EP2906866A2 - Reservoir etanche et isolant pour contenir un fluide froid sous pression - Google Patents

Reservoir etanche et isolant pour contenir un fluide froid sous pression

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EP2906866A2
EP2906866A2 EP13785499.8A EP13785499A EP2906866A2 EP 2906866 A2 EP2906866 A2 EP 2906866A2 EP 13785499 A EP13785499 A EP 13785499A EP 2906866 A2 EP2906866 A2 EP 2906866A2
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EP
European Patent Office
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pressure
sealed volume
sealed
membrane
tank according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13785499.8A
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German (de)
English (en)
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Laurent Spittael
Bruno Deletre
David LAFARE
Pierre Jolivet
David HASSLER
Amaury Mange
Benoît CAPITAINE
Ali Abdallah
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gaztransport et Technigaz SA
Original Assignee
Gaztransport et Technigaz SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gaztransport et Technigaz SA filed Critical Gaztransport et Technigaz SA
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    • F17C5/02Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures for filling with liquefied gases
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D16/00Control of fluid pressure
    • G05D16/20Control of fluid pressure characterised by the use of electric means

Definitions

  • the invention relates to the field of reservoirs that can contain fluids under pressure, in particular cold or hot fluids, and more particularly liquefied natural gas.
  • a cryogenic pressure-resistant tank is known in the form of a rigid metal cryogenic steel enclosure directly in contact with the cold fluid and externally surrounded by a thermal insulation.
  • a cryogenic pressure-resistant tank that must withstand both high pressure, for example 3 to 6 bar, and a low temperature, for example -163 ° C, requires the use of a large amount of metal alloys particularly expensive.
  • the invention provides a sealed and insulating tank for containing a cold fluid under pressure, the tank comprising:
  • an insulating barrier disposed between the waterproof membrane and the inner surface of the rigid enclosure, the insulating barrier forming a support surface for supporting the waterproof membrane
  • a pressure balancing device adapted to limit a pressure differential between a first sealed volume located inside the sealed membrane and a second sealed volume located outside the sealed membrane.
  • such a reservoir may include one or more of the following features.
  • the balancing device comprises an automatic pressure regulating device connected to the second sealed volume and adapted to increase or decrease the pressure in the second sealed volume according to a pressure setpoint.
  • the automatic pressure regulating device is able to determine the pressure setpoint as a function of a pressure measured in the first sealed volume.
  • the automatic pressure regulating device comprises a controlled compressor capable of injecting a gas into the second sealed volume to increase the pressure in the second sealed volume, in particular to regulate the pressure in the second sealed volume as a function of the pressure difference between the two volumes.
  • the cold fluid comprises methane in the liquid state and the gas in the second volume comprises methane in the gaseous state.
  • the automatic pressure regulating device comprises a heater whose input is connected to the first sealed volume, the heater being able to supply the compressor with gaseous methane obtained by heating liquid or gaseous methane taken from the first sealed volume.
  • the automatic pressure regulating device comprises a controlled valve adapted to put in communication the second sealed volume with a discharge tank to reduce the pressure in the second sealed volume.
  • the controlled compressor comprises a suction pipe connected to the discharge tank.
  • the balancing device comprises a first pressure limiter adapted to pass fluid from the second sealed volume to the first sealed volume when the pressure in the second sealed volume exceeds the pressure in the first sealed volume. a first predetermined positive threshold.
  • the balancing device comprises a second pressure limiter capable of passing fluid from the first sealed volume to the second sealed volume when the pressure in the first sealed volume exceeds the pressure in the second sealed volume. a second predetermined positive threshold.
  • Such a pressure limiter makes it possible to prevent the membrane from being damaged due to excessive overpressure in the first sealed volume.
  • a membrane is generally more resistant to overpressure, which compresses it against its support, than to a depression that tends to pull it off.
  • the second positive threshold is greater than the first positive threshold.
  • the balancing device comprises a fluid circuit having two chambers separated in a sealed manner by a mobile separator, a first of the chambers being connected to the first sealed volume and a second of the chambers being connected to the second sealed volume, the mobile separator being able to exert a loading force towards the second chamber to maintain a positive pressure differential between the second sealed volume and the first sealed volume.
  • the movable separator comprises a piston sliding in a cylinder, the loading force being exerted by a spring coupled to the piston.
  • the mobile separator comprises a quantity of liquid contained in the fluid circuit, the fluid circuit having a portion oriented vertically in the gravitational field to produce the loading force hydrostatically.
  • the balancing device comprises a fluid circuit comprising a connecting pipe having two chambers separated in a sealed manner by a separator movably disposed in the connecting pipe, a first of the chambers being connected to the first sealed volume. and an second of the chambers being connected to the second sealed volume, the fluid circuit comprising a discharge pipe having an opening opening into the connecting pipe, the mobile separator being able to move between neutral positions in which the movable separator closes the opening of the discharge line for sealingly separating the discharge line from the first and second chambers and the discharge positions in which the movable separator discovers the opening of the discharge line so as to fluidly interconnect the discharge line with one of the first and second bedrooms.
  • the balancing device further comprises a return member coupled to the movable separator to constrain the movable separator to a neutral position.
  • the reservoir further comprises:
  • a second pressure equalization device adapted to limit a pressure differential between a third sealed volume located between the rigid enclosure and the secondary sealed membrane and the second sealed volume, the second sealed volume being located between the primary waterproof membrane and the secondary waterproof membrane.
  • the primary waterproof membrane is metallic and the or each insulating barrier consists of a plurality of heat-insulated blocks juxtaposed.
  • the invention also provides a fuel supply system for a power generation installation, for example embedded in a ship or located on the ground, the supply system comprising the aforementioned tank filled with a quantity of liquefied gas in two-phase equilibrium under a relative pressure that may be greater than 3 bar, and a supply circuit connecting the reservoir to the power plant to supply the pressurized gas to the production plant; 'energy.
  • a fuel supply system for a power generation installation, for example embedded in a ship or located on the ground
  • the supply system comprising the aforementioned tank filled with a quantity of liquefied gas in two-phase equilibrium under a relative pressure that may be greater than 3 bar, and a supply circuit connecting the reservoir to the power plant to supply the pressurized gas to the production plant; 'energy.
  • An idea underlying the invention is to use membrane tank technology to make a reservoir with relatively high pressures, for example between 3 and 10 bar. This technology makes it possible to use a relatively small amount of metal to achieve the primary sealing function, which allows costs to be limited even if
  • Some aspects of the invention depart from the idea of reliably controlling the pressure differential between the two sides of a waterproof membrane to protect the sealed membrane from any substantial stress that may result from such a differential. Some aspects of the invention start from the idea of providing several independent control devices to improve the operating reliability of such a control.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a reservoir according to a first embodiment.
  • Figure 2 is a schematic representation of a valve safety device that can be used with the reservoir of Figure 1.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a mechanical pressure regulating device that can be used with the reservoir of FIG. 1.
  • Figure 4 is a schematic representation of another mechanical safety device regulating a pressure differential between two adjacent spaces and can be used with the reservoir of Figure 1.
  • FIG. 5 is a schematic representation of another mechanical pressure regulating device that can be used with the reservoir of FIG.
  • FIG. 6 is a schematic representation of an automatic pressure regulating system that can be used with the reservoir of FIG.
  • Figure 7 is a schematic sectional view of a reservoir according to a second embodiment.
  • Figure 8 is a schematic perspective cutaway view of a reservoir according to a third embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic sectional view of a wall structure suitable for producing the reservoir of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a schematic sectional view of another wall structure suitable for producing the reservoir of FIG. 8.
  • a cylindrical overall shape reservoir is shown in cross section and contains a liquid 2 under a positive relative pressure, that is to say an absolute pressure greater than the ambient atmospheric pressure.
  • the tank wall successively comprises, from the inside to the outside, a primary membrane 1, for example metallic, which directly contains the liquid 2, a layer of thermal insulation material 3 whose inner surface supports the primary membrane 1 , and a rigid outer enclosure 4, for example steel.
  • a pressure equalization system 5 acts on the pressure inside the primary membrane 1 and / or on the pressure outside the primary membrane 1 in the insulation layer 3, so as to contain the pressure differential between these two spaces in predefined limited margins.
  • the pressure balancing device 5 ensures that the pressure inside the sealed membrane 1 is essentially taken up by the rigid outer enclosure 4, and not by the sealed membrane 1, so that the watertight membrane 1 and insulation layer 3 should essentially only take over the the weight of the liquid 2.
  • the rigid outer enclosure 4 is for its part sized according to the range of operating pressure provided for this tank.
  • the liquid 2 is a liquefied natural gas (LNG), that is to say a mixture with a high methane content, stored under a pressure of 3 to 6 bar at a liquid-vapor equilibrium temperature. strongly negative.
  • LNG liquefied natural gas
  • This pressurized LNG can in particular be used to supply the heat engines 8 of a LNG-type vessel, or any other similar engine, through the supply line 6 illustrated schematically in FIG.
  • the pressure equalizing device 5 may comprise one or more pressure control means, examples of which will be given below.
  • FIG. 2 represents a valve safety device 10 which ensures that the pressure Pe prevailing outside the membrane 1 remains in the following margins around the pressure P1 prevailing inside the membrane 1:
  • the safety device 10 comprises a pipe 11 connected to the inner space of the membrane 1, a pipe 12 connected to the outer space of the membrane 1 and two pressure limiters 14 and 15 connected in parallel and in opposite directions between the conduits 11 and 12.
  • the pressure limiter 14 opens to let fluid flow from the pipe 11 to the pipe 12 when the pressure differential reaches a threshold of +100 mbar.
  • the pressure limiter 15 opens to let fluid escape from the pipe 12 to the pipe 11 when the pressure differential reaches a threshold of +30 mbar.
  • Figure 6 shows an automatic pressure regulating system
  • the system 20 comprises a pipe 21 opening into the insulating layer 3, a pressurized fluid reservoir 22 for storing the control fluid, an injection circuit 23 connecting the reservoir 22 to the pipe 21 for injecting fluid from the tank to the insulation layer 3, and a parallel extraction circuit 26 connecting the reservoir 22 to the pipe 21 to extract fluid from the insulation layer 3 to the reservoir 22.
  • the injection circuit 23 comprises a compressor 24 which sucks in the reservoir 22 and delivers it into the pipe 21 through a solenoid valve 25.
  • the extraction circuit 26 comprises a solenoid valve 27 between the reservoir 22 and the pipe 21.
  • the solenoid valves 25 and 27, as well as the compressor 24, are controlled by a control device 28 as a function of the pressure values Pi and Pe measured inside and outside the membrane 1 by a measurement system, not shown.
  • the system 20 regulates the pressure PI according to a predefined setpoint, which may be identical to the equation (1) above.
  • the liquid 2 contained in the tank is a liquefied gas, for example LNG
  • the same body in the gaseous state as a control fluid for the system 20, namely methane gas in the case of LNG.
  • This body in the gaseous state can be obtained from the liquefied gas subjected to preheating.
  • the system 20 preferably comprises a heating device 29 connected to the interior of the tank by a pipe 98 arranged to withdraw the liquid phase 2 in the bottom of the tank 1.
  • a different gas can be used to regulate the pressure in the insulation space 3 with respect to the contents of the tank 1.
  • the pipe 98 is suppressed, the different gas reserve being the tank 22.
  • the reservoir 22 contains the pressurized gas so as to be able to reinject it directly into the isolation space 3.
  • the compressor 24 can be mounted in the other direction to discharge into the reservoir 22 and suck in the pipe 21 through the solenoid valve 25.
  • the mechanical device 30 is a piston pressure accumulator comprising a cylindrical chamber 31, a piston 32 sealingly sliding in the cylindrical chamber 31, and a compression spring 35 housed in the enclosure cylindrical 31 between the piston 32 and one end 33 of the enclosure for charging the piston towards the opposite end 34.
  • a pipe 36 connects the end 33 of the enclosure 31 to the inner space of the membrane 1 and a pipe 37 connects the end 34 of the enclosure 31 to the outer space of the membrane 1.
  • the device 30 makes it possible to maintain an overpressure in the outer space of the membrane 1, for example about 100 mbar, in particular in addition to the action of the regulation system 20 and in order to limit the interventions of the system 20 .
  • position sensors 38 and 39 detect the extreme positions reached by the piston 32, which correspond to the exceeding of the desired pressure setpoints, and then send corresponding control signals, for example to the control system 20.
  • FIG. 4 represents a mechanical safety device 70 making it possible to create a discharge from the internal space of the membrane 1 or the outer space of the membrane 1 towards a reference pressure, for example towards the atmospheric pressure, when the pressure Pi or the pressure Pe becomes too high, for example due to a malfunction of a control device.
  • the safety device 70 comprises a main pipe 71 whose end 72 is connected to the internal space of the membrane 1 and an opposite end 73 is connected to the outer space of the membrane 1.
  • a thick piston 74 slides from sealingly in the pipe 71 so as to separate in the pipe 71 a first volume 75 connected to the outer space of the membrane 1 by the end 73 and a second volume 76 connected to the inner space of the membrane 1 by the end 72.
  • a discharge pipe 77 opens into an intermediate portion of the main pipe 71 at an opening 78 so as to put the pipe 71 in communication with a reference pressure, for example atmospheric pressure.
  • the pipe 77 comprises a mast whose upper end opens into the environment.
  • the piston 74 is shown in a neutral position in which it seals the opening 78. Due to its thickness, the piston 74 can slide over a certain range without discovering the opening 78 in response to small pressure variations. Pe and Pi.
  • An elastic return spring 79 housed in the pipe 71 couples the piston 74 to the wall of the pipe 71 so as to return the piston 74 to the neutral position when the pressure difference
  • FIG. 5 shows a hydrostatic device 40 for regulating the pressure Pe within a limited range above the pressure Pi, so as to absorb slight variations in pressure.
  • the hydrostatic device 40 comprises a vertical cylindrical enclosure 41 containing a first quantity of liquid 42, a siphon pipe 43 which rises from the bottom of the enclosure 41 to contain a second quantity of liquid 45, whose interface has been shown 44 for illustrative purposes.
  • a pipe 46 connects the top of the enclosure 41 to the interior space of the membrane 1.
  • a pipe 47 provided with an overflow tank 48 connects the top of the siphon pipe 43 to the outer space of the membrane 1.
  • the hydrostatic device 40 is an alternative to the mechanical device 30 and can perform the same functions. In particular, it exerts a pressure ⁇ equal to:
  • p is the density of the liquid 42
  • g is the acceleration of the gravity
  • z is the difference in level between the two interfaces 44 and 49 of the liquid, the remainder of the device 40 being filled with gas.
  • several of the devices described above are provided in combination to control the pressure Pe with several levels of security and sensitivity.
  • the devices 10, 20 and 30 or 10, 20 and 40 can be combined on the same reservoir.
  • Figure 7 shows another reservoir containing a liquid 2 under pressure. Elements similar to those in Figure 1 bear the same reference numerals.
  • the reservoir of FIG. 7 comprises two successive sealing membranes, namely the primary membrane 1 and a secondary membrane 7 disposed between the primary insulation layer 3 and a secondary insulation layer 9.
  • a second pressure equalization system 50 acts in the same manner as previously on the pressure inside the secondary membrane 7 and / or on the pressure prevailing on the outside. the secondary membrane 7 in the insulation layer 9, so as to contain the pressure differential between these two spaces in predefined limited margins.
  • the system 50 may comprise one or more of the devices described with reference to the system 5.
  • the pressure Ps in the secondary space 9 is regulated according to the setpoint:
  • FIG. 7 shows filling lines 51, 52, 53 controlled by valves 54, 55, 56 for respectively the interior space of the primary membrane 1, the primary space 3 and the secondary space 9.
  • the operating pressure in these different spaces is about 6 bar.
  • the membranes are made of thin welded metal sheets.
  • modular constructions from insulating blocks are advantageous.
  • FIG. 8 represents an exemplary embodiment of such insulating blocks 60 on the different walls of the cylindrical tank.
  • Other geometries of the reservoir are also conceivable, for example polyhedral or parallelepipedic.
  • FIG. 9 shows in more detail a membrane wall structure that can be used inside the rigid enclosure 4.
  • the primary and secondary secondary waterproof membranes 3 are here made of flat strakes 61 with raised edges made of a strong alloy. nickel content and very low coefficient of thermal expansion, known as invar ®.
  • the primary and secondary insulation layers 3 9 are made from juxtaposed boxes 63, whose structure is for example made of plywood and which are filled with a non-structural insulator such as perlite or glass wool.
  • the raised edges of two adjacent strakes 61 are each welded on either side of an elongated welding support 62 which is retained on the cover panel of the boxes 63. Such an embodiment is well known elsewhere in ships LNG.
  • FIG. 10 shows in more detail another membrane wall structure that can be used inside the rigid enclosure 4.
  • the primary waterproof membrane 1 is here made of stainless steel sheets having networks of intersecting corrugations. 65 to present elasticity in all directions of the plane.
  • the primary 3 and secondary insulation layers 9 and the secondary waterproof membrane 7 are made from prefabricated panels 64 having a respective polyurethane foam layer 66 for each insulation barrier and a thickness of sealed composite material 67 bonded between two layers of foam 66 to form the secondary waterproof membrane 7.
  • the sealed composite material 67 comprises a metal sheet and glass fiber mattresses bonded by a polymer resin. Such an embodiment is well known elsewhere in the LNG carriers.

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Abstract

Un réservoir étanche et isolant pour contenir un fluide froid sous pression, le réservoir comportant : une enceinte rigide étanche (4), une membrane étanche (l) destinée à être en contact avec le fluide froid contenu dans le réservoir, une barrière isolante (3) disposée entre la membrane étanche et la surface interne de l'enceinte rigide, la barrière isolante formant une surface de support pour supporter la membrane étanche, et un dispositif d'équilibrage de pression (5) apte à limiter un différentiel de pression entre un premier volume étanche (2) situé à l'intérieur de la membrane étanche et un deuxième volume étanche (3) situé à l'extérieur de la membrane étanche.

Description

Réservoir étanche et isolant pour contenir un fluide froid sous pression
L'invention se rapporte au domaine des réservoirs pouvant contenir des fluides sous pression, en particulier des fluides froids ou chauds, et plus particulièrement du gaz naturel liquéfié.
On connaît un réservoir cryogénique résistant à la pression sous la forme d'une enceinte métallique rigide en acier cryogénique directement en contact avec le fluide froid et entourée extérieurement d'une isolation thermique. Toutefois, une telle enceinte qui doit résister à la fois à une pression élevée, par exemple 3 à 6 bar, et à une température basse, par exemple -163°C, nécessite l'emploi d'une grande quantité d'alliages métalliques particulièrement coûteux.
Selon un mode de réalisation, l'invention fournit un réservoir étanche et isolant pour contenir un fluide froid sous pression, le réservoir comportant :
une enceinte rigide étanche,
une membrane étanche destinée à être en contact avec le fluide froid contenu dans le réservoir,
une barrière isolante disposée entre la membrane étanche et la surface interne de l'enceinte rigide, la barrière isolante formant une surface de support pour supporter la membrane étanche, et
un dispositif d'équilibrage de pression apte à limiter un différentiel de pression entre un premier volume étanche situé à l'intérieur de la membrane étanche et un deuxième volume étanche situé à l'extérieur de la membrane étanche.
Selon des modes de réalisation, un tel réservoir peut comporter une ou plusieurs de caractéristiques suivantes.
Selon un mode de réalisation, le dispositif d'équilibrage comporte un dispositif de régulation de pression automatique relié au deuxième volume étanche et apte à accroître ou diminuer la pression dans le deuxième volume étanche en fonction d'une consigne de pression. Selon un mode de réalisation, le dispositif de régulation de pression automatique est apte à déterminer la consigne de pression en fonction d'une pression mesurée dans le premier volume étanche.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de régulation de pression automatique comporte un compresseur commandé apte à injecter un gaz dans le deuxième volume étanche pour augmenter la pression dans le deuxième volume étanche, notamment pour réguler la pression dans le deuxième volume étanche en fonction de la différence de pression entre les deux volumes.
Selon un mode de réalisation, le fluide froid comporte du méthane à l'état liquide et le gaz dans le deuxième volume comporte du méthane à l'état gazeux. De préférence dans ce cas, le dispositif de régulation de pression automatique comporte un réchauffeur dont une entrée est reliée au premier volume étanche, le réchauffeur étant apte à alimenter le compresseur avec du méthane gazeux obtenu en réchauffant du méthane liquide ou gazeux prélevé dans le premier volume étanche.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de régulation de pression automatique comporte une vanne commandée apte à mettre en communication le deuxième volume étanche avec un réservoir de décharge pour diminuer la pression dans le deuxième volume étanche.
Selon un mode de réalisation, le compresseur commandé comporte une conduite d'aspiration reliée au réservoir de décharge.
Selon un mode de réalisation, le dispositif d'équilibrage comporte un premier limiteur de pression apte à faire passer du fluide depuis le deuxième volume étanche vers le premier volume étanche lorsque la pression dans le deuxième volume étanche dépasse la pression dans le premier volume étanche d'un premier seuil positif prédéterminé.
Un tel limiteur de pression permet d'empêcher que la membrane ne soit arrachée de son support du fait d'une dépression trop importante dans le premier volume étanche. Selon un mode de réalisation, le dispositif d'équilibrage comporte un deuxième limiteur de pression apte à faire passer du fluide depuis le premier volume étanche vers le deuxième volume étanche lorsque la pression dans le premier volume étanche dépasse la pression dans le deuxième volume étanche d'un deuxième seuil positif prédéterminé.
Un tel limiteur de pression permet d'empêcher que la membrane ne soit endommagée du fait d'une surpression trop importante dans le premier volume étanche. Toutefois, une telle membrane est généralement plus résistante à la surpression, qui la comprime contre son support, qu'à une dépression qui tend à l'arracher.
Selon un mode de réalisation, le deuxième seuil positif est supérieur au premier seuil positif.
Selon un mode de réalisation, le dispositif d'équilibrage comporte un circuit fluide présentant deux chambres séparées de manière étanche par un séparateur mobile, une première des chambres étant reliée au premier volume étanche et une deuxième des chambres étant reliée au deuxième volume étanche, le séparateur mobile étant apte à exercer une force de chargement en direction de la deuxième chambre pour maintenir un différentiel de pression positif entre le deuxième volume étanche et le premier volume étanche.
Selon un mode de réalisation, le séparateur mobile comporte un piston coulissant dans un cylindre, la force de chargement étant exercée par un ressort couplé au piston.
Selon un mode de réalisation, le séparateur mobile comporte une quantité de liquide contenue dans le circuit fluide, le circuit fluide comportant une portion orientée de manière verticale dans le champ de gravité pour produire la force de chargement de manière hydrostatique.
Selon un mode de réalisation, le dispositif d'équilibrage comporte un circuit fluide comportant une conduite de liaison présentant deux chambres séparées de manière étanche par un séparateur disposé de manière mobile dans la conduite de liaison, une première des chambres étant reliée au premier volume étanche et une deuxième des chambres étant reliée au deuxième volume étanche, le circuit fluide comportant une conduite de décharge présentant une ouverture débouchant dans la conduite de liaison, le séparateur mobile étant apte à se déplacer entre des positions neutres dans lesquelles le séparateur mobile obture l'ouverture de la conduite de décharge de manière à séparer de manière étanche la conduite de décharge des première et deuxième chambres et des positions de décharge dans lesquelles le séparateur mobile découvre l'ouverture de la conduite de décharge de manière à mettre en communciation fluide la conduite de décharge avec l'une des première et deuxième chambres.
Selon un mode de réalisation, le dispositif d'équilibrage comporte en outre un organe de rappel couplé au séparateur mobile pour contraindre le séparateur mobile vers une position neutre.
Selon un mode de réalisation, le réservoir comporte en outre :
une membrane étanche secondaire et une barrière isolante secondaire disposées entre la barrière isolante et la surface interne de l'enceinte rigide, et
un deuxième dispositif d'équilibrage de pression apte à limiter un différentiel de pression entre un troisième volume étanche situé entre l'enceinte rigide et la membrane étanche secondaire et le deuxième volume étanche, le deuxième volume étanche étant situé entre la membrane étanche primaire et la membrane étanche secondaire.
Selon un mode de réalisation, la membrane étanche primaire est métallique et la ou chaque barrière isolante est constituée d'une pluralité de blocs calorifuges juxtaposés.
Selon un mode de réalisation, l'invention fournit aussi un système d'alimentation en combustible pour une installation de production d'énergie, par exemple embarquée dans un navire ou située à terre, le système d'alimentation comportant le réservoir précité rempli d'une quantité de gaz liquéfié en équilibre diphasique sous une pression relative pouvant être supérieure à 3 bar, et un circuit d'alimentation reliant le réservoir à l'installation de production d'énergie pour fournir le gaz sous pression à l'installation de production d'énergie. Une idée à la base de l'invention est d'utiliser la technologie des réservoirs à membrane pour réaliser un réservoir tenant des pressions relativement élevées, par exemple entre 3 et 10 bar. Cette technologie permet d'employer une quantité relativement faible de métal pour réaliser la fonction d'étanchéité primaire, ce qui permet de limiter les coûts même si des alliages spéciaux doivent être employés. Cette technologie permet également d'isoler thermiquement la structure porteuse dans laquelle le réservoir est construit par rapport au fluide contenu dans la cuve, de sorte que la structure porteuse peut être réalisée avec des matériaux traditionnels moins coûteux que les matériaux conçus pour résister aux températures extrêmes.
Certains aspects de l'invention partent de l'idée de contrôler de manière sûre le différentiel de pression entre les deux côtés d'une membrane étanche pour protéger la membrane étanche de toute sollicitation substantielle pouvant résulter d'un tel différentiel. Certains aspects de l'invention partent de l'idée de prévoir plusieurs dispositifs de contrôle indépendants pour améliorer la fiabilité de fonctionnement d'un tel contrôle.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
Sur ces dessins :
• La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un réservoir selon un premier mode de réalisation.
• La figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de sécurité à soupapes pouvant être utilisé avec le réservoir de la figure 1.
· La figure 3 est une représentation schématique d'un dispositif mécanique de régulation de pression pouvant être utilisé avec le réservoir de la figure 1.
• La figure 4 est une représentation schématique d'un autre dispositif mécanique de sécurité régulant un différentiel de pression entre deux espaces adjacents et pouvant être utilisé avec le réservoir de la figure 1. • La figure 5 est une représentation schématique d'un autre dispositif mécanique de régulation de pression pouvant être utilisé avec le réservoir de la figure 1.
• La figure 6 est une représentation schématique d'un système de régulation de pression automatique pouvant être utilisé avec le réservoir de la figure
1.
• La figure 7 est une vue schématique en coupe d'un réservoir selon un deuxième mode de réalisation.
• La figure 8 est une vue schématique en perspective écorchée d'un réservoir selon un troisième mode de réalisation.
• La figure 9 est une vue schématique en coupe d'une structure de paroi convenant pour réaliser le réservoir de la figure 8.
• La figure 10 est une vue schématique en coupe d'une autre structure de paroi convenant pour réaliser le réservoir de la figure 8.
En référence à la figure 1, un réservoir de forme globale cylindrique est représenté en coupe transversale et contient un liquide 2 sous une pression relative positive, c'est-à-dire une pression absolue supérieure à la pression atmosphérique ambiante. La paroi de réservoir comporte successivement, depuis l'intérieur vers l'extérieur, une membrane primaire 1, par exemple métallique, qui contient directement le liquide 2, une couche de matière d'isolation thermique 3 dont la surface intérieure supporte la membrane primaire 1, et une enceinte extérieure rigide 4, par exemple en acier.
Un système d'équilibrage de pression 5 agit sur la pression régnant à l'intérieur de la membrane primaire 1 et/ou sur la pression régnant à l'extérieur de la membrane primaire 1 dans la couche d'isolation 3, de manière à contenir le différentiel de pression entre ces deux espaces dans des marges limitées prédéfinie. Ainsi, le dispositif d'équilibrage de pression 5 assure que la pression régnant à l'intérieur de la membrane étanche 1 est essentiellement reprise par l'enceinte extérieure rigide 4, et non par la membrane étanche 1, de sorte la membrane étanche 1 et la couche d'isolation 3 ne doivent reprendre essentiellement que le poids du liquide 2. L'enceinte extérieure rigide 4 est pour sa part dimensionnée en fonction de la gamme de pression de fonctionnement prévue pour ce réservoir.
Selon une application possible, le liquide 2 est un gaz naturel liquéfié (GNL), c'est-à-dire un mélange à forte teneur en méthane, stocké sous une pression de 3 à 6 bar à une température d'équilibre liquide-vapeur fortement négative. Ce GNL sous pression peut notamment être utilisé pour alimenter les moteurs thermiques 8 d'un navire de type méthanier, ou tout autre moteur analogue, à travers la conduite d'alimentation 6 illustrée schématiquement sur la figure 1.
Le dispositif d'équilibrage de pression 5 peut comporter un ou plusieurs moyens de contrôle de pression dont on va donner des exemples ci-après.
La figure 2 représente un dispositif de sécurité à soupapes 10 qui garantit que la pression Pe régnant à l'extérieur de la membrane 1 reste dans les marges suivantes autour de la pression Pi régnant à l'intérieur de la membrane 1 :
Pi - 100 mbar < Pe < Pi + 30 mbar Eq. (1)
Le dispositif de sécurité 10 comporte une conduite 11 reliée à l'espace intérieur de la membrane 1, une conduite 12 reliée à l'espace extérieur de la membrane 1 et deux limiteurs de pression 14 et 15 montés en parallèle et en sens opposés entre les conduites 11 et 12. Le limiteur de pression 14 s'ouvre pour laisser échapper du fluide depuis la conduite 11 vers la conduite 12 lorsque le différentiel de pression atteint un seuil de +100 mbar. Le limiteur de pression 15 s'ouvre pour laisser échapper du fluide depuis la conduite 12 vers la conduite 11 lorsque le différentiel de pression atteint un seuil de +30 mbar. Ce dispositif simple et fiable a toutefois l'inconvénient de faire pénétrer du fluide froid dans la couche d'isolation 3, donc de refroidir l'enceinte extérieure rigide 4.
La figure 6 représente un système de régulation de pression automatique
20 pour réguler la pression dans l'espace extérieur de la membrane 1 par injection et extraction contrôlée d'un fluide. Le système 20 comporte une conduite 21 débouchant dans la couche d'isolation 3, un réservoir de fluide sous pression 22 pour stocker le fluide de régulation, un circuit d'injection 23 reliant le réservoir 22 à la conduite 21 pour injecter du fluide depuis le réservoir vers la couche d'isolation 3, et un circuit parallèle d'extraction 26 reliant le réservoir 22 à la conduite 21 pour extraire du fluide depuis la couche d'isolation 3 vers le réservoir 22.
Le circuit d'injection 23 comporte un compresseur 24 qui aspire dans le réservoir 22 et refoule dans la conduite 21 à travers une électrovanne 25. Le circuit d'extraction 26 comporte une électrovanne 27 entre le réservoir 22 et la conduite 21. Les électrovannes 25 et 27, ainsi que le compresseur 24, sont commandés par un dispositif de commande 28 en fonction des valeurs de pression Pi et Pe mesurées à l'intérieur et à l'extérieur de la membrane 1 par un système de mesure non représenté. Ainsi, le système 20 régule la pression PI en fonction d'une consigne prédéfinie, qui peut être identique à l'équation (1) ci-dessus.
Dans le cas où le liquide 2 contenu dans le réservoir est un gaz liquéfié, par exemple du GNL, il est avantageux d'utiliser le même corps à l'état gazeux comme fluide de régulation pour le système 20, à savoir du méthane gazeux dans le cas du GNL. Ce corps à l'état gazeux pourra être obtenu à partir du gaz liquéfié soumis à un réchauffage préalable. Pour cela, Le système 20 comporte de préférence un dispositif de réchauffage 29 relié à l'espace intérieur du réservoir par une conduite 98 agencée pour prélever la phase liquide 2 dans le fond du réservoir 1.
Dans une variante, un gaz différent peut être employé pour réguler la pression dans l'espace d'isolation 3 par rapport au contenu du réservoir 1. Dans ce cas, la conduite 98 est supprimée, la réserve du gaz différent étant le réservoir 22.
Dans une variante non représentée, le réservoir 22 contient le gaz sous pression de manière à pouvoir le réinjecter directement dans l'espace d'isolation 3. Dans ce cas, le compresseur 24 peut être monté dans l'autre sens pour refouler dans le réservoir 22 et aspirer dans la conduite 21 à travers l'électrovanne 25.
En référence à la figure 3, on décrit maintenant un dispositif mécanique 30 permettant de réguler la pression Pe à l'intérieur d'une plage limitée au-dessus de la pression Pi, de manière à absorber de légères variations de pression. Le dispositif mécanique 30 se présente comme un accumulateur de pression à piston comportant une enceinte cylindrique 31, un piston 32 coulissant de manière étanche dans l'enceinte cylindrique 31, et un ressort de compression 35 logé dans l'enceinte cylindrique 31 entre le piston 32 et une extrémité 33 de l'enceinte pour charger le piston en direction de l'extrémité opposée 34. Une conduite 36 relie l'extrémité 33 de l'enceinte 31 à l'espace intérieur de la membrane 1 et une conduite 37 relie l'extrémité 34 de l'enceinte 31 à l'espace extérieur de la membrane 1.
En service le dispositif 30 permet de maintenir une surpression dans l'espace extérieur de la membrane 1, par exemple d'environ 100 mbar, en particulier en complément de l'action du système de régulation 20 et afin de limiter les interventions du système 20.
Selon un mode de réalisation, des capteurs de position 38 et 39 détectent les positions extrêmes atteintes par le piston 32, qui correspondent au dépassement des consignes de pression souhaitées, et envoient alors des signaux de commandes correspondants, par exemple au système de régulation 20.
La figure 4 représente un dispositif mécanique de sécurité 70 permettant de créer une décharge depuis l'espace intérieur de la membrane 1 ou l'espace extérieur de la membrane 1 vers une pression de référence, par exemple vers la pression atmosphérique, lorsque la pression Pi ou la pression Pe devient trop élevée, par exemple en raison d'un dysfonctionnement d'un dispositif de régulation.
Le dispositif de sécurité 70 comporte une conduite principale 71 dont une extrémité 72 est reliée à l'espace intérieur de la membrane 1 et une extrémité opposée 73 est reliée à l'espace extérieur de la membrane 1. Un piston de forte épaisseur 74 coulisse de manière étanche dans la conduite 71 de manière à séparer dans la conduite 71 un premier volume 75 relié à l'espace extérieur de la membrane 1 par l'extrémité 73 et un deuxième volume 76 relié à l'espace intérieur de la membrane 1 par l'extrémité 72.
Une conduite de décharge 77 débouche dans une portion intermédiaire de la conduite principale 71 au niveau d'une ouverture 78 pour pouvoir mettre en communication la conduite 71 avec une pression de référence, par exemple la pression atmosphérique. Dans un mode de réalisation correspondant, la conduite 77 comprend un mât dont l'extrémité supérieure débouche dans l'environnement. Le piston 74 est représenté dans une position neutre dans laquelle il obture de manière étanche l'ouverture 78. Du fait de son épaisseur, le piston 74 peut coulisser sur une certaine plage sans découvrir l'ouverture 78 en réponse à de petites variations des pressions Pe et Pi. Toutefois, Si l'écart |Pe-Pi| devient trop élevé, le piston 74 coulisse dans celui des volumes 75 et 76 où la pression est la moins haute jusqu'à découvir l'(ouverture 78, ce qui met l'autre volume 75 ou 76 où la pression est la plus haute en communication avec la conduite de décharge 77 pour faire redescendre rapidemtn cette pression haute. Le dispositif de sécurité 70 est bien destiné à être utilisé dans un réservoir où les deux pressions Pe et Pi sont et restent supérieures à la pression de référence.
Un ressort de rappel élastique 79 logé dans la conduite 71 accouple le piston 74 à la paroi de la conduite 71 de manière à faire revenir le piston 74 dans la position neutre lorsque l'écart de pression |Pe - Pi| est redescendu.
La figure 5 représente un dispositif hydrostatique 40 permettant de réguler la pression Pe à l'intérieur d'une plage limitée au-dessus de la pression Pi, de manière à absorber de légères variations de pression. Le dispositif hydrostatique 40 comporte une enceinte cylindrique verticale 41 contenant une première quantité de liquide 42, un tuyau en siphon 43 qui remonte à partir du fond de l'enceinte 41 pour contenir une deuxième quantité de liquide 45, dont on a représenté l'interface 44 à titre illustratif. Une conduite 46 relie le sommet de l'enceinte 41 à l'espace intérieur de la membrane 1. Une conduite 47 munie d'un réservoir de débordement 48 relie le sommet du tuyau en siphon 43 à l'espace extérieur de la membrane 1.
Le dispositif hydrostatique 40 est une alternative du dispositif mécanique 30 et peut remplir les mêmes fonctions. En particulier, il exerce une surpression ΔΡ égale à :
ΔΡ = p.g.z Eq. (2)
Où p est la masse volumique du liquide 42, g est l'accélération de la gravité et z est la différence de niveau entre les deux interfaces 44 et 49 du liquide, le reste du dispositif 40 étant rempli de gaz. Selon un mode de réalisation préféré, plusieurs des dispositifs décrits ci- dessus sont prévus en combinaison pour contrôler la pression Pe avec plusieurs niveaux de sécurité et de sensibilité. En particulier on peut combiner les dispositifs 10, 20 et 30 ou 10, 20 et 40 sur le même réservoir.
La figure 7 représente un autre réservoir contenant un liquide 2 sous pression. Les éléments similaires à ceux de la figure 1 portent les mêmes chiffres de référence. Le réservoir de la figure 7 comporte deux membranes d'étanchéité successives, à savoir la membrane primaire 1 et une membrane secondaire 7 disposée entre la couche d'isolation primaire 3 et une couche d'isolation secondaire 9.
Pour protéger la membrane secondaire 7 des efforts excessifs, un deuxième système d'équilibrage de pression 50 agit de la même manière que précédemment sur la pression régnant à l'intérieur de la membrane secondaire 7 et/ou sur la pression régnant à l'extérieur de la membrane secondaire 7 dans la couche d'isolation 9, de manière à contenir le différentiel de pression entre ces deux espaces dans des marges limitées prédéfinie. Le système 50 peut comporter un ou plusieurs des dispositifs décrits en référence au système 5.
Selon un mode de réalisation, la pression Ps dans l'espace secondaire 9 est régulée selon la consigne :
Pe + 2 mbar < Ps < Pe + 7 mbar Eq. (3)
Par ailleurs, la figure 7 montre des conduites de remplissage 51, 52, 53 contrôlées par des vannes 54, 55, 56 pour respectivement l'espace intérieur de la membrane primaire 1, l'espace primaire 3 et l'espace secondaire 9. Selon un mode de réalisation, la pression de service dans ces différents espaces est d'environ 6 bar.
De nombreuses techniques peuvent être utilisées pour réaliser les membranes étanches et les couches d'isolation. De préférence, les membranes sont réalisées en fines tôles métalliques soudées. Pour les couches isolantes, des constructions modulaires à partir de blocs isolants sont avantageuses. La figure 8 représente un exemple de réalisation de tels blocs isolants 60 sur les différentes parois du réservoir cylindrique. D'autres géométrie du réservoir sont aussi envisageables, par exemple polyédriques ou parallélépipédiques.
La figure 9 représente de manière plus détaillée une structure de paroi à membranes pouvant être utilisée à l'intérieur de l'enceinte rigide 4. Les membranes étanches primaire 1 et secondaire 3 sont ici réalisées en virures planes 61 à bords relevées en alliage à forte teneur en nickel et à très faible coefficient de dilatation thermique, connu sous le nom d'invar ®. Les couches d'isolation primaire 3 et secondaire 9 sont réalisées à partir de caisses juxtaposées 63, dont la structure est par exemple fabriquée en bois contreplaqué et qui sont remplies d'un isolant non structurel comme la perlite ou la laine de verre. Les bords relevés de deux virures 61 adjacentes sont à chaque fois soudés de part et d'autre d'un support de soudure allongé 62 qui est retenu sur le panneau de couvercle des caisses 63. Une telle réalisation est bien connue par ailleurs dans les navires méthaniers.
La figure 10 représente de manière plus détaillée une autre structure de paroi à membranes pouvant être utilisée à l'intérieur de l'enceinte rigide 4. La membrane étanche primaire 1 est ici réalisée en tôles d'acier inoxydable présentant des réseaux d'ondulations sécantes 65 pour présenter une élasticité dans toutes les directions du plan. Les couches d'isolation primaire 3 et secondaire 9 et la membrane étanche secondaire 7 sont réalisées à partir de panneaux préfabriqués 64 comportant une couche de mousse de polyuréthane respective 66 pour chaque barrière d'isolation et une épaisseur de matière composite étanche 67 collée entre les deux couches de mousse 66 pour former la membrane étanche secondaire 7. La matière composite étanche 67 comporte un feuille métallique est des matelas de fibre de verres liés par une résine polymère. Une telle réalisation est bien connue par ailleurs dans les navires méthaniers.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. L'usage du verbe « comporter », « comprendre » ou « inclure » et de ses formes conjuguées n'exclut pas la présence d'autres éléments ou d'autres étapes que ceux énoncés dans une revendication. L'usage de l'article indéfini « un » ou « une » pour un élément ou une étape n'exclut pas, sauf mention contraire, la présence d'une pluralité de tels éléments ou étapes.
Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication.

Claims

REVENDICATIONS
1. Réservoir étanche et isolant pour contenir un fluide froid sous pression, le réservoir comportant :
une enceinte rigide étanche (4),
une membrane étanche (l)destinée à être en contact avec le fluide froid contenu dans le réservoir,
une barrière isolante (3) disposée entre la membrane étanche et la surface interne de l'enceinte rigide, la barrière isolante formant une surface de support pour supporter la membrane étanche, et
un dispositif d'équilibrage de pression (5) apte à limiter un différentiel de pression entre un premier volume étanche (2) situé à l'intérieur de la membrane étanche et un deuxième volume étanche (3) situé à l'extérieur de la membrane étanche, caractérisé en ce que le dispositif d'équilibrage comporte un circuit de fluide (30, 40), présentant deux chambres séparées de manière étanche par un séparateur mobile (32, 42), une première des chambres étant reliée au premier volume étanche (2) et une deuxième des chambres étant reliée au deuxième volume étanche (3) et dans lequel le séparateur mobile est apte à exercer une force de chargement en direction de la deuxième chambre en réponse à un différentiel de pression positif entre le deuxième volume étanche et le premier volume étanche et une force de chargement en direction de la première chambre en réponse à un différentiel de pression positif entre le premier volume étanche et le second volume étanche.
2. Réservoir selon la revendication 1, dans lequel le séparateur mobile comporte un piston (32) coulissant dans un cylindre (31), la force de chargement étant exercée par un ressort (35) couplé au piston.
3. Réservoir selon la revendication 1, dans lequel le séparateur mobile comporte une quantité de liquide (42, 45) contenue dans le circuit fluide (41, 43), le circuit fluide comportant une portion (41) orientée de manière verticale dans le champ de gravité pour produire la force de chargement de manière hydrostatique.
4. Réservoir selon la revendication 1, dans lequel le circuit fluide comporte une conduite de liaison (71) comportant les deux chambres séparées, le circuit fluide comportant une conduite de décharge (77) présentant une ouverture (78) débouchant dans la conduite de liaison, le séparateur mobile (74) étant apte se déplacer entre des positions neutres dans lesquelles le séparateur mobile obture l'ouverture de la conduite de décharge de manière à séparer de manière étanche la conduite de décharge des première et deuxième chambres et des positions de décharge dans lesquelles le séparateur mobile découvre l'ouverture de la conduite de décharge de manière à mettre en communciation fluide la conduite de décharge avec l'une des première et deuxième chambres.
5. Réservoir selon la revendication 4, dans lequel le dispositif d'équilibrage comporte en outre un organe de rappel (79) couplé au séparateur mobile pour contraindre le séparateur mobile vers une position neutre.
6. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif d'équilibrage comporte un dispositif de régulation de pression automatique (20) relié au deuxième volume étanche et apte à accroître ou diminuer la pression dans le deuxième volume étanche en fonction d'une consigne de pression.
7. Réservoir selon la revendication 6, dans lequel le dispositif de régulation de pression automatique comporte un dispositif de commande apte à déterminer la consigne de pression en fonction d'une pression mesurée dans le premier volume étanche par un système de mesure.
8. Réservoir selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel le dispositif de régulation de pression automatique (20) comporte un compresseur commandé (24) apte à injecter un gaz dans le deuxième volume étanche pour réguler la pression dans le deuxième volume étanche.
9. Réservoir selon la revendication 8, dans lequel le fluide froid comporte du méthane à l'état liquide et le gaz dans le deuxième volume comporte du méthane à l'état gazeux, le dispositif de régulation de pression automatique (20) comportant un réchauffeur (29) dont une entrée est reliée au premier volume étanche (2), le réchauffeur (29) étant apte à alimenter le compresseur (24) avec du méthane gazeux obtenu en réchauffant du méthane liquide ou gazeux prélevé dans le premier volume étanche (2).
10. Réservoir selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel le dispositif de régulation de pression automatique (20) comporte une vanne commandée (27) apte à mettre en communication le deuxième volume étanche avec un réservoir de décharge (22) pour diminuer la pression dans le deuxième volume étanche.
11. Réservoir selon les revendications 8 et 10 prises en combinaison, dans lequel le compresseur commandé comporte une conduite d'aspiration reliée au réservoir de décharge (22).
12. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le dispositif d'équilibrage comporte un premier limiteur de pression (15) apte à faire passer du fluide depuis le deuxième volume étanche (3) vers le premier volume étanche (2) lorsque la pression dans le deuxième volume étanche dépasse la pression dans le premier volume étanche d'un premier seuil positif prédéterminé.
13. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le dispositif d'équilibrage comporte un deuxième limiteur de pression (14) apte à faire passer du fluide depuis le premier volume étanche (2) vers le deuxième volume étanche (3) lorsque la pression dans le premier volume étanche dépasse la pression dans le deuxième volume étanche d'un deuxième seuil positif prédéterminé.
14. Réservoir selon les revendications 12 et 13 prises en combinaison, dans lequel le deuxième seuil positif est supérieur au premier seuil positif. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 14, comportant en outre :
une membrane étanche secondaire (7) et une barrière isolante secondaire (9) disposées entre la barrière isolante (3) et la surface interne de l'enceinte rigide (4), et un deuxième dispositif d'équilibrage de pression (50) apte à limiter un différentiel de pression entre un troisième volume étanche (9) situé entre l'enceinte rigide et la membrane étanche secondaire et le deuxième volume étanche (3), le deuxième volume étanche étant situé entre la membrane étanche primaire (1) et la membrane étanche secondaire (7).
15. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 15, dans lequel la membrane étanche primaire (1) est métallique et la ou chaque barrière isolante est constituée d'une pluralité de blocs calorifuges juxtaposés (60, 63, 64).
16. Système d'alimentation en combustible pour une installation de production d'énergie, le système d'alimentation comportant un réservoir selon l'une des revendications 1 à 16 rempli d'une quantité de gaz liquéfié (2) en équilibre diphasique sous une pression relative supérieure à 3 bar, et un circuit d'alimentation (6) reliant le réservoir à l'installation de production d'énergie (8) pour fournir le gaz liquéfié sous pression à l'installation de production d'énergie.
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