calories de sorte que le fluide réfrigérant circulant dans la deuxième passe 112 de l’échangeur de chaleur combiné 11 transmet des calories au fluide réfrigérant, plus froid, circulant dans la troisième passe 113 de ce même échangeur de chaleur, dans la deuxième portion 152 du circuit de fluide réfrigérant. La deuxième passe 112 et la troisième passe 113 forment ainsi un échangeur interne intégré à l’échangeur de chaleur combiné 11.
Ainsi, et tel qu’illustré dans les exemples de réalisation du système de traitement 1 représentés aux figures 1 et 2, le circuit de fluide réfrigérant 4 est intégré de manière centrale dans le système de traitement 1 du gaz naturel transporté et stocké dans la cuve 3 de l’ouvrage flottant de manière à permettre un échange thermique entre le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant 4 d’une part et du gaz naturel issu de la cuve 3 circulant dans le circuit d’alimentation 5 en carburant et/ ou dans l’installation de sous-refroidissement 14 d’autre part.
Le fluide réfrigérant sortant du premier compresseur 71 est ainsi engagé dans au moins deux échanges thermiques, le premier se faisant au sein de la première portion 151 et induisant son refroidissement, en amont du moyen de détente 9, de manière à entraîner le réchauffement du gaz naturel circulant dans le système de traitement 1, et le second prenant place dans la deuxième portion 152 du circuit de fluide réfrigérant et induisant le réchauffement du fluide réfrigérant afin de permettre le refroidissement, et plus particulièrement le sous-refroidissement, du gaz naturel circulant dans l’installation de sous-refroidissement 14.
Tel qu’exposé ci-dessus, dans le système de traitement 1 du gaz naturel le circuit d’alimentation 5 en carburant, l’installation de sous-refroidissement 14 et l’installation de condensation 6 sont configurés afin d’assurer le traitement d’au moins une portion de gaz naturel prélevée dans la cuve 3, la mise en œuvre de ces différentes installations étant dépendante des besoins en carburant, c’est-à-dire en gaz naturel à l’état gazeux, du moteur 2 de l’ouvrage flottant. Les figure 3 à 5 illustrent différents modes de fonctionnement du système de traitement 1 pouvant être mis en œuvre selon les besoins de l’ouvrage flottant. Ces différents modes de fonctionnement seront décrits en référence au système de traitement 1 tel qu’illustré à la figure 1, il est néanmoins entendu que ceux-ci sont transposables au système de traitement 1 réalisé selon la configuration alternative précédemment décrite en référence à la figure 2, c’est-à-dire dans laquelle le système de traitement comprend l’échangeur thermique combiné. La figure 3 illustre particulièrement le mode de fonctionnement du système de traitement 1 lorsque qu’il permet l’alimentation du moteur 2 de l’ouvrage flottant en gaz naturel à l’état gazeux provenant du ciel de cuve 3. Un tel mode de fonctionnement peut être mis en œuvre lorsque les besoins du moteur 2 de l’ouvrage flottant sont sensiblement égaux à la quantité de BOG naturellement produite au sein de la cuve 3.
Afin d’alimenter le moteur 2 le BOG est prélevé par une ligne de prélèvement 51 du circuit d’alimentation en carburant du moteur et est acheminé depuis la cuve 3 vers au moins le moteur 2. L’extraction du gaz naturel à l’état gazeux peut être contrôlée, à titre d’exemple, par un capteur de pression, non représenté, aménagé dans la cuve 3 afin de mesurer la pression de BOG dans la cuve 3 et de détecter un dépassement d’un seuil prédéterminé de pression au-delà duquel il est nécessaire d’évacuer du gaz naturel à l’état gazeux, par exemple afin de prévenir tout dommage de la cuve 3.
Dans le système de traitement 1, la ligne de prélèvement 51 du circuit d’alimentation 5 amène le gaz naturel à l’état gazeux, ou BOG, prélevé à une température comprise entre -140°C et -90°C, par exemple de l’ordre de -120°C, vers la deuxième passe 82 du premier échangeur de chaleur 8. Tel qu’exposé plus haut, de par sa température, le gaz naturel à l’état gazeux qui circule dans la deuxième passe 82 du premier échangeur de chaleur 8 capte les calories du fluide réfrigérant circulant dans la première passe 81 du premier échangeur de chaleur 8. Le gaz naturel gazeux est ainsi réchauffé et sort du premier échangeur de chaleur 8 à une température comprise entre 20 et 45 °C, pour être amené vers un deuxième compresseur 72 du système de traitement 1, distinct du premier compresseur 71 compris dans le circuit de fluide réfrigérant. Le passage du gaz naturel gazeux à travers le premier échangeur de chaleur et le deuxième compresseur 72 successivement permet ainsi de porter le gaz naturel à une température compatible avec son utilisation en tant que carburant d’au moins le moteur de l’ouvrage flottant.
Le deuxième compresseur 72 a, par exemple, un taux de compression de 13 et un débit d’environ 5000 m3/h. Le gaz naturel à l’état gazeux, une fois comprimé, présente une température de l’ordre de 43°C et peut être envoyé vers au moins le moteur 2 de l’ouvrage flottant, par exemple le moteur 2 de propulsion ou le moteur 2 d’un équipement de bord, par l’intermédiaire d’au moins une ligne d’alimentation 53 du circuit d’alimentation 5.
La composition du fluide réfrigérant est ainsi particulièrement adaptée pour assurer le réchauffement du gaz naturel circulant dans le circuit d’alimentation 5 en carburant d’au moins le moteur. Tel que précédemment exposé, le fluide réfrigérant sortant du premier échangeur 8 traverse ensuite le moyen de détente 9 puis est amené dans le deuxième échangeur de chaleur 10. Dans l’exemple illustré, ce deuxième échangeur de chaleur est utilisé comme vaporisateur du fluide réfrigérant et est le siège d’un échange de calories entre le fluide réfrigérant, circulant dans la première passe 101 du deuxième échangeur de chaleur, et du gaz naturel prélevé à l’état liquide dans la cuve 3, circulant dans deuxième passe 102 du deuxième échangeur de chaleur 10, de manière à permettre le refroidissement d’au moins une portion du gaz naturel.
Avantageusement, les calories cédées par le fluide réfrigérant dans le premier échangeur de chaleur 8, autrement dit l’énergie cryogénique générée par le circuit de fluide réfrigérant des suites de l’échange de calories mis en œuvre dans le premier échangeur de chaleur 8, peuvent être utilisées pour sous-refroidir une portion de gaz naturel prélevé à l’état liquide dans la cuve 3 à une température pouvant être de l’ordre de -170°C. Dans un tel mode de fonctionnement le système de traitement 1 peut ainsi simultanément assurer l’alimentation d’au moins le moteur 2 en gaz naturel gazeux en tant que carburant par l’intermédiaire du circuit d’alimentation 5 et le fonctionnement de l’installation de sous-refroidissement 14.
L’installation de sous-refroidissement 14 du système de traitement 1 comprend une conduite de prélèvement 61 du gaz naturel à l’état liquide. A l’inverse de la ligne de prélèvement 51, la conduite de prélèvement 61 est immergée de manière à prélever le gaz naturel à l’état liquide. A cet effet, la conduite de prélèvement 61 peut comprendre une pompe 54, par exemple une pompe immergée. Le prélèvement du gaz naturel à l’état liquide peut être contrôlé par au moins une vanne de prélèvement 64 aménagée sur la conduite de prélèvement 61, en amont du deuxième échangeur de chaleur 10.
La conduite de prélèvement 61 amène le gaz naturel à l’état liquide au niveau du deuxième échangeur de chaleur 10, dans la deuxième passe 102 dudit deuxième échangeur de chaleur 10. A titre d’exemple, à l’entrée du deuxième échangeur de chaleur 10, le gaz naturel à l’état liquide peut présenter, selon sa composition, une température inférieure ou égale à -159°C.
Tel que précédemment exposé, ce gaz naturel à l’état liquide circulant dans la deuxième passe 102 du deuxième échangeur de chaleur 10, plus chaud que le fluide réfrigérant circulant dans la première passe 101 du deuxième échangeur de chaleur 10, transmet des calories au fluide réfrigérant qui présente une température comprise entre -180°C et -168°C, par exemple de l’ordre de -178°C. Le fluide réfrigérant, plus froid que le gaz naturel à l’état liquide, est ainsi réchauffé tandis que le gaz naturel est sous-refroidi, ce dernier sortant du deuxième échangeur de chaleur 10 à une température comprise entre -165 et -172°C. Le gaz naturel sous-refroidi est alors réinjecté par l’intermédiaire d’une conduite de réinjection 63 dans la cuve 3 de stockage du gaz naturel, particulièrement dans une portion inférieure de la cuve 3, formant ainsi une couche de stockage du froid 145 pouvant être réutilisée ultérieurement.
La figure 4 représente un mode de fonctionnement alternatif, particulièrement un système de secours du circuit d’alimentation 5 du système de traitement 1, pouvant être mis en œuvre en cas défaillance du deuxième compresseur 72 de du circuit d’alimentation 5. En effet, au sein du système de traitement 1, le compresseur 7 du circuit de fluide réfrigérant 4, ou premier compresseur 71, peut être configuré pour comprimer le gaz naturel gazeux prélevé par la ligne de prélèvement 51 et destiné à alimenter au moins le moteur 2 en gaz naturel à l’état gazeux, en tant que carburant. Une telle redondance des compresseurs 7 alimentant au moins le moteur 2 de l’ouvrage flottant est mise en place à des fins de sécurité, de sorte, qu’en cas de défaillance du deuxième compresseur 72, l’alimentation du moteur 2 en gaz naturel gazeux comprimé puisse toujours se faire.
De par cette architecture, le premier compresseur 71 peut être similaire au deuxième compresseur 72, c’est-à-dire qu’il est soumis à différentes contraintes liées à sa fonction de compression du gaz naturel en plus de sa fonction de compression du fluide réfrigérant. Particulièrement, le premier compresseur 71 a, par exemple, un taux de compression de 13 et un débit d’environ 5000 m3/h.
Tel que précédemment exposé, en vue de la mise en œuvre de ce système de secours, la composition du fluide réfrigérant est particulièrement adaptée et optimisé afin de minimiser la consommation du premier compresseur 71, configuré pour comprimer le fluide réfrigérant ou le gaz naturel.
Afin de permettre l’utilisation du premier compresseur 71 dans le circuit de fluide réfrigérant 4 ou dans le circuit d’alimentation 5 en carburant d’au moins le moteur 2, l’entrée du premier compresseur 71 est reliée d’une part à la première passe 101 du deuxième échangeur de chaleur 10, comprise dans le circuit de fluide réfrigérant 4, et d’autre part à une sortie de la deuxième passe 82 du premier échangeur de chaleur 8, dans laquelle circule le gaz naturel. Le raccordement entre la sortie de la deuxième passe 82 du premier échangeur de chaleur 8 et le premier compresseur 71 est réalisé par l’intermédiaire d’une ligne alternative 52.
Afin de contrôler la circulation du gaz naturel sortant de la deuxième passe 82 du premier échangeur de chaleur 8 en direction du premier compresseur 71 et/ ou du deuxième compresseur 72, le premier compresseur 71 comme le deuxième compresseur 72 sont également précédés d’au moins une vanne d’isolement 12 destinée à contrôler. Particulièrement, au moins une première vanne d’isolement 121 peut être disposée en amont et/ ou en aval du premier compresseur 71 par exemple dans la ligne alternative 52. Additionnellement, le circuit de fluide réfrigérant 4 peut comprendre au moins une vanne d’arrêt 45, également disposée en amont du premier compresseur 71.
En d’autres termes et tel que représenté à la figure 3, par défaut, c’est-à-dire lorsque le deuxième compresseur 72 est opérationnel et utilisé pour alimenter au moins le moteur 2 en gaz naturel, de la première vanne d’isolement 121 est fermée et la vanne d’arrêt 45 est ouverte afin d’isoler le premier compresseur 71 de la circulation du gaz naturel dans le circuit d’alimentation 5 du système de traitement 1 et de l’utiliser dans le circuit de fluide réfrigérant 4 pour comprimer le fluide réfrigérant.
A l’inverse et tel qu’illustré dans la figure 4, lorsque le deuxième compresseur 72 est défaillant et que le système de secours est mis en œuvre, au moins une deuxième vanne d’isolement 122, disposée en amont du deuxième compresseur 72, est fermée, la première vanne d’isolement 121 est ouverte et la vanne d’arrêt 45 est fermée. Le gaz naturel sortant de la deuxième passe 82 du premier échangeur de chaleur 8 est alors aspiré par le premier compresseur 71 et il est possible d’alimenter au moins le moteur 2.
La figure 5 représente le système de traitement 1 lorsque l’installation de condensation 6 est mise en œuvre. Ce deuxième mode de fonctionnement peut notamment être utilisé lorsque qu’une quantité trop importante de BOG est produite par rapport aux besoins du moteur 2. C’est notamment le cas, par exemple, lorsque la vitesse de déplacement de l’ouvrage flottant est faible. Dans un tel cas, une partie du gaz naturel à l’état gazeux, ou BOG, qui a été envoyée dans le circuit d’alimentation 5 en carburant et qui n’est pas utilisée par le moteur 2 de l’ouvrage flottant, est alors prélevée et envoyé vers l’installation de condensation 6 en vue de sa liquéfaction puis de sa réinjection dans la cuve 3. Cette portion de gaz naturel envoyée vers l’installation de condensation 6 sera qualifiée, ci- après, de gaz naturel excédentaire.
Le gaz naturel excédentaire est prélevé dans le circuit d’alimentation 5 du système de traitement 1 par une ligne de retour 62 de l’installation de condensation 6. Particulièrement, la ligne de retour 62 peut réaliser la ponction du gaz naturel excédentaire entre le deuxième compresseur 72 et au moins le moteur 2 de l’ouvrage flottant, le gaz naturel excédentaire étant alors comprimé et présentant une température comprise entre 20 et 45°C et une pression inférieure ou égale 13 bars. Cette ponction peut être réalisée de manière sélective, et peut, à titre d’exemple, être contrôlée par une vanne de ponction 65 aménagée sur la ligne de retour 62.
Egalement, l’installation de condensation comprend un troisième échangeur de chaleur 13 qui est configuré pour assurer un échange de calories entre le gaz naturel excédentaire, circulant dans une deuxième passe 132 du troisième échangeur de chaleur 13, et du gaz naturel à l’état liquide, circulant dans une première passe 131 du troisième échangeur thermique 13, en provenance de la cuve 3.
Avantageusement, le gaz naturel liquide circulant dans la première passe 131 du troisième échangeur de chaleur 13 peut être le gaz naturel issu du deuxième échangeur de chaleur 10, c’est- à-dire le gaz naturel circulant dans l’installation de sous-refroidissement 14, sous-refroidi par échange de calories avec le fluide réfrigérant dans le deuxième échangeur de chaleur 10. Ce gaz naturel sous-refroidi peut notamment sortir du deuxième échangeur de chaleur 10 en présentant une température comprise entre -165 et -172°C.
Selon une alternative non représentée, le gaz naturel à l’état liquide circulant dans la première passe 131 du troisième échangeur de chaleur peut être prélevé dans la cuve 3 pour être directement amené au troisième échangeur de chaleur 13.
Le flux de gaz naturel excédentaire est ainsi amené vers la deuxième passe 132 du troisième échangeur de chaleur 13 du système de traitement 1 afin d’être refroidi et reliquéflé avant d’être réinjecté dans la cuve 3. La liquéfaction du gaz naturel excédentaire, présentant une température de l’ordre de 43°C, est assurée par échange thermique avec le gaz naturel liquide ou du gaz naturel sous-refroidi par l’installation de sous-refroidissement 14. Ce gaz naturel sous-refroidi, plus froid que le gaz naturel excédentaire circulant dans la deuxième passe 132 du troisième échangeur de chaleur 13, capte alors les calories de ce dernier, refroidissant ainsi le gaz naturel excédentaire et entraînant sa condensation. A la sortie du troisième échangeur de chaleur 13, le gaz naturel à l’état liquide circulant dans la première passe 131du troisième échangeur de chaleur présente une température d’environ -152°C, tandis que le gaz naturel condensé, circulant dans la deuxième passe 132 de ce même troisième échangeur de chaleur 13, présente une température d’environ -158°C.
Les sorties des passes du troisième échangeur de chaleur 13 sont raccordées à la conduite de réinjection 63 afin de permettre le mélange puis la réintroduction du gaz naturel à l’état liquide et du gaz naturel recondensé, lui aussi liquide, dans la cuve 3. Cette étape de réinjection peut être réalisée de manière sélective, par exemple au moyen d’une vanne de réinjection 66 aménagée sur la conduite de réinjection 63. Similairement à la réinjection du gaz naturel sous-refroidi précédemment exposée, la conduite de réinjection 63 peut s’étendre dans la cuve 3 de manière à délivrer le gaz naturel liquide à voisinage du fond de la cuve 3.
Lorsque le système de traitement 1 fonctionne selon ce deuxième mode de fonctionnement, c’est-à-dire lorsqu’il met en œuvre la condensation du gaz naturel excédentaire, le circuit de fluide réfrigérant 4 est indirectement impliqué avec l’installation de condensation 14, le circuit de fluide réfrigérant 4 étant, tel que précédemment exposé, utilisé pour sous-refroidir le gaz naturel liquide prélevé par la conduite de prélèvement 61 et utilisé pour capter les calories du gaz naturel excédentaire. La liquéfaction est ainsi plus efficace car la température du gaz naturel liquide qui traverse la première passe 131 du troisième échangeur 13 est particulièrement basse, et notamment inférieure à la température du gaz naturel stocké à l’état liquide dans la cuve 3.
Le circuit de fluide réfrigérant 4, le circuit d’alimentation 5 en carburant, l’installation de sous- refroidissement 14 et l’installation de condensation 6 coopèrent ainsi directement ou indirectement les uns avec les autres au sein du système de traitement 1, d’une part afin d’assurer la mise en température du gaz naturel à l’état gazeux, destiné à alimenter au moins le moteur 2 de l’ouvrage flottant, d’autre part afin d’assurer le sous-refroidissement et le stockage de gaz naturel liquide et enfin afin d’assurer la condensation et la réinjection du gaz naturel gazeux lorsque celui- ci est présent en quantité excédentaire.
Enfin, la figure 6 est une représentation écorchée de l’ouvrage flottant 15 qui montre la cuve 3 de stockage du gaz naturel montée dans une double coque 16 de l’ouvrage flottant 15 formée par un ensemble d’au moins une membrane d’étanchéité primaire, une membrane d'étanchéité secondaire, agencée entre la membrane d'étanchéité primaire et la double coque 16 de l’ouvrage flottant 15, et deux barrières isolantes, respectivement aménagées entre la membrane d'étanchéité primaire et la membrane d'étanchéité secondaire et entre la membrane d'étanchéité secondaire et la double coque 16.
Des canalisations 17 de chargement et/ ou de déchargement disposées sur le pont supérieur de l’ouvrage flottant 15 peuvent être raccordées, au moyen de connecteurs appropriées, à un terminal 18 maritime ou portuaire afin de transférer la cargaison de gaz naturel à l’état liquide depuis ou vers la cuve 3.
On comprend à la lecture de ce qui précède que la présente invention propose un fluide réfrigérant destiné à circuler dans un circuit de fluide réfrigérant d’un système de traitement de gaz naturel, le fluide réfrigérant présentant une composition particulièrement adaptée pour échanger thermiquement à des températures cryogéniques avec ledit gaz naturel liquéfié stocké et prélevé dans au moins une cuve d’un ouvrage flottant. Le fluide réfrigérant selon l’invention vise ainsi à optimiser tout échange thermique réalisé avec le gaz naturel mais également à minimiser la consommation d’un compresseur du système de traitement configuré pour comprimer ledit fluide réfrigérant ou le gaz naturel provenant de la cuve. La présente invention concerne également le circuit de fluide réfrigérant comprenant ledit fluide réfrigérant ainsi que le système de traitement intégrant ledit circuit de fluide réfrigérant. L’invention ne saurait toutefois se limiter aux moyens et configurations décrits et illustrés ici, et elle s’étend également à tout moyen ou configuration équivalents et à toute combinaison technique opérant de tels moyens. En particulier, le nombre d’échangeurs de chaleur pourra être modifié, les différents échangeurs de chaleur pouvant notamment être rassemblés afin d’en réduire le nombre, dans la mesure où le système de traitement, in fine, remplit les mêmes fonctionnalités que celles décrites dans ce document.

Claims

Revendications
1. Fluide réfrigérant destiné à circuler dans un circuit de fluide réfrigérant (4) et configuré pour échanger thermiquement avec un gaz naturel liquéfié stocké dans au moins une cuve (3) d’un ouvrage flottant (15), le fluide réfrigérant comprenant :
25 à 35 %mol de diazote ou 35 à 50 %mol d’argon ou 35 à 50 %mol d’un mélange de diazote et d’argon et,
35 à 55 %mol de méthane, ledit fluide réfrigérant présentant une proportion de méthane et de diazote et/ ou d’argon comprise entre 70 et 85 %mol du fluide réfrigérant, le reste comprenant un mélange d’hydrocarbures composé au moins d’éthane et/ ou de propane et/ ou de butane et/ ou d’éthylène et/ ou de propylène.
2. Fluide réfrigérant selon la revendication précédente, dans lequel le méthane est présent dans le fluide réfrigérant en une quantité strictement supérieure à 40 %mol et inférieure ou égale à 55 %mol.
3. Fluide réfrigérant selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélange d’hydrocarbures comprend 15 à 30 % d’éthane et/ ou d’éthylène et de propane et/ ou de propylène ou d’éthane et/ ou d’éthylène et de butane.
4. Fluide réfrigérant selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant 5 à 19 %mol d’éthane et/ ou d’éthylène.
5. Fluide réfrigérant selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant jusqu’à 15 %mol de propane et/ ou de propylène ou de butane.
6. Fluide réfrigérant selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins du diazote, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène et du propane et/ ou du propylène, le fluide réfrigérant présentant un ratio de méthane et de diazote compris entre 1:1 et 9:5.
7. Fluide réfrigérant selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant au moins du diazote, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène et du butane, le fluide réfrigérant présentant un ratio de méthane et de diazote compris entre 4:5 et 7:5.
8. Fluide réfrigérant selon la revendication 6 ou 7, présentant une masse molaire de 24 g/ mol +2 g/ mol.
9. Fluide réfrigérant selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant au moins de l’argon, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène, du butane et/ ou du propane et/ ou du propylène, le fluide réfrigérant présentant un ratio de méthane et d’argon compris entre 3:5 et 6:5.
10. Fluide réfrigérant selon la revendication précédente, présentant une masse molaire de 31 g/ mol + 3 g/ mol.
11. Fluide réfrigérant selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant au moins du diazote et de l’argon, du méthane, de l’éthane et/ ou de l’éthylène, ainsi que du butane et/ ou du propane et/ ou du propylène, le fluide réfrigérant présentant un ratio de méthane et d’argon et de diazote compris entre 1:2 et 13:10.
12. Fluide réfrigérant selon la revendication précédente, présentant une masse molaire de 30 g/ mol + 3g/ mol.
13. Circuit de fluide réfrigérant (4) configuré pour échanger thermiquement avec le gaz naturel liquéfié stocké dans au moins la cuve (3) de l’ouvrage flottant (15), le circuit de fluide réfrigérant (4) contenant, en circuit fermé, le fluide réfrigérant selon l’une quelconque des revendications précédentes.
14. Circuit de fluide réfrigérant (4) selon la revendication précédente, comprenant au moins : un compresseur (7, 71) configuré pour compresser le fluide réfrigérant, un premier échangeur de chaleur (8), utilisé comme condenseur, parcouru par le fluide réfrigérant et configuré pour être parcouru par le gaz naturel, un moyen de détente (9) du fluide réfrigérant, un deuxième échangeur de chaleur (10), utilisé comme vaporiseur, parcouru par le fluide réfrigérant et configuré pour être parcouru par le gaz naturel.
15. Système de traitement (1) du gaz naturel utilisé en tant que carburant d’un moteur (2) d’un ouvrage flottant (15), le système de traitement (1) comprenant le circuit de fluide réfrigérant (4) selon la revendication 14 et le système de traitement (1) étant configuré pour coopérer avec au moins un moteur (2) et au moins la cuve (3) de l’ouvrage flottant (15).
16. Système de traitement (1) selon la revendication précédente, comprenant au moins une ligne de prélèvement (51) du gaz naturel à l’état gazeux présent dans la cuve (3), le premier échangeur de chaleur (8) étant le siège d’un échange thermique entre ce gaz naturel à l’état gazeux et le fluide réfrigérant.
17. Système de traitement (1) selon l’une des revendications 15 à 16, comprenant au moins une conduite de prélèvement (61) du gaz naturel à l’état liquide présent dans la cuve (3), le deuxième échangeur de chaleur (10) étant le siège d’un échange thermique entre ce gaz naturel à l’état liquide et le fluide réfrigérant.
18. Système de traitement (1) selon l’une quelconque des revendications 15 à 17, dans lequel le compresseur (7) du circuit de fluide réfrigérant (4) est configuré pour comprimer le gaz naturel stocké dans au moins la cuve (3).
19. Système de traitement (1) selon l’une quelconque des revendications 15 à 18, comprenant au moins une ligne de retour (62) de gaz naturel parcourue par un flux de gaz naturel excédentaire, le système de traitement (1) comprenant un troisième échangeur de chaleur (13) qui est le siège d’un échange thermique entre ce gaz naturel excédentaire et le gaz naturel à l’état liquide en provenance de la cuve (3)
20. Système de traitement (1) selon la revendication précédente, dans lequel le gaz naturel à l’état liquide provenant de la cuve (3) est issu du deuxième échangeur de chaleur (10).
21. Ouvrage flottant (15) comprenant au moins une cuve (3) destinée au transport ou au stockage de gaz naturel liquéfié, l’ouvrage flottant (15) comprenant au moins un moteur (2) de l’ouvrage flottant (15), au moins la cuve (3) contenant du gaz naturel et au moins un système de traitement (1) selon l’une quelconque des revendications 15 à 20, le moteur (2) étant configuré pour être alimenté en carburant par le gaz naturel à l’état gazeux circulant au moins en partie dans ledit système de traitement (1).
22. Système pour charger ou décharger un gaz naturel liquéfié qui combine au moins un moyen à terre et au moins l’ouvrage flottant (15) de transport de gaz naturel liquéfié selon la revendication 21 comprenant au moins la cuve (3).
23. Procédé de chargement ou de déchargement d’un gaz naturel liquéfié de la cuve (3) de l’ouvrage flottant (15) selon la revendication 21 de transport de gaz naturel liquéfié dans lequel des canalisations (17) de chargement et/ ou de déchargement disposées sur un pont supérieur de l’ouvrage flottant (15) peuvent être raccordées, au moyen de connecteurs appropriées, à un terminal (18) maritime ou portuaire afin de transférer la cargaison de gaz naturel à l’état liquide depuis ou vers la cuve (3).
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