EP4004347A1 - Procédé de production d'énergie électrique utilisant plusieurs cycles de rankine combinés - Google Patents

Procédé de production d'énergie électrique utilisant plusieurs cycles de rankine combinés

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Publication number
EP4004347A1
EP4004347A1 EP20754327.3A EP20754327A EP4004347A1 EP 4004347 A1 EP4004347 A1 EP 4004347A1 EP 20754327 A EP20754327 A EP 20754327A EP 4004347 A1 EP4004347 A1 EP 4004347A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
passage
working fluid
exchanger
stream
cold
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20754327.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Patrick Le Bot
Emilien REDON
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.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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 Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP4004347A1 publication Critical patent/EP4004347A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/04—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled condensation heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F01K9/003—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines condenser cooling circuits

Definitions

  • the present invention relates to a method of producing electrical energy using a combination of several efficiency-enhanced Rankine cycles.
  • a stream of a cryogenic liquid such as liquefied natural gas
  • it can be used as a source of Rankine cycles cold, and the method according to the invention can ensure regasification of said stream of cryogenic liquid with upgrading of its refrigeration content.
  • the liquefied natural gas (LNG) must be regasified, or in other words revaporized, at a pressure of the order of 10 to 90 bar depending on the network.
  • This flashback takes place in LNG terminals, generally at room temperature by exchanging heat with seawater, possibly seawater heated with natural gas.
  • the refrigeration content of the liquefied natural gas is then in no way valued.
  • a known method is based on a direct expansion of natural gas. Liquefied natural gas is pumped at a pressure greater than that of the distribution network, vaporized by heat exchange with a hot source such as sea water, then expanded to network pressure in an expansion turbine associated with an electric generator.
  • thermodynamic cycles using an intermediate fluid, or working fluid.
  • a working fluid is vaporized under pressure against a source hot such as sea water in a first heat exchanger, then expanded in a turbine coupled to an electric generator.
  • the expanded working fluid is then condensed in a second exchanger against LNG which is used as the cold source of the cycle. This results in a low pressure liquid working fluid which is pumped and returned at high pressure to the first exchanger, thus closing the cycle.
  • the Rankine cycle can operate with water as the working fluid for applications such as geothermal heat recovery, the use of organic fluids evaporating at low temperature makes it possible to exploit cold sources at low temperature. low temperature. This is then referred to as the Organic Rankine Cycle (or Organic Rankine Cycle).
  • ORC cycles are conventionally industrialized using LNG as a cold source and sea water as a hot source, but have relatively low energy yields, of the order of 20 kWh per tonne of vaporized LNG, i.e. - say 0.015 kWh / Nm 3 .
  • conventional ORC cycles using propane as working fluid are limited by the low temperature at which they can work, the temperature of the hot source always being that of sea water, given the properties of propane. .
  • document US-A-2015/0075164 discloses a combination of several cycles in which a hot source supplies the vaporization exchangers of each cycle in series and a cold source supplies the condensation exchangers of each cycle in parallel.
  • a hot source supplies the vaporization exchangers of each cycle in series
  • a cold source supplies the condensation exchangers of each cycle in parallel.
  • Also known from document U SA-2009/0100845 is a combination of several cycles in which LNG is used as a cold source in the condensation exchanger of the cycles and in which the same working fluid condenses at several pressure levels against the cold source, depending on temperature levels.
  • the arrangements according to the prior art are not entirely satisfactory for various reasons.
  • US-A-2015/0075164 is suitable for recovering calories contained in a hot source, which gives up its heat to the working fluid and the temperature of which therefore decreases as successive passes through the heat recovery exchangers. .
  • This solution does not solve the problem of recovering cold from a cold source.
  • US 2009/0100845 uses a single working fluid. In this case, the more the cold source heats up, the higher the condensation pressure. Expansion in the associated turbine therefore generates less power.
  • the object of the present invention is to resolve all or part of the above-mentioned problems, in particular by proposing a method for generating electricity in which the recovery of cold is improved and the energy efficiency further increased compared to the prior art. .
  • the solution according to the invention is then a method for producing electrical energy implementing at least a first Rankine cycle and a second Rankine cycle, said cycles being operated in at least one heat exchange device comprising several passages. configured for the flow of fluids to be placed in a heat exchange relationship, said first Rankine cycle comprising the following steps:
  • step b) outlet of the first working fluid at least partially vaporized in step a) of the first passage and expansion to a first low pressure in a first expansion member cooperating with a first electrical generator so as to produce energy electric
  • step c) introduction of the first working fluid expanded in step b) in at least a third passage and condensation of at least part of said first working fluid against at least a first cold stream flowing in at least a fourth passage in relation heat exchange with said at least one third passage, d) exit of said first working fluid at least partially condensed in step c) from the third passage and reintroduction after pressure rise to the first high pressure in the first passage , and the second Rankine cycle comprising the following steps:
  • step e) introduction at a second high pressure of a second working fluid into at least a fifth passage and vaporization of at least part of said second working fluid against at least a second hot stream, f) outlet of the second working fluid at least partially vaporized in step e) from the fifth passage and expansion to a second low pressure in a second expansion member cooperating with a second electric generator so as to produce energy electric,
  • step g) introduction of the second working fluid relaxed in step f) in at least a sixth passage and condensation of at least a part of said second working fluid against at least a second cold stream flowing in at least a seventh passage in relation heat exchange with at least the sixth passage, h) outlet of said second working fluid at least partially condensed in step g) of the sixth passage and reintroduction, after raising the pressure to the second high pressure, into the fifth passage,
  • step e) the second hot stream of the second Rankine cycle is formed at least in part by the first working fluid flowing in step c) in the third passage and, in step c), the first cold stream is formed by the second cold stream leaving the seventh passage.
  • the invention may include one or more of the following characteristics:
  • the second cold stream is introduced into the seventh passage at a temperature below -100 ° C.
  • step c) the first working fluid circulates against the current with the first cold stream and / or in step g), the second working fluid circulates against the current with the second cold stream.
  • the first working fluid and the second working fluid comprising respectively a first mixture of hydrocarbons and a second mixture of hydrocarbons, preferably the first and the second second mixture of hydrocarbons each contain at least two hydrocarbons chosen from methane, ethane, propane, butane, ethylene, propylene, butene, isobutane, optionally added with at least one additional component chosen among nitrogen, argon, helium, carbon dioxide, neon.
  • the first hot stream is formed of sea water, preferably at a temperature strictly above 0 ° C, preferably also included between 10 and 30 ° C, the sea water having possibly undergone a reheating step before introduction into the second passage.
  • the first high pressure is greater than the first low pressure of the first working fluid by a multiplying factor of between 2.5 and 15 and / or the second high pressure is greater than the second low pressure of the second working fluid of a multiplying factor of between 2.5 and 15, preferably, the first and / or second high pressures are between 10 and 40 bar and / or the first and / or second low pressures are between 1, 5 and 5 bar.
  • step d) the first working fluid leaving the third passage is introduced into at least a ninth passage in heat exchange relationship with said third, fourth and / or fifth passages, before being reintroduced into the first passage and / or, in step h), the second working fluid leaving the sixth passage is introduced into at least a tenth passage in heat exchange relationship with the sixth and / or seventh passages, before being reintroduced into the fifth pass.
  • the second cold stream is a stream of liquefied hydrocarbons such as liquefied natural gas or a stream of cryogenic liquid preferably chosen from: a stream of liquefied nitrogen, a stream of liquefied oxygen, a stream of liquefied hydrogen.
  • the second cold stream is a stream of hydrocarbons, in particular of natural gas, introduced completely liquefied in the seventh passage at a temperature between -140 and -170 ° C and the first cold stream leaves at least a fourth passage completely vaporized at a temperature between 5 and 50 ° C.
  • the first working fluid has a first temperature and, at the end of step g), the second working fluid has a second temperature lower than the first temperature, with preferably T 1 between -110 and -80 ° C and T2 between -120 and -160 ° C.
  • the first cold stream leaving the fourth passage is introduced into at least an eighth passage in order to be heated there against the first hot current and / or the first working fluid, preferably the first cold current leaves the eighth passage fully vaporized at a temperature between 5 and 50 ° C.
  • the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth, ninth and / or tenth passages form part of at least one heat exchanger of the brazed plate type, said exchanger comprising a stack of several parallel plates and spaced relative to each other so as to delimit between them several series of passages within said exchanger.
  • the first and second passages are part of a first heat exchanger
  • the third, fourth, fifth and / or ninth passages are part of a second heat exchanger
  • the sixth, seventh and / or tenth passages are part of a third heat exchanger, said first, second and third exchangers forming physically distinct entities.
  • the third, fourth, fifth and / or ninth passages and the sixth, seventh and / or tenth passages are part of the same heat exchanger, the second cold stream being introduced from a first inlet located at a cold end of said exchanger and having the lowest temperature of the exchanger, the first working fluid expanded in step b) being introduced from a second inlet located at a hot end of said exchanger and having the highest temperature of the exchanger up to a second outlet arranged at a first intermediate level of the exchanger located between the cold end and the hot end and the second working fluid expanded in step f) being introduced into the exchanger by a third inlet arranged at a second intermediate level located between the first intermediate level and the cold end of the exchanger.
  • the second cold stream being introduced from a first inlet located at a cold end of said exchanger and having the lowest temperature of the exchanger
  • the first hot stream being introduced from a fifth inlet located at a hot end of said exchanger and having the highest temperature of the exchanger
  • the first working fluid relaxed in step b) being introduced from a second inlet arranged at a third intermediate level located between the cold end and the hot end and leaving said exchanger through a second outlet arranged at a first intermediate level of the exchanger located between the third intermediate level and the cold end of the exchanger and the second working fluid expanded in step f) being introduced into the exchanger through a third inlet arranged at a second intermediate level located between the first intermediate level and the cold end of the exchanger.
  • the second cold stream is a stream of cryogenic liquid introduced into the seventh passage at a temperature below -180 ° C, preferably between -180 and -253 ° C.
  • the process implements a third Rankine cycle operated upstream of the second Rankine cycle, the third Rankine cycle comprising the following steps:
  • step j) expansion of the third working fluid from step j) to a third low pressure in a third expansion member cooperating with a third electrical generator so as to produce electrical energy
  • the first, second and / or third generators are combined one and the same electric generator, the first expansion member, the second expansion member and / or the third expansion member being coupled to this same electric generator so that said generator generates electrical energy simultaneously from the first cycle, second cycle and / or third Rankine cycle.
  • the invention relates to an installation for producing electrical energy comprising means for implementing a first Rankine cycle and a second Rankine cycle comprising at least one heat exchange device comprising multiple passages configured for flow of fluids to be placed in a heat exchange relationship, the means for implementing the first Rankine cycle comprising:
  • a first expansion member arranged downstream of said first passage and configured to reduce the pressure of the first working fluid leaving the first passage from a first high pressure to a first low pressure
  • a first pressure-lifting member arranged downstream of said third passage and configured to increase the pressure of the first working fluid leaving the third passage from the first low pressure to the first high pressure
  • a second expansion member arranged downstream of said fifth passage and configured to reduce the pressure of the second working fluid leaving the fifth passage from a second high pressure to a second low pressure, - a second electric generator coupled to the second expansion member,
  • a second pressure-lifting member arranged downstream of said sixth passage and configured to increase the pressure of the second working fluid leaving the sixth passage from the second low pressure to the second high pressure
  • the fifth passage is brought into heat exchange relation with the third passage so that the second working fluid is vaporized at least in part against the first working fluid introduced into the third passage and in that the seventh passage is arranged upstream of the fourth passage and placed in fluid communication with said fourth passage and so that the first cold stream introduced into the fourth passage is formed by the second cold stream leaving the seventh passage.
  • said installation may further comprise at least a ninth passage in heat exchange relationship with said third, fourth and / or fifth passages, said ninth passage being configured so that the first working fluid leaving the third passage is introduced. in said at least a ninth passage before being reintroduced into the first passage.
  • said installation may comprise at least a tenth passage in heat exchange relation with the sixth and / or seventh passages in step h), the tenth passage being configured so that the second working fluid exiting of the sixth passage is introduced into the at least a tenth passage before being reintroduced into the fifth passage.
  • natural gas refers to any composition containing hydrocarbons including at least methane. This includes a "crude” composition (prior to any treatment or washing), as well as any composition that has been partially, substantially or fully treated for the reduction and / or removal of one or more compounds, including, but not limited to sulfur, carbon dioxide, water, mercury, and certain heavy and aromatic hydrocarbons.
  • Fig. 1 schematically shows a method for generating electrical energy according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 2 schematically shows a method of generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows schematically a method for generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows schematically a method for generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 5 shows schematically a method of generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows schematically a method of generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 7 shows schematically a method for generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 8 shows schematically a method of generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 9 shows process exchange diagrams according to embodiments of the invention.
  • Fig. 1 shows schematically a process for producing electricity by recovering cold from hydrocarbon streams F2, F1 used as cold streams, i. e. cold springs, in a combination of a first and second Rankine cycle.
  • Rankine cycles are implemented in at least one heat exchange device, which can be any device comprising passages suitable for the flow of several fluids and allowing direct or indirect heat exchange between said fluids.
  • a method according to the invention can comprise a number greater than two Rankine cycles combined according to the same principles as those set out below in the case of two Rankine cycles.
  • the cold streams F2, F1 can be natural gas.
  • the various fluids of the process circulate in one or more heat exchangers of the brazed plate and fin type, advantageously formed of aluminum. These exchangers make it possible to work under low temperature differences and with reduced pressure drops, which improves the energy performance of the liquefaction process described above. Plate heat exchangers also offer the advantage of obtaining very compact devices offering a large exchange surface in a limited volume.
  • exchangers comprise a stack of plates which extend in two dimensions, length and width, thus constituting a stack of several series of passages, some being intended for the circulation of a circulating fluid, in this case the working fluid. cycle, others being intended for the circulation of a refrigerant, in this case cryogenic liquid such as liquefied natural gas to be vaporized.
  • Heat exchange structures such as heat exchange waves or fins, are generally arranged in the passages of the exchanger. These structures include fins that extend between the plates of the exchanger and increase the heat exchange surface of the exchanger.
  • heat exchangers can however be used, such as plate heat exchangers, shell and tube heat exchangers, or “core in kettle” type assemblies. That is to say plate or plate and fin exchangers embedded in a shell in which the refrigerant vaporizes.
  • Fig. 1 shows schematically an embodiment in which a first Rankine cycle is implemented by means of a first exchanger E1 and a second exchanger E2.
  • the exchangers E1, E2 each comprise a stack of several plates (not visible) arranged parallel one above the other with spacing in a so-called stacking direction, which is orthogonal to the plates.
  • a plurality of passages are thus obtained for the fluids of the process which are placed in an indirect heat exchange relationship via the plates.
  • a passage is formed between two adjacent plates.
  • the distance between two successive plates is small compared to the length and the width of each successive plate, so that each passage of the exchanger has a parallelepipedal and flat shape.
  • the passages intended for the circulation of the same fluid form a series of passages.
  • Each exchanger comprises several series of passages configured to channel the different fluids of the process parallel to an overall direction of flow z, the passages of a series being arranged, in whole or in part, alternately and / or adjacent to all or part of the passages of another series, that is to say intended for the flow of another fluid.
  • the leaktightness of the passages along the edges of the plates is generally ensured by lateral and longitudinal sealing bars fixed to the plates.
  • the side sealing bars do not completely seal off the passages but leave inlet and outlet openings for the introduction and discharge of fluids.
  • These inlet and outlet openings are joined by collectors, generally semi-tubular in shape, ensuring a homogeneous distribution and recovery of the fluid over all the passages of the same series.
  • collectors generally semi-tubular in shape
  • the first exchanger E1 acts as a vaporizer in the first Rankine cycle. As seen in Fig. 1, a first working fluid W1 circulates in at least one passage 1 from an inlet 1 1 to an outlet 12. A first hot stream is introduced into the first exchanger from an inlet 21 to an outlet 22. The first working fluid W1 is vaporized by heat exchange with the first hot stream C1.
  • the first vaporized working fluid W1 is expanded in a first expansion member, preferably a turbine, coupled to a first electrical generator G converting the kinetic energy produced by the expanded fluid into electrical energy.
  • a first expansion member preferably a turbine
  • the first working fluid W1 is introduced into the second heat exchanger E2 from an inlet 31 to an outlet 32 of at least a third passage 3.
  • the first working fluid W1 is put into operation. heat exchange relationship with a first cold stream F1 flowing from at least a fourth passage 4 of the second exchanger E2 from an inlet 41 to an outlet 42.
  • the first working fluid W1 is condensed by heating the first cold stream F1 and leaves the outlet 32 to be then returned to the first exchanger E1, after pressurization by a pressure-lifting member such as a pump, which closes the first cycle.
  • a pressure-lifting member such as a pump
  • hot stream or “cold stream” is meant a stream formed from one or more fluids providing a source of heat or cold by heat exchange with another fluid.
  • a second working fluid W2 preferably of a composition different from that of the first working fluid W1 is introduced into the second exchanger E2 through an inlet 51 to an outlet 52 and circulates in at least a fifth passage 5 in which it is vaporized by heat exchange with the first working fluid W1 introduced into the second exchanger E2, said working fluid being cooled and condensed in the third passage 3.
  • the second exchanger E2 simultaneously acts as a condenser for the first cycle and vaporizer for the second cycle.
  • the second working fluid W2 is expanded according to the same principles as the first cycle and introduced, optionally in the two-phase state, with or without prior separation of the phases of said two-phase fluid, into a third heat exchanger E3 from an inlet 61 to an outlet 62 of at least a sixth passage 6 in which it is condensed by heating a second cold stream F2 flowing in at least a seventh passage.
  • the third exchanger forms the condenser of the second cycle.
  • the second working fluid W2 from the outlet 62 is pumped by a pressure lifting member and reintroduced through the inlet 51 of passage 5, which closes the second cycle.
  • the structural characteristics described above for the E1 and E2 exchangers are applicable in whole or in part to E3.
  • the first cold stream F1 of the first Rankine cycle is formed by the second cold stream F2 issuing from the second Rankine cycle, that is to say that the same cold current supplies the cycles in series, in which it is at least partially vaporized and gradually reheated against the second and first working fluids W2, W1, that is to say by heat exchange with said fluids.
  • F1 can therefore optionally be a two-phase current.
  • the first working fluid W1 introduced into the third passage 3 of the second exchanger is used to form at least part, preferably all, of the hot stream of the second Rankine cycle.
  • the hot spring of second cycle is thus provided at least in part by the cooling and condensation of the working fluid of the first cycle.
  • Such an arrangement makes it possible to regasify the cold stream while ensuring a more efficient recovery of the cold over the entire temperature gradient between the inlet temperature of the cold stream F2 in the at least a seventh pass and the temperature of the cold stream F1 at the output of at least a fourth pass.
  • the recovery of the frigories from the cold stream takes place separately on portions of passages 7, 4 where it has different temperature levels. It is then possible to best adapt the characteristics of each of the first and second working fluids, so that they exhibit boiling temperatures adapted to these temperature levels.
  • a large degree of freedom is thus available to increase the energy efficiency of the process, in particular by adjusting the temperatures, the pressures and / or the compositions of the working fluids according to the characteristics of the cold stream F2 to be heated, in particular its pressure, its temperature, its composition ...
  • the second cold stream F2 can be vaporized in whole or in part and / or reheated in the second Rankine cycle (passage 7) by heat exchange with the second fluid W2.
  • the first cold stream F1 can be vaporized in whole or in part and / or reheated (passage 4) in the first Rankine cycle by heat exchange with the first fluid W1.
  • the first cold stream F1 exiting at 42 from the fourth passage 4 is introduced into at least an eighth passage 8 of the first exchanger E1, in order to continue its heating there against the first hot stream C1.
  • This is advantageous in cases where the temperature obtained at the outlet 42 of the exchanger E2 is too low and incompatible with the material making up the distribution network, in particular in the case of a natural gas distribution network.
  • the cold stream F1 recovered at the end of the outlets 42 or 82 feeds at least one pipe of a fluid distribution network, in particular a hydrocarbon distribution network such as natural gas.
  • Fig. 2 shows an alternative embodiment in which the first cold stream F1 continues to heat up in a fourth exchanger E1 ′ physically distinct from the first exchanger E1.
  • the exchanger E1 ' comprises the passages 8 for the circulation of the first cold stream F1 and additional passages 2' for the introduction of a first additional hot stream C1 'distinct from the hot stream C1.
  • This configuration offers the advantage of being able to use, for the exchangers E1 and E1 ′, simpler technologies such as “shell and tube” type exchangers in which only two fluids circulate. Note that such a variant is applicable to other embodiments, in particular the one illustrated by FIG. 4.
  • the inlets and outlets of the condensation passages 3, 6 are arranged so that the first and second working fluids W1, W2 flow, during steps c) and g) in countercurrent with the first and second currents cold F1, F2 respectively.
  • the inlets and outlets of the reheating passages 4, 7, 1, 5 are arranged so that the first and second working fluids W1, W2 circulate, during steps a) and e) in co-current with the first and second cold currents F1, F2 respectively.
  • the hot currents of the cycles circulate against the current of the working fluids vaporized in each cycle.
  • Fig. 3 in particular shows an advantageous embodiment in which the first working fluid W1 condensed out of the passage 3 is reintroduced into the second exchanger E2 to circulate therein in at least a ninth passage 9 between an inlet 91 and an outlet 92, before be reintroduced in passage 1.
  • This configuration is preferred when the working fluid W1 is not a pure substance but a mixture of several constituents, because it offers the advantage of further heating the outlet temperature of the working fluid.
  • the second working fluid W2 condensed out of the passages 6 can also be reintroduced into at least a tenth passage 10 of the third exchanger, before being reintroduced into the fifth passage 5.
  • Either of the first and second condensed working fluids may be subject to such re-introductions.
  • the reintroduction of the condensed fluid (s) into the exchanger (s) concerned makes it possible to heat them and to maximize their outlet temperature at the hot end and therefore the production of electricity during their expansion.
  • a reintroduction is carried out for each of the working fluids, which makes the process even more favorable in terms of energy.
  • Fig. 1 to Fig. 4 illustrate configurations in which the Rankine cycles are operated in exchangers forming physically distinct entities, that is to say, in the case of plate or plate and fin exchangers, each forming at least one distinct stack of plates and passages.
  • This embodiment with separate exchangers can be implemented in particular in the case where the passages are formed within exchangers other types than plate or plate and fin exchangers, such as shell and tube exchangers, finned or core-in-kettle type.
  • the passages can be formed by the spaces in, around and between the tubes.
  • Fig. 5 shows an embodiment in which the second exchanger E2 and the third exchanger E3 form the same common exchanger E.
  • the second cold stream F2 circulates from a first inlet 71 located at the cold end of the exchanger E, that is to say the entry point into the exchanger where a fluid, here the stream F2, is introduced. at the lowest temperature of all the temperatures of the exchanger E.
  • the second cold stream F2 leaves via a first outlet 42 of the exchanger E, the passages 4 being formed between the same plates of the exchanger E as the passages 7 and being arranged in the continuity of the passages 7.
  • each passage of said series forms an extension of a corresponding passage of the other series, and therefore one and the same passage of the exchanger E formed between two same plates.
  • a passage 4 and a passage 7 thus forming one and the same passage of the exchanger E delimited between two same plates of the exchanger E and extending from the inlet 71 to the outlet 42.
  • the first working fluid W1 is introduced after expansion through a second inlet 31 located at the hot end of the exchanger E and having the highest temperature of all the temperatures of the exchanger E.
  • the first working fluid W1 circulates in the third passages 3 up to a second outlet 32 arranged at a first intermediate level located, in the direction of flow z, between the cold end and the hot end of the exchanger E.
  • the first working fluid W1 recovered at the outlet 32 can be reintroduced, after pumping, into the passages 9 of the exchanger E before supplying the inlet 1 1 of the first exchanger E1, as illustrated in FIG. 5, or supply the input 1 1 directly (not shown).
  • the second working fluid W2 is introduced after expansion, optionally two-phase and optionally with separation of its gas and liquid phases, into the exchanger E through a third inlet 61 arranged at a second intermediate level located, in the direction of flow z, between the first intermediate level and the cold end of the exchanger E.
  • the second working fluid W2 is recovered after having been condensed in the passages 6 at the outlet 62 can be reintroduced, after pumping, into the passages 10 by an inlet 101 located at the cold end of the exchanger E, before supplying the passages 5, as illustrated in FIG. 5.
  • the passages 5 are arranged in the continuity of the passages 10.
  • the second fluid W2 can also directly feed an inlet of the passages 5 located at an intermediate level of the exchanger E (not shown).
  • Fig. 6 represents an embodiment in which the first exchanger E1, the second exchanger E2 and the third exchanger E3 form the same common exchanger E.
  • the first hot stream C1 is introduced from a fourth inlet 21 located at the hot end of the exchanger E.
  • the first working fluid W1 is introduced after expansion, optionally in the two-phase state, by a second inlet 31 arranged at a third intermediate level located between the cold end and the hot end and exits from said exchanger E by a second outlet 32 arranged at a first intermediate level located between the third intermediate level and the cold end of the exchanger E.
  • the second working fluid W2 is introduced after expansion, possibly in the two-phase state, by a third inlet 61 arranged at a second intermediate level located, in the direction flow z, between the first intermediate level and the cold end of exchanger E.
  • the first working fluid W1 recovered in liquid form at the outlet 32 can be reintroduced after pumping into passages 9 through an inlet 91 before supplying the passages 1, as illustrated in Fig. 6.
  • the passages 1 are arranged in the continuity of the passages 9.
  • the first fluid W1 can also directly feed an inlet of the passages 1 located at an intermediate level of the exchanger E (not shown).
  • the second working fluid W2 recovered at the outlet 62 in liquid form can be reintroduced after pumping into the passages 10 through an inlet 101 located at the cold end of the exchanger E, before supplying the passages 5, as illustrated in Fig. 6.
  • the passages 5 are arranged in the continuity of the passages 10.
  • the second fluid W2 can also directly feed an inlet of the passages 5 located at an intermediate level of the exchanger E (not shown).
  • Fig. 7 and Fig. 8 illustrate embodiments in which one uses the same generator coupled both to the first expansion member and to the second expansion member.
  • the first and second generators are therefore combined. This saves a generator and simplifies installation. This arrangement is possible because the two cycles of electricity generation have a generally simultaneous mode of operation.
  • the second cold stream F2 may be a stream of liquefied hydrocarbons such as liquefied natural gas or a stream of cryogenic liquid such as a stream of liquefied nitrogen, a stream of liquefied oxygen, a stream of liquefied hydrogen.
  • the temperature for introducing the second cold stream F2 into the at least a seventh passage 7 is less than -100 ° C.
  • the cold stream F2, F1 is formed from a stream of hydrocarbons, in particular natural gas, preferably comprising, in molar fraction, at least 60% methane (CFU), preferably at least 80%.
  • Natural gas can optionally include ethane (C2H6), propane (C3H8), butane (nC 4 Hio) or isobutane (1C4H 10), nitrogen, preferably in amounts between 0 and 10% (mol%). Thanks to the process of the invention, the necessary regasification is carried out before injecting the natural gas into the distribution network, while upgrading the frigories of the liquefied natural gas.
  • Cold currents of another nature can advantageously feed the process according to the invention to be vaporized before use.
  • liquid oxygen, liquid nitrogen, or even liquid hydrogen can be used.
  • the vaporization of such liquids can help ensure a continuity of gas supply when a production plant is shut down, and save some of the energy spent on building up liquid stocks.
  • the method according to the invention implements three Rankine cycles with a third Rankine cycle operated upstream of the second Rankine cycle. More precisely, with reference to the configuration according to FIG. 1 without being illustrated there, the second cold stream F2 is introduced into a fifth exchanger E5 arranged upstream of the third exchanger E3. A third working fluid W3 is introduced at a third high pressure Ph3 into at least one additional passage of the third exchanger E3 and vaporizes at least in part against the second working fluid W2 circulating in the at least a sixth passage 6 of the third exchanger E3. The second working fluid W2 thus acts as the third hot stream in the third Rankine cycle.
  • the third working fluid W3 leaving the additional passages is expanded to a third low pressure Pb3 in a third expansion member cooperating with a third electrical generator, possibly combined with at least one other generator, so as to produce energy electric.
  • the expanded working fluid W3 is introduced into the fourth exchanger and condenses at least in part against the third cold stream F3 which heats up and / or vaporizes at least in part by heat exchange with W3.
  • the third working fluid W3 thus condensed leaves the fourth exchanger and is reintroduced, after raising the pressure to the third high pressure Ph3 in the third exchanger E3.
  • This embodiment is particularly advantageous in the case where the cold stream to be re-vaporized is a cryogenic liquid at very low temperature, that is to say a temperature which may be less than -170 ° C, or even less than -200 ° vs.
  • a reheating of said cold stream is therefore carried out against a third working fluid condensing in a third Rankine cycle then against the second working fluid condensing in the second Rankine cycle then against the first working fluid W1 condensing in the first Rankine cycle.
  • the stream will advantageously be reheated by approximately - 250 to -170 ° C in a third thermodynamic cycle, the flow of cryogenic liquid heating up playing the role of the cold source of the cycle, which makes it possible to further increase the production of electricity per unit of vaporized flow.
  • a reheating of approximately -170 to -90 ° C approximately in the second Rankine cycle then a reheating of approximately -90 to -50 ° C in the first Rankine cycle .
  • the third Rankine cycle is not an organic cycle, the third working fluid W3 preferably being free of organic component.
  • the first working fluid W1 and the second working fluid W2 are organic fluids, that is to say fluids comprising one or more organic components such as hydrocarbons.
  • Rankine cycles of the process according to the invention are not organic cycles.
  • the working fluid of the cycle working at the lowest temperature may include one or more components such as hydrogen, nitrogen, argon, helium, neon in addition to or substitution of all or part of the organic components. It will thus be possible to envisage working with working fluids free of organic components.
  • first fluid W1 and / or the second fluid W2 it is possible to use pure substances of a different nature to form the first fluid W1 and / or the second fluid W2.
  • ethylene can be used as the second working fluid W2 and ethane as the first working fluid W1.
  • This choice can be explained by the physical properties of these constituents, which have saturated vapor pressures for the temperature range swept by the LNG vaporization compatible with good mechanical strength of brazed aluminum exchangers and expansion turbine components.
  • ORC cycles allows the design of compact and efficient systems.
  • working fluids of different compositions are preferably used in the different Rankine cycles but it should be noted that it is still possible to envisage using working fluids of the same composition, by then adjusting the pressures in an appropriate manner. operating procedures of these fluids. This is possible for relatively small temperature differences between the cold and hot currents of the cycles, for example when the second cold stream is a liquefied gas at very high pressure and the first hot stream is sea water at a sufficiently low temperature. .
  • mixed working fluids comprising respectively a first mixture of hydrocarbons and a second mixture of hydrocarbons, preferably the first and the second mixture of hydrocarbons each contain at least two hydrocarbons chosen from methane. , ethylene (C2H4) propane, ethane, propylene, butene, butane or isobutane.
  • the first working fluid W1 and the second working fluid W2 can optionally comprise at least one additional component chosen from hydrogen, nitrogen, argon, helium, neon, in addition to or substitution of the organic components, and this in particular if the cryogenic liquid to be vaporized has a lower boiling point than that of methane.
  • mixed working fluids makes it possible to reduce the energy losses linked to the irreversibility of heat exchanges between cold and hot fluids by reducing the temperature differences between the cold currents and the fluids working at each point depending on the length of the exchanger.
  • the compositions, pressures before and after expansion and / or temperatures of each fluid can be adapted in order to ensure the best possible energy recovery.
  • the working fluids are mixed, ie are mixtures, they leave the liquid exchanger (s) at very low temperature and that it is then advantageous to re-introduce the condensed fluids into the fluid (s). heat exchangers concerned in order to heat them and maximize their outlet temperature at the hot end and therefore the production of electricity during their expansion in the turbine.
  • the proportions in mole fractions (%) of the components of the first mixture of hydrocarbons can be (mole%):
  • Methane 0 to 20%, preferably 0 to 10%
  • Propane 20 to 60%, preferably 30 to 50%
  • Ethylene 20 to 60%, preferably 30 to 50%
  • Isobutane 0 to 20%, preferably 0 to 10%
  • the proportions in mole fractions (%) of the components of the second mixture of hydrocarbons can be:
  • Methane 20 to 60%, preferably 30 to 50%
  • Propane 0 to 20%, preferably 0 to 10%
  • Ethylene 20 to 70%, preferably 30 to 60%
  • the first hot stream C1, and where appropriate the additional hot stream C1 ’ are formed from seawater, preferably at an inlet temperature in the exchanger of between 10 and 30 ° C.
  • the second cold stream F2 is a stream of hydrocarbons introduced fully liquefied at inlet 71 at a temperature between -140 and -170 ° C.
  • the temperature of the fluid at the inlet 71 is preferably the order of its equilibrium temperature at the storage pressure.
  • the first cold stream F1 has a temperature between -85 and -105 ° C at the outlet 72 of the third exchanger E3, a temperature between -10 and -20 ° C at the outlet 42 of the second exchanger E2 or of exchanger E and / or a temperature between 5 and 25 ° C at the outlet 82 of the first exchanger E3 or exchanger E, to be introduced at this temperature into a distribution network.
  • the first cold stream F1 leaves completely vaporized through the outlet 82 or the outlet 42.
  • the second cold stream and the first cold stream have pressures of between 10 and 100 bar throughout the passages 7, 4, 8 in which they flow.
  • the first working fluid W1 has, after its condensation in the third passage 3, a first temperature T1.
  • the second working fluid W2 has, after its condensation in the sixth passage 6, a second temperature T2, with T2 less than T1.
  • T1 is between -1 10 and -80 ° C and T2 between -120 and -160 ° C.
  • the first working fluid W1 leaves vaporized from the first passage 1 at a temperature of between 5 and 25 ° C and / or the second working fluid W2 leaves vaporized from the fifth passage 5 at a temperature of between 0 and -30 ° vs.
  • the first working fluid W1 and the second working fluid W2 leave the third passage 3 and the sixth passage 6 respectively at first and second so-called low pressures Pb1, Pb2 and enter the first passage 1 and the fifth passage 5 respectively at first and second so-called high pressures Ph1, Ph2, with Ph1> Pb1 and Ph2> Pb2.
  • the first and / or second high pressures Ph1, Ph2 are between 10 and 40 bar, preferably less than 30 bar, more preferably less than 20 bar and / or the first and / or second low pressures Pb1, Pb2 are between 1 and 5 bar.
  • the first high pressure Ph1 is greater than the first low pressure Pb1 by a multiplying factor of between 2.5 and 15 and / or the second high pressure Ph2 is greater than the second low pressure Pb2 by a multiplying factor between 2.5 and 15, preferably between 2.5 and 10.
  • the only working fluid was propane.
  • the pressure of the working fluid W1 was 7.5 bar at the inlet of the vaporization exchanger and 1.5 bar at the outlet 32 of the condensation exchanger.
  • the hot stream was seawater at a pressure of 5 bar and a temperature of 23 ° C at the inlet to the vaporization exchanger.
  • the first W1 working fluid was ethane.
  • the second working fluid was ethylene.
  • the pressure of the first working fluid W1 was 27 bar at the inlet 1 1 and 5.8 bar at the outlet 32.
  • the pressure of the second working fluid W2 was 8.1 bar at the inlet 51 and 2.1 bar at outlet 62.
  • the natural gas pressure was 90 bar at inlet 71 and 89 bar at outlet 82.
  • Hot stream C1 was sea water at a pressure of 5 bar in inlet and outlet of the passages 2. Table 1 shows the fluid temperatures calculated at the inlet or outlet of different passages.
  • the first working fluid W1 was a mixture of hydrocarbons comprising 46% ethylene, 38% propane, 8% methane, 8% isobutane (mol%).
  • the second working fluid was a mixture of hydrocarbons comprising 55.4% ethylene, 41% methane, 3.6% propane (mol%).
  • the pressure of the first working fluid W1 was 12 bar at the inlet 91 and 4.2 bar at the outlet 32.
  • the pressure of the second working fluid W2 was 16.7 bar at the inlet 101 and 1 , 7 bar at outlet 62.
  • the natural gas pressure was 90 bar at inlet 71 and 89.5 bar at outlet 82.
  • the hot stream C1 was sea water at a pressure of 5 bar at the inlet and outlet of passages 2. Table 2 shows the fluid temperatures calculated at the inlet or outlet of various passages.
  • the energy efficiency of the second Rankine cycle was 0.0045 kWh / Nm 3 and the energy efficiency of the first Rankine cycle was 0.0134 kWh / Nm 3 , for a total efficiency of 0, 0179 kWh / Nm 3 , representing a gain of around 12% compared to simulation n ° 1.
  • the energy efficiency of the second Rankine cycle was 0.012 kWh / Nm 3 and the energy efficiency of the first Rankine cycle was 0.021 kWh / Nm 3 , for a total efficiency of 0.033 kWh / Nm 3 , representing a gain of around 106% compared to simulation n ° 1.
  • first working fluid and a second mixed W2 working fluid makes it possible to significantly increase the performance of the process, thanks to the improvement of the exchange diagrams between the liquefied natural gas and the fluids of job.
  • the schemes for reintroducing the working fluids into the exchange passages as described above also contribute to the greater energy efficiency of the process.
  • Fig. 9 shows a comparison of the exchange diagrams Heat exchanged (“heat flow”) - Temperature (DH - T), or enthalpy curves, obtained on the one hand with a combination of cycles with pure working fluids according to simulation n ° 2 (in (a)) and on the other hand with a combination of cycles with mixed working fluids according to simulation n ° 3 (in (b)).
  • the diagrams shown are obtained for a flow rate of 3000 Nm 3 / h of treated LNG (ie approximately a 1/100 scale of an industrial unit).
  • Curves A, B, C, D illustrate the evolution of the quantity of heat exchanged as a function of temperature for all the refrigerants which heat up and / or vaporize in the processes, including LNG (curves A and C) and all the circulating fluids which cool and / or condense in the processes, including the first and second working fluids (curves B and D), for each of the two simulated configurations. It can be seen in Fig. 9 (b) that the average temperature difference is significantly reduced by the use of working fluids composed of a mixture of constituents, which explains the better efficiency of this cycle.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de production d'énergie électrique mettant en œuvre au moins un premier cycle de Rankine et un deuxième cycle de Rankine, ledit premier cycle de Rankine comprenant la vaporisation d'au moins une partie d'un premier fluide de travail (W1) contre au moins un premier courant chaud (C1), la détente du premier fluide de travail (W1) dans un premier organe de détente coopérant avec un générateur électrique de façon à produire de l'énergie électrique, puis la condensation d'au moins une partie dudit premier fluide de travail (W1) contre au moins un premier courant froid (F1) puis élévation de pression dudit premier fluide de travail (W1) et fermeture du premier cycle. Le deuxième cycle de Rankine comprend la vaporisation d'au moins une partie d'un deuxième fluide de travail (W2) contre au moins un deuxième courant chaud, la détente jusqu'à une deuxième pression basse Pb2 dans un deuxième organe de détente coopérant avec un générateur électrique de façon à produire de l'énergie électrique, puis la condensation d'au moins une partie dudit deuxième fluide de travail (W2) contre au moins un deuxième courant froid (F2), puis élévation de pression et fermeture du deuxième cycle. Selon l'invention, le deuxième courant chaud du deuxième cycle de Rankine est formé au moins en partie par le premier fluide de travail (W1) condensé dans le premier cycle de Rankine et le premier courant froid (F1) est formé par le deuxième courant froid (F2) issu du deuxième cycle de Rankine.

Description

Procédé de production d’énergie électrique utilisant plusieurs cycles de
Rankine combinés
La présente invention concerne un procédé de production d’énergie électrique mettant en œuvre une combinaison de plusieurs cycles de Rankine à rendement amélioré. Dans le cas où un courant d’un liquide cryogénique tel que le gaz naturel liquéfié est vaporisé pour être distribué dans des réseaux de distribution, il peut être utilisé comme source de froid de cycles de Rankine, et le procédé selon l’invention peut assurer la regazéification dudit courant de liquide cryogénique avec valorisation de son contenu frigorifique.
Il est d’usage que le gaz naturel issu de champs éloignés des lieux de consommation soit liquéfié avant d’être stocké à bord de navires spécialement adaptés, les méthaniers, pour être transporté sur de longues distances. En effet, le gaz naturel occupe, à l’état liquide, un volume plus petit pour une masse donnée et n’a pas besoin d’être stocké à une pression élevée.
Avant d’alimenter les réseaux de distribution, le gaz naturel liquéfié (GNL) doit être regazéifié, ou dit autrement revaporisé, à une pression de l’ordre de 10 à 90 bar selon les réseaux. Cette revaporisation s’effectue dans des terminaux méthaniers, généralement à température ambiante en échangeant de la chaleur avec de l’eau de mer, éventuellement de l’eau de mer chauffée au gaz naturel. Le contenu frigorifique du gaz naturel liquéfié n’est alors aucunement valorisé.
II existe différentes méthodes pour générer de l’électricité à partir des frigories du gaz naturel liquéfié et ainsi valoriser son contenu énergétique.
Une méthode connue repose sur une expansion directe du gaz naturel. Le gaz naturel liquéfié est pompé à une pression supérieure à celle du réseau de distribution, vaporisé par échange de chaleur avec une source chaude telle que l’eau de mer, puis détendu jusqu’à la pression du réseau dans une turbine de détente associée à un générateur électrique.
D’autres méthodes reposent sur des cycles thermodynamiques utilisant un fluide intermédiaire, ou fluide de travail. Parmi ces méthodes, on connaît le cycle de Rankine, dans lequel un fluide de travail est vaporisé sous pression contre une source chaude telle que de l’eau de mer dans un premier échangeur de chaleur, puis détendu dans une turbine couplée à un générateur électrique. Le fluide de travail détendu est ensuite condensé dans un deuxième échangeur contre du GNL qui est utilisé comme source froide du cycle. Il en résulte un fluide de travail liquide à basse pression qui est pompé et reconduit à haute pression dans le premier échangeur, fermant ainsi le cycle.
Si le cycle de Rankine peut fonctionner avec de l’eau comme fluide de travail pour des applications telles que la récupération de chaleur d’origine géothermique, l’utilisation de fluides organiques s’évaporant à basse température permet d’exploiter des sources froides à faible température. On parle alors de cycle organique de Rankine (ou Organic Rankine Cycle).
Les cycles ORC sont classiquement industrialisés en utilisant le GNL comme source froide et de l’eau de mer comme source chaude, mais présentent des rendements énergétiques relativement faibles, de l’ordre de 20 kWh par tonne de GNL vaporisée, c’est-à-dire 0,015 kWh/Nm3. En particulier, les cycles ORC classiques utilisant du propane en tant que fluide de travail sont limités par la température basse à laquelle ils peuvent travailler, la température de la source chaude étant toujours celle de l’eau de mer compte-tenu des propriétés du propane.
Afin d’augmenter le rendement énergétique, il a été proposé de combiner plusieurs cycles fonctionnant avec plusieurs fluides de travail. Ainsi, on connaît du document US-A-2015/0075164 une combinaison de plusieurs cycles dans laquelle une source chaude alimente en série les échangeurs de vaporisation de chaque cycle et une source froide alimente en parallèle les échangeurs de condensation de chaque cycle. On connaît par ailleurs du document U S-A-2009/0100845 une combinaison de plusieurs cycles dans laquelle du GNL est utilisé comme source froide dans l’échangeur de condensation des cycles et dans lesquels le même fluide de travail se condense à plusieurs niveaux de pressions contre la source froide, selon les niveaux de températures. Toutefois, les arrangements selon l’art antérieur ne donnent pas entière satisfaction pour différentes raisons.
Ainsi, US-A-2015/0075164 est adapté à une récupération de calories contenues dans une source chaude, qui cède sa chaleur au fluide de travail et dont la température diminue donc au fur et mesure des passages successifs dans les échangeurs de récupération de chaleur. Cette solution ne résout pas le problème de récupérer le froid d’une source froide. Par ailleurs, US 2009/0100845 utilise un fluide de travail unique. Dans ce cas, plus la source froide se réchauffe, plus la pression de condensation est élevée. La détente dans la turbine associée génère donc moins de puissance.
La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un procédé de génération d’électricité dans lequel la récupération de froid est améliorée et le rendement énergétique encore augmenté par rapport à l’art antérieur.
La solution selon l’invention est alors un procédé de production d’énergie électrique mettant en œuvre au moins un premier cycle de Rankine et un deuxième cycle de Rankine, lesdits cycles étant opérés dans au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, ledit premier cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :
a) introduction à une première pression haute d’un premier fluide de travail dans au moins un premier passage et vaporisation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail contre au moins un premier courant chaud circulant dans au moins un deuxième passage en relation d’échange thermique avec au moins ledit au moins un premier passage,
b) sortie du premier fluide de travail au moins partiellement vaporisé à l’étape a) du premier passage et détente jusqu’à une première pression basse dans un premier organe de détente coopérant avec un premier générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
c) introduction du premier fluide de travail détendu à l’étape b) dans au moins un troisième passage et condensation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail contre au moins un premier courant froid circulant dans au moins un quatrième passage en relation d’échange thermique avec ledit au moins un troisième passage, d) sortie dudit premier fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape c) du troisième passage et réintroduction après élévation de pression jusqu’à la première pression haute dans le premier passage, et le deuxième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :
e) introduction à une deuxième pression haute d’un deuxième fluide de travail dans au moins un cinquième passage et vaporisation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail contre au moins un deuxième courant chaud, f) sortie du deuxième fluide de travail au moins partiellement vaporisé à l’étape e) du cinquième passage et détente jusqu’à une deuxième pression basse dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
g) introduction du deuxième fluide de travail détendu à l’étape f) dans au moins un sixième passage et condensation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail contre au moins un deuxième courant froid circulant dans au moins un septième passage en relation d’échange thermique avec au moins le sixième passage, h) sortie dudit deuxième fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape g) du sixième passage et réintroduction, après élévation de pression jusqu’à la deuxième pression haute, dans le cinquième passage,
caractérisé en ce que, à l’étape e), le deuxième courant chaud du deuxième cycle de Rankine est formé au moins en partie par le premier fluide de travail circulant à l’étape c) dans le troisième passage et, à l’étape c), le premier courant froid est formé par le deuxième courant froid sortant du septième passage.
Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le deuxième courant froid est introduit dans le septième passage à une température inférieure à -100°C.
- à l’étape c), le premier fluide de travail circule à contre-courant avec le premier courant froid et/ou à l’étape g), le deuxième fluide de travail circule à contre- courant avec le deuxième courant froid.
- le premier cycle de Rankine et le deuxième cycle de Rankine sont des cycles organiques, le premier fluide de travail et le deuxième fluide de travail comprenant respectivement un premier mélange d’hydrocarbures et un deuxième mélange d’hydrocarbures, de préférence le premier et le deuxième mélange d’hydrocarbures contiennent chacun au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’éthylène, le propylène, le butène, l’isobutane, éventuellement additionnés d’au moins un composant additionnel choisi parmi l'azote, l’argon, l’hélium, le dioxyde de carbone, le néon.
- le premier courant chaud est formé d’eau de mer, de préférence à une température strictement supérieure à 0 °C, de préférence encore comprise entre 10 et 30 °C, l’eau de mer ayant éventuellement subi une étape de réchauffage avant introduction dans le deuxième passage.
- la première pression haute est supérieure à la première pression basse du premier fluide de travail d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15 et/ou la deuxième pression haute est supérieure à la deuxième pression basse du deuxième fluide de travail d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15, de préférence, les première et/ou deuxième pressions hautes sont comprises entre 10 et 40 bar et/ou les première et/ou deuxième pressions basses sont comprises entre 1 ,5 et 5 bar.
à l’étape d), le premier fluide de travail sortant du troisième passage est introduit dans au moins un neuvième passage en relation d’échange thermique avec lesdits troisième, quatrième et/ou cinquième passages, avant d’être réintroduit dans le premier passage et/ou, à l’étape h), le deuxième fluide de travail sortant du sixième passage est introduit dans au moins un dixième passage en relation d’échange thermique avec les sixième et/ou septième passages, avant d’être réintroduit dans le cinquième passage.
- le deuxième courant froid est un courant d’hydrocarbures liquéfié tel du gaz naturel liquéfié ou un courant de liquide cryogénique choisi de préférence parmi : un courant d’azote liquéfié, un courant d’oxygène liquéfié, un courant d’hydrogène liquéfié.
- le deuxième courant froid est un courant d’hydrocarbures, en particulier de gaz naturel, introduit totalement liquéfié dans le septième passage à une température comprise entre -140 et -170 °C et le premier courant froid sort du au moins un quatrième passage totalement vaporisé à une température comprise entre 5 et 50 °C.
- à l’issue de l’étape c), le premier fluide de travail présente une première température et, à l’issue de l’étape g), le deuxième fluide de travail présente une deuxième température inférieure à la première température, avec de préférence T 1 comprise entre -110 et -80 °C et T2 comprise entre -120 et -160 °C.
- le premier courant froid sortant du quatrième passage est introduit dans au moins un huitième passage pour y être réchauffé contre le premier courant chaud et/ou le premier fluide de travail, de préférence le premier courant froid sort du huitième passage totalement vaporisé à une température comprise entre 5 et 50 °C. - les premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième, sixième, septième, huitième, neuvième et/ou dixième passages font partie d’au moins un échangeur de chaleur du type à plaques brasé, ledit échangeur comprenant un empilement de plusieurs plaques parallèles et espacées les unes par rapport aux autres de façon à délimiter entre elles plusieurs séries de passages au sein dudit échangeur.
- les premier et deuxième passages font partie d’un premier échangeur de chaleur, les troisième, quatrième, cinquième et/ou neuvième passages font partie d’un deuxième échangeur de chaleur et les sixième, septième et/ou dixième passages font partie d’un troisième échangeur de chaleur, lesdits premier, deuxième et troisième échangeurs formant des entités physiquement distinctes.
- les troisième, quatrième, cinquième et/ou neuvième passages et les sixième, septième et/ou dixième passages font partie d’un même échangeur de chaleur, le deuxième courant froid étant introduit à partir d’une première entrée située à un bout froid dudit échangeur et présentant la température la plus basse de l’échangeur, le premier fluide de travail détendu à l’étape b) étant introduit à partir d’une deuxième entrée située à un bout chaud dudit échangeur et présentant la température la plus haute de l’échangeur jusqu’à une deuxième sortie agencée à un premier niveau intermédiaire de l’échangeur situé entre le bout froid et le bout chaud et le deuxième fluide de travail détendu à l’étape f) étant introduit dans l’échangeur par une troisième entrée agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur.
- les premier et deuxième passages, les troisième, quatrième, cinquième et/ou neuvième passages et les sixième, septième et/ou dixième passages font partie du même échangeur, le deuxième courant froid étant introduit à partir d’une première entrée située à un bout froid dudit échangeur et présentant la température la plus basse de l’échangeur, le premier courant chaud étant introduit à partir d’une cinquième entrée située à un bout chaud dudit échangeur et présentant la température la plus haute de l’échangeur, le premier fluide de travail détendu à l’étape b) étant introduit à partir d’une deuxième entrée agencée à un troisième niveau intermédiaire situé entre le bout froid et le bout chaud et sortant dudit échangeur par une deuxième sortie agencée à un premier niveau intermédiaire de l’échangeur situé entre le troisième niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur et le deuxième fluide de travail détendu à l’étape f) étant introduit dans l’échangeur par une troisième entrée agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur.
- le deuxième courant froid est un courant de liquide cryogénique introduit dans le septième passage à une température inférieure à -180 °C, de préférence comprise entre -180 et -253 °C.
- le procédé met en œuvre un troisième cycle de Rankine opéré en amont du deuxième cycle de Rankine, le troisième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :
i) introduction du deuxième courant froid dans au moins un douzième passage préalablement à son introduction dans le au moins un septième passage,
j) introduction d’un troisième fluide de travail à une troisième pression haute dans au moins un treizième passage en relation d’échange thermique avec ledit sixième passage et vaporisation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail contre le deuxième fluide de travail circulant dans le sixième passage,
k) détente du troisième fluide de travail issu de l’étape j) jusqu’à une troisième pression basse dans un troisième organe de détente coopérant avec un troisième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
L) introduction du troisième fluide de travail dans au moins un quatorzième passage en relation d’échange thermique avec le douzième passage et condensation d’au moins en partie du troisième fluide de travail contre le deuxième courant froid,
m) réintroduction, après élévation de pression jusqu’à troisième pression haute, du troisième fluide de travail issu de l’étape I) dans le treizième passage.
- les premier, deuxième et/ou troisième générateurs sont confondus un seul et même générateur électrique, le premier organe de détente, le deuxième organe de détente et/ou le troisième organe de détente étant couplés à ce même générateur électrique de sorte que ledit générateur produit de l’énergie électrique simultanément à partir du premier cycle, du deuxième cycle et/ou du troisième cycle de Rankine.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une installation de production d’énergie électrique comprenant des moyens de mise en œuvre d’un premier cycle de Rankine et d’un deuxième cycle de Rankine comprenant au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, les moyens de mise en œuvre du premier cycle de Rankine comprenant :
- au moins un premier passage configuré pour l’écoulement d’un premier fluide de travail,
- au moins un deuxième passage configuré pour l’écoulement d’un premier courant chaud, ledit deuxième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit premier passage de sorte que, en fonctionnement, le premier fluide de travail introduit dans le premier passage est vaporisé en moins en partie contre le premier courant chaud,
- un premier organe de détente agencé en aval dudit premier passage et configuré pour réduire la pression du premier fluide de travail sortant du premier passage depuis une première pression haute jusqu'à une première pression basse,
- un premier générateur électrique couplé au premier organe de détente,
- au moins un troisième passage agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail détendu par le premier organe de détente,
- au moins un quatrième passage configuré pour l’écoulement d’un premier courant froid, ledit quatrième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit troisième passage de sorte que, en fonctionnement, le premier fluide de travail introduit dans le troisième passage est condensé au moins en partie contre le premier courant froid,
- un premier organe élévateur de pression agencé en aval dudit troisième passage et configuré pour augmenter la pression du premier fluide de travail sortant du troisième passage depuis la première pression basse jusqu'à la première pression haute,
- et les moyens de mise en œuvre du deuxième cycle de Rankine comprenant :
- au moins un cinquième passage configuré pour l’écoulement d’un deuxième fluide de travail,
- un deuxième organe de détente agencé en aval dudit cinquième passage et configuré pour réduire la pression du deuxième fluide de travail sortant du cinquième passage depuis une deuxième pression haute jusqu'à une deuxième pression basse, - un deuxième générateur électrique couplé au deuxième organe de détente,
- au moins un sixième passage agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail détendu par le deuxième organe de détente,
- au moins un septième passage configuré pour l’écoulement d’un deuxième courant froid, ledit septième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit sixième passage de sorte que, en fonctionnement, le deuxième fluide de travail circulant dans le sixième passage est condensé au moins en partie contre le deuxième courant froid,
- un deuxième organe élévateur de pression agencé en aval dudit sixième passage et configuré pour augmenter la pression du deuxième fluide de travail sortant du sixième passage depuis la deuxième pression basse jusqu'à la deuxième pression haute,
caractérisé en ce que le cinquième passage est mis en relation d’échange thermique avec le troisième passage de sorte que le deuxième fluide de travail est vaporisé au moins en partie contre le premier fluide de travail introduit dans le troisième passage et en ce que le septième passage est agencé en amont du quatrième passage et mis en communication fluidique avec ledit quatrième passage et de sorte que le premier courant froid introduit dans le quatrième passage est formé par le deuxième courant froid sortant du septième passage.
En particulier, ladite installation peut comprendre en outre au moins un neuvième passage en relation d’échange thermique avec lesdits troisième, quatrième et/ou cinquième passages, ledit neuvième passage étant configuré de sorte que le premier fluide de travail sortant du troisième passage est introduit dans ledit au moins un neuvième passage avant d’être réintroduit dans le premier passage. De façon alternative ou complémentaire, ladite installation peut comprendre au moins un dixième passage en relation d’échange thermique avec les sixième et/ou septième passages à l’étape h), le dixième passage étant configuré de sorte que le deuxième fluide de travail sortant du sixième passage est introduit dans le au moins un dixième passage avant d’être réintroduit dans le cinquième passage.
L'expression "gaz naturel" se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures ci- annexés, parmi lesquelles:
Fig. 1 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 2 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 3 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 4 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 5 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 6 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 7 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 8 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 9 représente des diagrammes d’échange de procédés selon des modes de réalisation de l’invention.
Fig. 1 schématise un procédé de production d’électricité par récupération de froid à partir de courants d’hydrocarbures F2, F1 utilisés comme courants froids, i. e. sources froides, dans une combinaison d’un premier et d’un deuxième cycle de Rankine. Les cycles de Rankine sont mis en œuvre dans au moins un dispositif d’échange de chaleur, qui peut être tout dispositif comprenant des passages adaptés à l’écoulement de plusieurs fluides et permettant des échanges de chaleur direct ou indirect entre lesdits fluides.
Etant entendu qu’un procédé selon l’invention peut comprendre un nombre supérieur à deux cycles de Rankine combinés selon les mêmes principes que ceux exposés ci-après dans le cas de deux cycles de Rankine.
En particulier, les courants froids F2, F1 peuvent être du gaz naturel. Dans les modes de réalisation détaillés ci-après, les différents fluides du procédé circulent dans un ou plusieurs échangeurs de chaleur du type à plaques et ailettes brasé, avantageusement formés d’aluminium. Ces échangeurs permettent de travailler sous des écarts de températures faibles et avec des pertes de charges réduites, ce qui améliore les performances énergétiques du procédé de liquéfaction décrit ci-dessus. Les échangeurs à plaques offrent aussi l’avantage d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange dans un volume limité.
Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de plusieurs séries de passages, les uns étant destinés à la circulation d’un fluide calorigène, en l’occurrence le fluide de travail du cycle, d’autres étant destinés à la circulation d’un fluide frigorigène, en l’occurrence le liquide cryogénique tel le gaz naturel liquéfié à vaporiser.
Des structures d’échange thermique, telles des ondes d’échange thermique ou ailettes, sont généralement disposées dans les passages de l’échangeur. Ces structures comprennent des ailettes qui s’étendent entre les plaques de l’échangeur et permettent d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur.
Notons que d’autres types d’échangeurs peuvent toutefois être utilisés, tels des échangeurs à plaques, des échangeurs à tube et à calandre (« Shell and tube » en anglais), ou des assemblages de type « core in kettle », c’est-à-dire des échangeurs à plaques ou à plaques et ailettes noyés dans une calandre dans laquelle se vaporise le fluide frigorigène.
Fig. 1 schématise un mode de réalisation dans lequel un premier cycle de Rankine est mis en œuvre au moyen d’un premier échangeur E1 et d’un deuxième échangeur E2.
Avantageusement, les échangeurs E1 , E2 comprennent chacun un empilement de plusieurs plaques (non visibles) disposées parallèlement les unes au-dessus des autres avec espacement suivant une direction dite d’empilement, qui est orthogonale aux plaques. On obtient ainsi une pluralité de passages pour les fluides du procédé qui sont mis en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques. Un passage est formé entre deux plaques adjacentes. De préférence, l’écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur et la largeur de chaque plaque successive, de sorte que chaque passage de l’échangeur a une forme parallélépipédique et plate. Les passages destinés à la circulation d’un même fluide forment une série de passages. Chaque échangeur comprend plusieurs séries de passages configurés pour canaliser les différents fluides du procédé parallèlement à une direction globale d’écoulement z, les passages d’une série étant agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages d’une autre série, c’est-à-dire destinée à l’écoulement d’un autre fluide.
L’étanchéité des passages le long des bords des plaques est généralement assurée par des barres d’étanchéité latérales et longitudinales fixées sur les plaques. Les barres d’étanchéité latérales n’obturent pas complètement les passages mais laissent des ouvertures d’entrée et de sortie servant à l’introduction et à l’évacuation des fluides. Ces ouvertures d’entrée et de sortie sont réunies par des collecteurs, généralement de forme semi-tubulaire, assurant une répartition et une récupération homogène du fluide sur l’ensemble des passages d’une même série. Dans la suite, on parlera d’un ou au moins un passage, étant entendu que le passage peut faire partie d’une série de plusieurs passages destinés à l’écoulement d’un même fluide.
Le premier échangeur E1 joue le rôle de vaporiseur dans le premier cycle de Rankine. Comme on le voit sur Fig. 1 , un premier fluide de travail W1 circule dans au moins un passage 1 à partir d’une entrée 1 1 jusqu’à une sortie 12. Un premier courant chaud est introduit dans le premier échangeur à partir d’une entrée 21 jusqu’à une sortie 22. Le premier fluide de travail W1 est vaporisé par échange de chaleur avec le premier courant chaud C1 .
Après sa sortie du premier échangeur E1 , le premier fluide de travail W1 vaporisé est détendu dans un premier organe de détente, de préférence une turbine, couplée à un premier générateur électrique G convertissant l’énergie cinétique produite par le fluide détendu en énergie électrique.
Après sa détente, le premier fluide de travail W1 est introduit dans le deuxième échangeur de chaleur E2 à partir d’une entrée 31 jusqu’à une sortie 32 d’au moins un troisième passage 3. Le premier fluide de travail W1 est mis en relation d’échange thermique avec un premier courant froid F1 circulant d’au moins un quatrième passage 4 du deuxième échangeur E2 à partir d’une entrée 41 jusqu’à une sortie 42. Le premier fluide de travail W1 est condensé en réchauffant le premier courant froid F1 et sort de la sortie 32 pour être ensuite reconduit dans le premier échangeur E1 , après pressurisation par un organe élévateur de pression tel une pompe, ce qui ferme le premier cycle. Il est à noter que le premier fluide de travail W1 issu de la détente dans le premier organe peut éventuellement être à l’état diphasique et être introduit avec ou sans séparation des phases liquide et gazeuse en amont du deuxième échangeur E2.
Par « courant chaud » ou « courant froid », on entend un courant formé d’un ou plusieurs fluides fournissant une source de chaleur ou de froid par échange de chaleur avec un autre fluide.
En outre, un deuxième fluide de travail W2, de préférence de composition différente de celle du premier fluide de travail W1 est introduit dans le deuxième échangeur E2 par une entrée 51 jusqu’à une sortie 52 et circule dans d’au moins un cinquième passage 5 dans lesquels il est vaporisé par échange de chaleur avec le premier fluide de travail W1 introduit dans le deuxième échangeur E2, ledit fluide de travail étant refroidi et condensé dans le troisième passage 3. Le deuxième échangeur E2 fait à la fois office de condenseur pour le premier cycle et de vaporiseur pour le deuxième cycle.
Le deuxième fluide de travail W2 est détendu selon les mêmes principes que le premier cycle et introduit, éventuellement à l’état diphasique, avec ou sans séparation préalable des phases dudit fluide diphasique, dans un troisième échangeur de chaleur E3 à partir d’une entrée 61 jusqu’à une sortie 62 d’au moins un sixième passage 6 dans lesquels il est condensé en réchauffant un deuxième courant froid F2 circulant dans au moins un septième passage. Le troisième échangeur forme le condenseur du deuxième cycle. Le deuxième fluide de travail W2 issu de la sortie 62 est pompé par un organe élévateur de pression et réintroduit par l’entrée 51 du passage 5, ce qui referme le deuxième cycle. Les caractéristiques structurelles décrites précédemment pour les échangeurs E1 et E2 sont applicables en tout ou partie à E3.
Selon l’invention, le premier courant froid F1 du premier cycle de Rankine est formé par le deuxième courant froid F2 issu du deuxième cycle de Rankine, c’est-à- dire qu’un même courant froid alimente en série les cycles, dans lesquels il est au moins partiellement vaporisé et réchauffé progressivement contre les deuxième et premier fluides de travail W2, W1 c’est-à-dire par échange de chaleur avec lesdits fluides. A ce titre, F1 peut donc éventuellement être un courant diphasique.
En outre, on utilise le premier fluide de travail W1 introduit dans le troisième passage 3 du deuxième échangeur pour former au moins une partie, de préférence la totalité, du courant chaud du deuxième cycle de Rankine. La source chaude du deuxième cycle est ainsi fournie au moins en partie par le refroidissement et la condensation du fluide de travail du premier cycle.
Un tel arrangement permet de regazéifier le courant froid en assurant une récupération plus efficace du froid sur l’ensemble du gradient de température entre la température d’entrée du courant froid F2 dans le au moins un septième passage et la température du courant froid F1 à la sortie du au moins un quatrième passage. En effet, la récupération des frigories du courant froid s’effectue séparément sur des portions de passages 7, 4 où il présente des niveaux de températures différents. Il est alors possible d’adapter au mieux les caractéristiques de chacun des premier et deuxième fluide de travail, afin qu’ils présentent des températures d’ébullition adaptées à ces niveaux de températures. On dispose ainsi d’un grand degré de liberté pour augmenter le rendement énergétique du procédé, notamment en ajustant les températures, les pressions et/ou les compositions des fluides de travail en fonction des caractéristiques du courant froid F2 à réchauffer, notamment sa pression, sa température, sa composition...
Notons que le deuxième courant froid F2 peut être vaporisé en tout ou partie et/ou réchauffé dans le deuxième cycle de Rankine (passage 7) par échange de chaleur avec le deuxième fluide W2. Le premier courant froid F1 peut être vaporisé en tout ou partie et/ou réchauffé (passage 4) dans le premier cycle de Rankine par échange de chaleur avec le premier fluide W1 .
Avantageusement, le premier courant froid F1 sortant en 42 du quatrième passage 4 est introduit dans au moins un huitième passage 8 du premier échangeur E1 , afin d’y poursuivre son réchauffement contre le premier courant chaud C1 . Ceci est avantageux dans les cas où la température obtenue en sortie 42 de l’échangeur E2 est trop basse et incompatible avec le matériau composant le réseau de distribution, en particulier dans le cas d’un réseau de distribution de gaz naturel.
Selon la configuration adoptée, le courant froid F1 récupéré à l’issue des sorties 42 ou 82 alimente au moins une canalisation d’un réseau de distribution de fluide, en particulier un réseau de distribution d’hydrocarbures tel que le gaz naturel.
Fig. 2 représente une variante de réalisation dans laquelle le premier courant froid F1 poursuit son réchauffement dans un quatrième échangeur E1’ physiquement distinct du premier échangeur E1 . L’échangeur E1’ comprend les passages 8 pour la circulation du premier courant froid F1 et des passages supplémentaires 2’ pour l’introduction d’un premier courant chaud supplémentaire C1’ distinct du courant chaud C1 . Cette configuration offre l’avantage de pouvoir utiliser, pour les échangeurs E1 et E1’ des technologies plus simples telles que des échangeurs de type « shell and tubes » dans lesquels deux fluides circulent uniquement. Notons qu’une telle variante est applicable à d’autres modes de réalisation, notamment celui illustré par Fig. 4.
De préférence, les entrées et sortie des passages 3, 6 de condensation sont agencées de sorte que les premier et deuxième fluides de travail W1 , W2 circulent, au cours des étapes c) et g) à contre-courant avec les premier et deuxième courants froids F1 , F2 respectivement. De préférence, les entrées et sortie des passages 4, 7, 1 , 5 de réchauffage sont agencées de sorte que les premier et deuxième fluides de travail W1 , W2 circulent, au cours des étapes a) et e) à co-courant avec les premier et deuxième courants froids F1 , F2 respectivement. De préférence, les courants chauds des cycles circulent à contre-courant des fluides de travail vaporisés dans chaque cycle.
Ces directions d’écoulement des fluides permettent de maximiser la température de sortie des fluides de travail W1 et W2, et donc de maximiser la puissance délivrée par la turbine durant la détente.
Fig. 3 notamment représente un mode de réalisation avantageux dans lequel le premier fluide de travail W1 sortant condensé du passage 3 est réintroduit dans le deuxième échangeur E2 pour y circuler dans au moins un neuvième passage 9 entre une entrée 91 et une sortie 92, avant d’être réintroduit dans le passage 1 . Cette configuration est privilégiée quand le fluide de travail W1 n’est pas un corps pur mais un mélange de plusieurs constituants, car il offre l’avantage de réchauffer encore la température de sortie du fluide de travail.
Selon le même principe et pour les mêmes avantages, le deuxième fluide de travail W2 sortant condensé des passages 6 peut aussi être réintroduit dans au moins un dixième passage 10 du troisième échangeur, avant d’être réintroduit dans le cinquième passage 5.
L’un et/ou l’autre des premier et deuxième fluides de travail condensés peut faire l’objet de telles réintroductions. Comme déjà expliqué, la réintroduction du ou des fluides condensés dans le ou les échangeurs concernés permet de les réchauffer et de maximiser leur température de sortie au bout chaud et donc la production d’électricité lors de leur détente. Avantageusement, on procède à une réintroduction pour chacun des fluides de travail, ce qui rend le procédé encore plus favorable énergétiquement. Fig. 1 à Fig. 4 illustrent des configurations dans lesquelles les cycles de Rankine sont opérés dans des échangeurs formant des entités physiquement distinctes, c’est- à-dire, dans le cas d’échangeurs à plaques ou plaques et ailettes, formant chacun au moins un empilement distinct de plaques et de passages. Ce mode de réalisation avec des échangeurs distincts peut être mis en œuvre en particulier dans le cas où les passages sont formés au sein d’échangeurs d’autres types que les échangeurs à plaques ou plaques et ailettes, comme des échangeurs à tubes et calandre, à tubes et ailettes ou du type core-in-kettle.
Notons que dans le cas où les échangeurs sont des échangeurs à tubes, les passages peuvent être formés par les espaces dans, autour et entre les tubes.
Dans le cadre de l’invention, il est également possible d’agencer certains des passages de fluide au sein d’un même échangeur. Cela est envisageable en particulier avec des échangeurs du type à plaques brasés et permet de réduire la complexité et les coûts de fabrication de l’installation mettant en œuvre plusieurs cycle de Rankine combinés.
Ainsi, Fig. 5 représente un mode de réalisation dans lequel le deuxième échangeur E2 et le troisième échangeur E3 forment un même échangeur E commun. Dans ce cas, le deuxième courant froid F2 circule depuis une première entrée 71 située au bout froid de l’échangeur E, c’est-dire le point d’entrée dans l’échangeur où un fluide, ici le courant F2, est introduit à la température la plus basse de toutes les températures de l’échangeur E. Le deuxième courant froid F2 sort par une première sortie 42 de l’échangeur E, les passages 4 étant formés entre les mêmes plaques de l’échangeur E que les passages 7 et étant agencés dans la continuité des passages 7.
Les passages 3, 5, 6, voire aussi les passages 9, 10 lorsque les fluides de travail recirculent après condensation dans l’échangeur E, sont aussi formés au sein du même échangeur E.
En fait, lorsque l’on considère des passages d’une série et des passages d’une autre série dans lesquels un même fluide circule en série, chaque passage de ladite série forme un prolongement d’un passage correspondant de l’autre série, et donc un seul et même passage de l’échangeur E formé entre deux mêmes plaques. Par exemple, sur Fig. 5, un passage 4 et un passage 7 formant ainsi un seul et même passage de l’échangeur E délimité entre deux même plaques de l’échangeur E et s’étendant depuis l’entrée 71 jusqu’à la sortie 42. Lorsque l’on considère des passages d’une série et des passages d’une autre série dans lesquels des fluides différents circulent, ces passages sont superposés au sein d’un même empilement, de façon adjacente ou non.
De préférence, le premier fluide de travail W1 est introduit après détente par une deuxième entrée 31 située au bout chaud de l’échangeur E et présentant la température la plus haute de toutes les températures de l’échangeur E. Le premier fluide de travail W1 circule dans les troisièmes passages 3 jusqu’à une deuxième sortie 32 agencée à un premier niveau intermédiaire situé, suivant la direction d’écoulement z, entre le bout froid et le bout chaud de l’échangeur E. Le premier fluide de travail W1 récupéré à la sortie 32 peut être réintroduit, après pompage, dans les passages 9 de l’échangeur E avant d’alimenter l’entrée 1 1 du premier échangeur E1 , comme illustré sur Fig. 5, ou bien alimenter directement l’entrée 1 1 (non illustré).
De préférence, le deuxième fluide de travail W2 est introduit après détente, éventuellement diphasique et éventuellement avec séparation de ses phases gazeuse et liquide, dans l’échangeur E par une troisième entrée 61 agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé, suivant la direction d’écoulement z, entre le premier niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur E. Le deuxième fluide de travail W2 est récupéré après avoir été condensé dans les passage 6 à la sortie 62 peut être réintroduit, après pompage, dans les passages 10 par une entrée 101 située au bout froid de l’échangeur E, avant d’alimenter les passages 5, comme illustré sur Fig. 5. Les passages 5 sont agencés dans la continuité des passages 10. Le deuxième fluide W2 peut aussi alimenter directement une entrée des passages 5 située à un niveau intermédiaire de l’échangeur E (non illustré).
Fig. 6 représente un mode de réalisation dans lequel le premier échangeur E1 , le deuxième échangeur E2 et le troisième échangeur E3 forment un même échangeur E commun. Dans ce cas, le premier courant chaud C1 est introduit à partir d’une quatrième entrée 21 située au bout chaud de l’échangeur E. De préférence, le premier fluide de travail W1 est introduit après détente, éventuellement à l’état diphasique, par une deuxième entrée 31 agencée à un troisième niveau intermédiaire situé entre le bout froid et le bout chaud et sort dudit échangeur E par une deuxième sortie 32 agencée à un premier niveau intermédiaire situé entre le troisième niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur E. Le deuxième fluide de travail W2 est introduit après détente, éventuellement à l’état diphasique, par une troisième entrée 61 agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé, suivant la direction d’écoulement z, entre le premier niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur E.
Le premier fluide de travail W1 récupéré sous forme liquide à la sortie 32 peut être réintroduit après pompage dans des passages 9 par une entrée 91 avant d’alimenter les passages 1 , comme illustré sur Fig. 6. Les passages 1 sont agencés dans la continuité des passages 9. Le premier fluide W1 peut aussi alimenter directement une entrée des passages 1 située à un niveau intermédiaire de l’échangeur E (non illustré).
Le deuxième fluide de travail W2 récupéré à la sortie 62 sous forme liquide peut être réintroduit après pompage dans les passages 10 par une entrée 101 située au bout froid de l’échangeur E, avant d’alimenter les passages 5, comme illustré sur Fig. 6. Les passages 5 sont agencés dans la continuité des passages 10. Le deuxième fluide W2 peut aussi alimenter directement une entrée des passages 5 située à un niveau intermédiaire de l’échangeur E (non illustré).
Ces agencements d’entrées et sorties à des niveaux intermédiaires entre les bouts froid et chaud de l’échangeur permettent de respecter un ordre croissant des températures d’entrée et sortie des différents fluides, depuis le bout froid jusqu’au bout chaud de l’échangeur E.
Fig. 7 et Fig. 8] illustrent des modes de réalisation dans lesquels on utilise un même générateur couplé à la fois au premier organe de détente et au deuxième organe de détente. Les premier et deuxième générateurs sont donc confondus. Ainsi, on économise un générateur et simplifie l’installation. Cet agencement est possible car les deux cycles de génération d’électricité ont un mode de fonctionnement généralement simultané.
Dans le cadre de la présente invention, le deuxième courant froid F2 peut être un courant d’hydrocarbures liquéfié tel du gaz naturel liquéfié ou un courant de liquide cryogénique tel un courant d’azote liquéfié, un courant d’oxygène liquéfié, un courant d’hydrogène liquéfié.
De préférence, la température d’introduction du deuxième courant froid F2 dans le au moins un septième passage 7 est inférieure à -100 °C.
Avantageusement, le courant froid F2, F1 est formé d’un courant d’hydrocarbures, en particulier du gaz naturel, comprenant de préférence, en fraction molaire, au moins 60% de méthane (CFU), de préférence au moins 80%. Le gaz naturel peut éventuellement comprendre de l’éthane (C2H6), du propane (C3H8), du butane (nC4Hio) ou de l’isobutane (1C4H 10), de l’azote, de préférence dans des teneurs entre 0 et 10% (% molaire). Grâce au procédé de l’invention, on effectue la regazéification nécessaire avant d’injecter le gaz naturel dans le réseau de distribution, tout en valorisant les frigories du gaz naturel liquéfié.
Des courants froids d’autre nature peuvent avantageusement alimenter le procédé selon l’invention pour être revaporisés avant utilisation. En particulier de l’oxygène liquide, de l’azote liquide, ou encore de l’hydrogène liquide peuvent être utilisés. La vaporisation de tels liquides peut permettre d’assurer une continuité de fourniture de gaz lorsqu’une usine de production est à l’arrêt, et permettre d’économiser une partie de l’énergie dépensée pour la constitution des stocks de liquide.
Les températures de vaporisation de ces constituants étant bien inférieures à celles du gaz naturel, il pourra être avantageux d’utiliser un nombre supérieur à deux cycles de Rankine, dans la continuité d’une des descriptions précédentes.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé selon l’invention met en œuvre trois cycles de Rankine avec un troisième cycle de Rankine opéré en amont du deuxième cycle de Rankine. Plus précisément, en se référant à la configuration selon Fig. 1 sans que cela n’y soit illustré, le deuxième courant froid F2 est introduit dans un cinquième échangeur E5 agencé en amont du troisième échangeur E3. Un troisième fluide de travail W3 est introduit à une troisième pression haute Ph3 dans au moins un passage supplémentaire du troisième échangeur E3 et se vaporise au moins en partie contre le deuxième fluide de travail W2 circulant dans le au moins un sixième passage 6 du troisième échangeur E3. Le deuxième fluide de travail W2 fait ainsi office de troisième courant chaud dans le troisième cycle de Rankine.
Le troisième fluide de travail W3 sortant des passages supplémentaires est détendu jusqu’à une troisième pression basse Pb3 dans un troisième organe de détente coopérant avec un troisième générateur électrique, éventuellement confondu avec au moins un autre générateur, de façon à produire de l’énergie électrique. Le fluide de travail W3 détendu est introduit dans le quatrième échangeur et se condense au moins en partie contre le troisième courant froid F3 qui se réchauffe et/ou se vaporise au moins en partie par échange de chaleur avec W3. Le troisième fluide de travail W3 ainsi condensé sort du quatrième échangeur et est réintroduit, après élévation de pression jusqu’à la troisième pression haute Ph3 dans le troisième échangeur E3. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans le cas où le courant froid à revaporiser est un liquide cryogénique à très basse température, c’est- à-dire une température qui peut être inférieure à -170°C, voire inférieure à -200°C.
En fait, plus l’écart de température entre le courant froid à revaporiser par le procédé et la température ambiante est grand, plus il est intéressant d’augmenter le nombre de cycles de Rankine combinés afin de pouvoir atteindre la température souhaitée pour la distribution dans le réseau.
Pour un courant froid de liquide cryogénique ayant une température initiale donnée, on opère donc un réchauffage dudit courant froid contre un troisième fluide de travail se condensant dans un troisième cycle de Rankine puis contre le deuxième fluide de travail se condensant dans le deuxième cycle de Rankine puis contre le premier fluide de travail W1 se condensant dans le premier cycle de Rankine.
Par exemple, pour un liquide cryogénique à revaporiser ayant une température initiale de l’ordre de -250°C, comme c’est la cas par exemple avec un courant d’hydrogène liquide, on opérera avantageusement un réchauffage du courant d’environ -250 à -170°C dans un troisième cycle thermodynamique, le courant de liquide cryogénique se réchauffant jouant le rôle de la source froide du cycle, ce qui permet d’augmenter encore la production d’électricité par unité de débit vaporisé. Par la suite, on revient à la situation précédemment décrite avec un réchauffage d’environ -170 à -90°C environ dans le deuxième cycle de Rankine, puis un réchauffage de -90 à -50°C environ dans le premier cycle de Rankine.
De préférence, le troisième cycle de Rankine n’est pas un cycle organique, le troisième fluide de travail W3 étant de préférence exempt de composant organique.
Bien sûr ce mode de réalisation à trois ou plus cycles est applicable aux configurations autres que celle selon Fig. 1 décrites dans la présente demande. De préférence, en particulier lorsque le courant froid à vaporiser est du GNL, le premier fluide de travail W1 et le deuxième fluide de travail W2 sont des fluides organiques, c’est-à-dire des fluides comprenant un ou plusieurs composants organiques tels des hydrocarbures.
Il est aussi envisageable que les cycles de Rankine du procédé selon l’invention ne soient pas des cycles organiques.
Avec des liquides cryogéniques à vaporiser ayant des constituants à plus bas point d’ébullition que le GNL, le fluide de travail du cycle travaillant à la plus basse température pourra comprendre un ou plusieurs composants tels que l’hydrogène, l'azote, l’argon, l’hélium, le néon en complément ou substitution de tout ou partie des composants organiques. On pourra ainsi envisager de travailler avec des fluides de travail exempts de composants organiques.
Selon une première possibilité, on pourra utiliser des corps purs de nature différente pour former le premier fluide W1 et/ou le deuxième fluide W2. En particulier, on pourra utiliser de l’éthylène comme deuxième fluide de travail W2 et de l’éthane comme premier fluide de travail W1 . Ce choix s’explique par les propriétés physiques de ces constituants qui présentent des pressions de vapeur saturantes pour la gamme de température balayée par la vaporisation de GNL compatibles avec une bonne tenue mécanique des échangeurs en aluminium brasé et des composants des turbines de détente. Ainsi l’utilisation de tels composants dans les cycles ORC permet de concevoir des systèmes compacts et efficaces.
Dans le cadre de l’invention, on utilise préférentiellement des fluides de travail de compositions différentes dans les différents cycles de Rankine mais notons qu’il reste envisageable d’utiliser des fluides de travail de même composition, en ajustant alors de façon appropriée les pressions opératoires de ces fluides. Ceci est possible pour des écarts de températures relativement faibles entre les courants froids et chauds des cycles, par exemple lorsque le deuxième courant froid est un gaz liquéfié à très haute pression et le premier courant chaud est de l’eau de mer à température suffisamment basse.
Selon une autre possibilité, on pourra utiliser des fluides de travail mixtes comprenant respectivement un premier mélange d’hydrocarbures et un deuxième mélange d’hydrocarbures, de préférence le premier et le deuxième mélange d’hydrocarbures contiennent chacun au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthylène (C2H4) le propane, l’éthane, le propylène, le butène, le butane ou l’isobutane.
Le premier fluide de travail W1 et le deuxième fluide de travail W2 peuvent éventuellement comprendre au moins un composant additionnel choisi parmi l’hydrogène, l'azote, l’argon, l’hélium, le néon, en complément ou substitution des composants organiques, et ce en particulier si le liquide cryogénique à vaporiser présente un point d’ébullition plus bas que celui du méthane.
L’utilisation de fluides de travail mixtes permet de diminuer les pertes énergétiques liées à l’irréversibilité des échanges de chaleurs entre fluides froids et chauds en réduisant les écarts de températures entre les courants froids et les fluides de travail en chaque point selon la longueur de l’échangeur. Les compositions, pressions avant et après détente et/ou températures de chaque fluide pourront être adaptées afin d’assurer la meilleure récupération d’énergie possible.
Notons que dans le cas où les fluides de travail sont mixtes, i.e. sont des mélanges, ceux-ci sortent du ou des échangeurs liquides à très basse température et qu’il est alors avantageux d’opérer une réintroduction des fluides condensés dans le ou les échangeurs concernés afin de les réchauffer et maximiser leur température de sortie au bout chaud et donc la production d’électricité lors de leur détente dans la turbine.
En particulier, les proportions en fractions molaires (%) des composants du premier mélange d’hydrocarbures peut être (% molaire) :
Méthane : 0 à 20%, de préférence 0 à 10%
Propane : 20 à 60%, de préférence 30 à 50%
Ethylène : 20 à 60%, de préférence 30 à 50%
Isobutane : 0 à 20%, de préférence 0 à 10%
Les proportions en fractions molaires (%) des composants du deuxième mélange d’hydrocarbures peuvent être:
Méthane : 20 à 60%, de préférence 30 à 50%
Propane : 0 à 20%, de préférence 0 à 10%
Ethylène : 20 à 70%, de préférence 30 à 60%
De préférence, le premier courant chaud C1 , et le cas échéant le courant chaud supplémentaire C1’, sont formés d’eau de mer, de préférence à une température d’entrée dans l’échangeur comprise entre 10 et 30 °C.
De préférence, le deuxième courant froid F2 est un courant d’hydrocarbures introduit totalement liquéfié à l’entrée 71 à une température comprise entre -140 et -170 °C.
Dans le cas où le deuxième courant froid F2 est formé par un fluide liquide d’une autre nature, tel de l’oxygène, de l’azote, de l’hydrogène, la température du fluide à l’entrée 71 est de préférence de l’ordre de sa température d’équilibre à la pression de stockage.
De préférence, le premier courant froid F1 présente une température comprise entre -85 et -105°C à la sortie 72 du troisième échangeur E3, une température comprise entre -10 et -20°C à la sortie 42 du deuxième échangeur E2 ou de l’échangeur E et/ou une température comprise entre 5 et 25°C à la sortie 82 du premier échangeur E3 ou de l’échangeur E, pour être introduit à cette température dans un réseau de distribution. De préférence, le premier courant froid F1 sort totalement vaporisé par la sortie 82 ou la sortie 42.
De préférence, le deuxième courant froid et le premier courant froid présentent des pressions comprises entre 10 et 100 bar tout au long des passages 7, 4, 8 dans lesquels ils s’écoulent.
De préférence, le premier fluide de travail W1 présente, après sa condensation dans le troisième passage 3, une première température T1 . Le deuxième fluide de travail W2 présente, après sa condensation dans le sixième passage 6, une deuxième température T2, avec T2 inférieure à T1 . De préférence, T1 est comprise entre -1 10 et -80 °C et T2 comprise entre -120 et -160 °C.
De préférence, le premier fluide de travail W1 sort vaporisé du premier passage 1 à une température comprise entre 5 et 25 °C et/ou le deuxième fluide de travail W2 sort vaporisé du cinquième passage 5 à une température comprise entre 0 et -30 °C.
De préférence, le premier fluide de travail W1 et le deuxième fluide de travail W2 sortent du troisième passage 3 et du sixième passage 6 respectivement à des première et deuxième pressions dites basses Pb1 , Pb2 et entrent dans le premier passage 1 et dans le cinquième passage 5 respectivement à des première et deuxième pressions dites hautes Ph1 , Ph2, avec Ph1 >Pb1 et Ph2>Pb2.
De préférence, les première et/ou deuxième pressions hautes Ph1 , Ph2 sont comprises entre 10 et 40 bar, de préférence inférieures à 30 bar, de préférence encore inférieures à 20 bar et/ou les première et/ou deuxième pressions basses Pb1 , Pb2 sont comprises entre 1 et 5 bar.
De préférence encore, la première pression haute Ph1 est supérieure à la première pression basse Pb1 d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15 et/ou la deuxième pression haute Ph2 est supérieure à la deuxième pression basse Pb2 d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15, de préférence entre 2,5 et 10. Ces valeurs et rapports de pressions permettent d’adapter le procédé aux courbes enthalpiques des fluides et d’ajuster au mieux les températures d’équilibre. Plus on travaille à pression élevée, plus la quantité d’énergie récupérée est importante. Un facteur multiplicateur d’au moins 2,5 permet de récupérer une quantité d’énergie suffisamment intéressante. En pratique, les pressions sont limitées par la capacité des organes de détente. Afin de démontrer l’efficacité d’un procédé selon l’invention, des simulations ont été réalisées pour calculer les rendements énergétiques obtenus avec un cycle de Rankine simple (simulation n°1 ) selon l’art antérieur, et des combinaisons de cycles de Rankine selon des modes de réalisations de l’invention (simulations n°2 et n°3). En particulier, l’influence de la nature des fluides de travail utilisés dans une combinaison de cycle a été évaluée. Les courants froids étaient du GNL comprenant 90,5% de méthane, 7,3% d’éthane, 1 ,5% de propane, 0,2% de butane, 0,3% d’isobutane, 0,2% d’azote (% molaire). Pour la simulation n°2, la configuration d’échangeurs utilisée était selon Fig. 1 et pour la simulation n°3, la configuration d’échangeurs utilisée était selon Fig. 3.
Simulation n°1 (hors invention):
L’unique fluide de travail était du propane. La pression du fluide de travail W1 était de 7,5 bar à l’entrée de l’échangeur de vaporisation et de 1 ,5 bar à la sortie 32 de l’échangeur de condensation. Le courant chaud était de l’eau de mer à une pression de 5 bar et une température de 23 °C à l’entrée de l’échangeur de vaporisation.
Simulation n°2 (invention):
Le premier fluide de travail W1 était de l’éthane. Le deuxième fluide de travail était de l’éthylène. La pression du premier fluide de travail W1 était de 27 bar à l’entrée 1 1 et de 5,8 bar à la sortie 32. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 8,1 bar à l’entrée 51 et de 2,1 bar à la sortie 62. La pression du gaz naturel était de 90 bar à l’entrée 71 et de 89 bar à la sortie 82. Le courant chaud C1 était de l’eau de mer à une pression de 5 bar en entrée et en sortie des passages 2. Tableau 1 indique les températures de fluides calculées en entrée ou sortie de différents passages.
Tableau 1
Simulation n°3 (invention):
Le premier fluide de travail W1 était un mélange d’hydrocarbures comprenant 46% d’éthylène, 38% de propane, 8% de méthane, 8% d’isobutane (% molaire). Le deuxième fluide de travail était un mélange d’hydrocarbures comprenant 55,4% d’éthylène, 41 % de méthane, 3,6% de propane (% molaire). La pression du premier fluide de travail W1 était de 12 bar à l’entrée 91 et de 4,2 bar à la sortie 32. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 16,7 bar à l’entrée 101 et de 1 ,7 bar à la sortie 62. La pression du gaz naturel était de 90 bar à l’entrée 71 et de 89,5 bar à la sortie 82. Le courant chaud C1 était de l’eau de mer à une pression de 5 bar en entrée et en sortie des passages 2. Tableau 2 indique les températures de fluides calculées en entrée ou sortie de différents passages.
Tableau 2
Avec la simulation n°1 , le rendement énergétique obtenu était de 0,016 kWh/Nm3.
Avec la simulation n°2, le rendement énergétique du deuxième cycle de Rankine était de 0,0045 kWh/Nm3 et le rendement énergétique du premier cycle de Rankine était de 0,0134 kWh/Nm3, soit un rendement total de 0,0179 kWh/Nm3, représentant un gain de l’ordre de 12% par rapport à la simulation n°1 .
Avec la simulation n°3, le rendement énergétique du deuxième cycle de Rankine était de 0,012 kWh/Nm3 et le rendement énergétique du premier cycle de Rankine était de 0,021 kWh/Nm3, soit un rendement total de 0,033 kWh/Nm3, représentant un gain de l’ordre de 106% par rapport à la simulation n°1 .
L’utilisation d’un premier fluide de travail et d’un deuxième fluide de travail W2 mixtes permet d’augmenter significativement les performances du procédé, grâce à l’amélioration des diagrammes d’échange entre le gaz naturel liquéfié et les fluides de travail. Les schémas de réintroduction des fluides de travail dans les passages d’échanges tels que décrit précédemment participent également à la plus grande efficacité énergétique du procédé.
Fig. 9 montre un comparatif des diagrammes d’échange Chaleur échangée (« heat flow ») - Température (DH - T), ou courbes enthalpiques, obtenus d’une part avec une combinaison de cycles avec fluides de travail purs selon la simulation n°2 (en (a)) et d’autre part avec une combinaison de cycles avec fluides de travail mixtes selon la simulation n°3 (en (b)). Les diagrammes illustrés sont obtenus pour un débit de 3000 Nm3/h de GNL traité (soit environ une échelle 1/100 d’une unité industrielle). Les courbes A, B, C, D illustrent l’évolution de la quantité de chaleur échangée en fonction de la température pour l’ensemble des fluides frigorigènes qui se réchauffent et/ou se vaporisent dans les procédés, incluant le GNL (courbes A et C) et l’ensemble des fluides calorigènes qui se refroidissent et/ou se condensant dans les procédés, incluant les premier et deuxièmes fluides de travail (courbes B et D), et ce pour chacune des deux configurations simulées. On peut voir sur Fig. 9 (b) que l’écart moyen de température est significativement réduit par l’utilisation de fluides de travail composés d’un mélange de constituants, ce qui explique la meilleure efficacité de ce cycle.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D’autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l’homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple d’autres configurations d’injection et de d’extraction des fluides du ou des échangeurs, d’autre sens et directions d’écoulement des fluides, d’autres types de fluides sont envisageables.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de production d’énergie électrique mettant en œuvre au moins un premier cycle de Rankine et un deuxième cycle de Rankine, lesdits cycles étant opérés dans au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, ledit premier cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :
a)introduction à une première pression haute (Ph1 ) d’un premier fluide de travail (W1 ) dans au moins un premier passage (1 ) et vaporisation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail (W1 ) contre au moins un premier courant chaud (C1 ) circulant dans au moins un deuxième passage (2) en relation d’échange thermique avec au moins ledit au moins un premier passage (1 ),
b)sortie du premier fluide de travail (W1 ) au moins partiellement vaporisé à l’étape a) du premier passage (1 ) et détente jusqu’à une première pression basse (Pb1 ) dans un premier organe de détente coopérant avec un premier générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
c)introduction du premier fluide de travail (W1 ) détendu à l’étape b) dans au moins un troisième passage (3) et condensation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail (W1 ) contre au moins un premier courant froid (F1 ) circulant dans au moins un quatrième passage (4) en relation d’échange thermique avec ledit au moins un troisième passage (3),
d)sortie dudit premier fluide de travail (W1 ) au moins partiellement condensé à l’étape c) du troisième passage (3) et réintroduction après élévation de pression jusqu’à la première pression haute (Ph1 ) dans le premier passage (1 ), et le deuxième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :
e)introduction à une deuxième pression haute (Ph2) d’un deuxième fluide de travail (W2) dans au moins un cinquième passage (5) et vaporisation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail (W2) contre au moins un deuxième courant chaud, f)sortie du deuxième fluide de travail (W2) au moins partiellement vaporisé à l’étape e) du cinquième passage (5) et détente jusqu’à une deuxième pression basse (Pb2) dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
g)introduction du deuxième fluide de travail (W2) détendu à l’étape f) dans au moins un sixième passage (6) et condensation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail (W2) contre au moins un deuxième courant froid (F2) circulant dans au moins un septième passage (7) en relation d’échange thermique avec au moins le sixième passage (6),
h)sortie dudit deuxième fluide de travail (W2) au moins partiellement condensé à l’étape g) du sixième passage (6) et réintroduction, après élévation de pression jusqu’à la deuxième pression haute (Ph2), dans le cinquième passage (5),
caractérisé en ce que, à l’étape e), le deuxième courant chaud du deuxième cycle de Rankine est formé au moins en partie par le premier fluide de travail (W1 ) circulant à l’étape c) dans le troisième passage (3) et, à l’étape c), le premier courant froid (F1 ) est formé par le deuxième courant froid (F2) sortant du septième passage (7).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le deuxième courant froid (F2) est introduit dans le septième passage (7) à une température inférieure à -100°C.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape c), le premier fluide de travail (W1 ) circule à contre-courant avec le premier courant froid (F1 ) et/ou à l’étape g), le deuxième fluide de travail (W2) circule à contre- courant avec le deuxième courant froid (F2).
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier cycle de Rankine et le deuxième cycle de Rankine sont des cycles organiques, le premier fluide de travail (W1 ) et le deuxième fluide de travail (W2) comprenant respectivement un premier mélange d’hydrocarbures et un deuxième mélange d’hydrocarbures, de préférence le premier et le deuxième mélange d’hydrocarbures contiennent chacun au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’ethylène, le propylène, le butène, l’isobutane, éventuellement additionnés d’au moins un composant additionnel choisi parmi l'azote, l’argon, l’hélium, le dioxyde de carbone, le néon.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier courant chaud (C1 ) est formé d’eau de mer, de préférence à une température strictement supérieure à 0 °C, de préférence encore comprise entre 10 et 30 °C, l’eau de mer ayant éventuellement subi une étape de réchauffage avant introduction dans le deuxième passage (2).
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première pression haute (Ph1 ) est supérieure à la première pression basse (Pb1 ) du premier fluide de travail (W1 ) d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15 et/ou la deuxième pression haute (Ph2) est supérieure à la deuxième pression basse (Pb2) du deuxième fluide de travail (W2) d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15, de préférence entre 2,5 et 10, les première et/ou deuxième pressions hautes (Ph1 , Ph2) sont comprises entre 10 et 40 bar et/ou les première et/ou deuxième pressions basses (Pb1 , Pb2) sont comprises entre 1 ,5 et 5 bar.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape d), le premier fluide de travail (W1 ) sortant du troisième passage (3) est introduit dans au moins un neuvième passage (9) en relation d’échange thermique avec lesdits troisième, quatrième et/ou cinquième passages (3, 4, 5), avant d’être réintroduit dans le premier passage (1 ) et/ou, à l’étape h), le deuxième fluide de travail (W2) sortant du sixième passage (6) est introduit dans au moins un dixième passage (10) en relation d’échange thermique avec les sixième et/ou septième passages (6, 7), avant d’être réintroduit dans le cinquième passage (5).
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième courant froid (F2) est un courant d’hydrocarbures liquéfié tel du gaz naturel liquéfié ou un courant de liquide cryogénique choisi de préférence parmi : un courant d’azote liquéfié, un courant d’oxygène liquéfié, un courant d’hydrogène liquéfié.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième courant froid (F2) est un courant d’hydrocarbures, en particulier de gaz naturel, introduit totalement liquéfié dans le septième passage (7) à une température comprise entre -140 et -170 °C et le premier courant froid (F1 ) sort du au moins un quatrième passage (4) totalement vaporisé à une température comprise entre 5 et 50 °C.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’issue de l’étape c), le premier fluide de travail (W1 ) présente une première température (T1 ) et, à l’issue de l’étape g), le deuxième fluide de travail (W2) présente une deuxième température (T2) inférieure à la première température (T1 ), avec de préférence T 1 comprise entre -1 10 et - 80 °C et T2 comprise entre -120 et -160 °C.
1 1 . Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier courant froid (F1 ) sortant du quatrième passage (4) est introduit dans au moins un huitième passage (8) pour y être réchauffé contre le premier courant chaud (C1 ) et/ou le premier fluide de travail (W1 ), de préférence le premier courant froid (F1 ) sort du huitième passage (8) totalement vaporisé à une température comprise entre 5 et 50 °C.
12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième, sixième, septième, huitième, neuvième et/ou dixième passages font partie d’au moins un échangeur de chaleur du type à plaques brasé, ledit échangeur comprenant un empilement de plusieurs plaques parallèles et espacées les unes par rapport aux autres de façon à délimiter entre elles plusieurs séries de plusieurs passages au sein dudit échangeur.
13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier et deuxième passages (1 , 2) font partie d’un premier échangeur de chaleur (E1 ), les troisième, quatrième, cinquième et/ou neuvième passages (3, 4, 5, 9) font partie d’un deuxième échangeur de chaleur (E2) et les sixième, septième et/ou dixième passages (6, 7, 10) font partie d’un troisième échangeur de chaleur (E3), lesdits premier, deuxième et troisième échangeurs formant des entités physiquement distinctes.
14. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les troisième, quatrième, cinquième et/ou neuvième passages (3, 4, 5, 9) et les sixième, septième et/ou dixième passages (6, 7, 10) font partie d’un même échangeur de chaleur (E), le deuxième courant froid (F2) étant introduit à partir d’une première entrée située à un bout froid dudit échangeur (E) et présentant la température la plus basse de l’échangeur (E), le premier fluide de travail (W1 ) détendu à l’étape b) étant introduit à partir d’une deuxième entrée située à un bout chaud dudit échangeur (E) et présentant la température la plus haute de l’échangeur (E) jusqu’à une deuxième sortie agencée à un premier niveau intermédiaire de l’échangeur (E) situé entre le bout froid et le bout chaud et le deuxième fluide de travail (W2) détendu à l’étape f) étant introduit dans l’échangeur (E) par une troisième entrée agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur (E).
15. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les premier et deuxième passages (1 , 2), les troisième, quatrième, cinquième et/ou neuvième passages (3, 4, 5, 9) et les sixième, septième et/ou dixième passages (6, 7, 10) font partie du même échangeur (E), le deuxième courant froid (F2) étant introduit à partir d’une première entrée située à un bout froid dudit échangeur (E) et présentant la température la plus basse de l’échangeur (E), le premier courant chaud (C1 ) étant introduit à partir d’une cinquième entrée située à un bout chaud dudit échangeur (E) et présentant la température la plus haute de l’échangeur (E), le premier fluide de travail (W1 ) détendu à l’étape b) étant introduit à partir d’une deuxième entrée agencée à un troisième niveau intermédiaire situé entre le bout froid et le bout chaud et sortant dudit échangeur (E) par une deuxième sortie agencée à un premier niveau intermédiaire de l’échangeur (E) situé entre le troisième niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur (E) et le deuxième fluide de travail (W2) détendu à l’étape f) étant introduit dans l’échangeur (E) par une troisième entrée agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout froid de l’échangeur (E).
16. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième courant froid (F2) est un courant de liquide cryogénique introduit dans le septième passage (7) à une température inférieure à -180 °C, de préférence comprise entre -180 et -253 °C.
17. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il met en œuvre un troisième cycle de Rankine opéré en amont du deuxième cycle de Rankine, le troisième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :
i) introduction du deuxième courant froid (F2) dans au moins un douzième passage préalablement à son introduction dans le au moins un septième passage,
j) introduction d’un troisième fluide de travail (W3) à une troisième pression haute (Ph3) dans au moins un treizième passage en relation d’échange thermique avec ledit sixième passage (6) et vaporisation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail (W3) contre le deuxième fluide de travail (W2) circulant dans le sixième passage (6),
k) détente du troisième fluide de travail (W3) issu de l’étape j) jusqu’à une troisième pression basse (Pb3) dans un troisième organe de détente coopérant avec un troisième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
L) introduction du troisième fluide de travail (W3) dans au moins un quatorzième passage en relation d’échange thermique avec le douzième passage et condensation d’au moins en partie du troisième fluide de travail (W3) contre le deuxième courant froid (F2),
m) réintroduction, après élévation de pression jusqu’à troisième pression haute (Ph3), du troisième fluide de travail (W3) issu de l’étape I) dans le treizième passage.
18. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier, deuxième et/ou troisième générateurs sont confondus un seul et même générateur électrique, le premier organe de détente, le deuxième organe de détente et/ou le troisième organe de détente étant couplés à ce même générateur électrique de sorte que ledit générateur produit de l’énergie électrique simultanément à partir du premier cycle, du deuxième cycle et/ou du troisième cycle de Rankine.
19. Installation de production d’énergie électrique comprenant des moyens de mise en œuvre d’un premier cycle de Rankine et d’un deuxième cycle de Rankine comprenant au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, les moyens de mise en œuvre du premier cycle de Rankine comprenant :
- au moins un premier passage (1 ) configuré pour l’écoulement d’un premier fluide de travail (W1 ),
- au moins un deuxième passage (2) configuré pour l’écoulement d’un premier courant chaud (C1 ), ledit deuxième passage (2) étant en relation d’échange thermique avec ledit premier passage (1 ) de sorte que, en fonctionnement, le premier fluide de travail (W1 ) introduit dans le premier passage (1 ) est vaporisé en moins en partie contre le premier courant chaud (C1 ),
- un premier organe de détente agencé en aval dudit premier passage (1 ) et configuré pour réduire la pression du premier fluide de travail (W1 ) sortant du premier passage (1 ) depuis une première pression haute (Ph1 ) jusqu'à une première pression basse (Pb1 ),
- un premier générateur électrique couplé au premier organe de détente,
- au moins un troisième passage (3) agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail (W1 ) détendu par le premier organe de détente,
- au moins un quatrième passage (4) configuré pour l’écoulement d’un premier courant froid (F1 ), ledit quatrième passage (4) étant en relation d’échange thermique avec ledit troisième passage (3) de sorte que, en fonctionnement, le premier fluide de travail (W1 ) introduit dans le troisième passage (3) est condensé au moins en partie contre le premier courant froid (F1 ),
- un premier organe élévateur de pression agencé en aval dudit troisième passage (3) et configuré pour augmenter la pression du premier fluide de travail (W1 ) sortant du troisième passage (3) depuis la première pression basse (Pb1 ) jusqu'à la première pression haute (Ph1 ),
et les moyens de mise en œuvre du deuxième cycle de Rankine comprenant :
- au moins un cinquième passage (5) configuré pour l’écoulement d’un deuxième fluide de travail (W2),
- un deuxième organe de détente agencé en aval dudit cinquième passage (5) et configuré pour réduire la pression du deuxième fluide de travail (W2) sortant du cinquième passage (5) depuis une deuxième pression haute (Ph2) jusqu'à une deuxième pression basse (Pb2),
- un deuxième générateur électrique couplé au deuxième organe de détente,
- au moins un sixième passage (6) agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail (W2) détendu par le deuxième organe de détente,
- au moins un septième passage (7) configuré pour l’écoulement d’un deuxième courant froid (F2), ledit septième passage (7) étant en relation d’échange thermique avec ledit sixième passage (6) de sorte que, en fonctionnement, le deuxième fluide de travail (W2) circulant dans le sixième passage (6) est condensé au moins en partie contre le deuxième courant froid (F2),
- un deuxième organe élévateur de pression agencé en aval dudit sixième passage (6) et configuré pour augmenter la pression du deuxième fluide de travail (W2) sortant du sixième passage (6) depuis la deuxième pression basse (Pb2) jusqu'à la deuxième pression haute (Ph2),
caractérisé en ce que le cinquième passage (5) est mis en relation d’échange thermique avec le troisième passage (3) de sorte que le deuxième fluide de travail (W2) est vaporisé au moins en partie contre le premier fluide de travail (W1 ) introduit dans le troisième passage (3) et en ce que le septième passage (7) est agencé en amont du quatrième passage (4) et mis en communication fluidique avec ledit quatrième passage (4) et de sorte que le premier courant froid (F1 ) introduit dans le quatrième passage (4) est formé par le deuxième courant froid (F2) sortant du septième passage (7).
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