EP4291841A1 - Device and method for refrigerating or liquefying a fluid - Google Patents

Device and method for refrigerating or liquefying a fluid

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EP4291841A1
EP4291841A1 EP22700957.8A EP22700957A EP4291841A1 EP 4291841 A1 EP4291841 A1 EP 4291841A1 EP 22700957 A EP22700957 A EP 22700957A EP 4291841 A1 EP4291841 A1 EP 4291841A1
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EP
European Patent Office
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compression
cooling
cycle gas
cycle
fluid
Prior art date
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Pending
Application number
EP22700957.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mathieu Roig
Rémi NICOLAS
Fabien Durand
Guillaume DELAUTRE
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
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Abstract

Disclosed is a device for refrigerating or liquefying a fluid such as natural gas or hydrogen, comprising a fluid circuit (3) that is to be cooled and has an upstream end for connection to a source (2) of gaseous fluid as well as a downstream end (23) for connection to a member for collecting the cooled or liquefied fluid, the device (1) comprising a heat exchanger assembly (6, 10) in heat exchange with the fluid circuit (3) to be cooled, the device (1) comprising a refrigerator (20) in heat exchange with at least a portion of the exchanger assembly (6, 10), the refrigerator (20) being of the type that has a cycle for refrigerating a cycle gas containing at least one of: helium, hydrogen, nitrogen or neon; said refrigerator (20) comprising in series in a cycle circuit (14): a mechanism (15) for compressing the cycle gas, at least one member (7, 6, 10) for cooling the cycle gas, a mechanism (17) for expanding the cycle gas, and at least one member (6, 10) for reheating the expanded cycle gas, wherein the compression mechanism comprises a plurality of compression stages (15) in series composed of a centrifugal compressor assembly, the compression stages (15) being mounted on a set of shafts that are rotationally driven by a motor assembly (18), the at least one member (7, 6, 10) for cooling the cycle gas comprising at least one heat exchanger (7) at the outlet of at least one compression stage (15) in heat exchange with the cycle circuit (14), said heat exchanger (7) being cooled by a heat transfer fluid, characterized in that the compression mechanism comprises at least two compression stages (15) that are arranged successively in series and do not include any member for cooling the cycle gas such as a heat exchanger (7) therebetween.

Description

    Dispositif et procédé de réfrigération ou de liquéfaction d’un fluide.Device and method for refrigerating or liquefying a fluid.
  • L’invention concerne un dispositif et un procédé de réfrigération ou de liquéfaction d’un fluide.The invention relates to a device and a method for refrigerating or liquefying a fluid.
  • L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération ou de liquéfaction d’un fluide tel que du gaz naturel ou de l’hydrogène, comprenant un circuit de fluide à refroidir ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source de fluide gazeux et une extrémité aval destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi ou liquéfié, le dispositif comprenant un ensemble d’échangeur(s) de chaleur en échange thermique avec le circuit de fluide à refroidir, le dispositif comprenant un réfrigérateur en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur, le réfrigérateur étant du type à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle comprenant l’un au moins parmi : l’hélium, de l’hydrogène, de l’azote ou du néon, ledit le réfrigérateur comprenant, disposés en série dans un circuit de cycle : un mécanisme de compression du gaz de cycle, au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle, un mécanisme de détente du gaz de cycle et au moins un organe de réchauffage du gaz de cycle détendu, dans lequel le mécanisme de compression comprend plusieurs étages de compression en série composés d’un ensemble de compresseur(s) de type centrifuge, les étages de compressions étant montés sur un ensemble d’arbres entraînés en rotation par un ensemble de moteur(s), le au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle comprenant au moins un échangeur de chaleur disposé à la sortie d’au moins un étage de compression en échange thermique avec le circuit de cycle, ledit échangeur de chaleur étant refroidi par un fluide caloporteur.The invention relates more particularly to a device for refrigerating or liquefying a fluid such as natural gas or hydrogen, comprising a fluid circuit to be cooled having an upstream end intended to be connected to a source of gaseous fluid and a downstream end intended to be connected to a member for collecting the cooled or liquefied fluid, the device comprising a set of heat exchanger(s) in heat exchange with the fluid circuit to be cooled, the device comprising a refrigerator in heat exchange with at least part of the set of heat exchanger(s), the refrigerator being of the refrigeration cycle type of a cycle gas comprising at least one of: helium, hydrogen, nitrogen or neon, said refrigerator comprising, arranged in series in a cycle circuit: a cycle gas compression mechanism, at least one cycle gas cooling member, a cycle gas expansion mechanism e and at least one element for heating the expanded cycle gas, in which the compression mechanism comprises several compression stages in series composed of a set of compressor(s) of the centrifugal type, the compression stages being mounted on a set shafts driven in rotation by a set of motor(s), the at least one cycle gas cooling unit comprising at least one heat exchanger arranged at the outlet of at least one compression stage in heat exchange with the cycle circuit, said heat exchanger being cooled by a heat transfer fluid.
  • L’augmentation de la capacité d’un réfrigérateur/liquéfacteur cryogénique (c’est-à-dire de la puissance de réfrigération/liquéfaction délivrée) nécessite généralement une modification importante de l’architecture du cycle de réfrigération et l’apport d’équipements supplémentaires (compresseurs supplémentaires avec refroidisseurs en sortie).Increasing the capacity of a cryogenic refrigerator/liquefier (i.e. the refrigeration/liquefaction power delivered) generally requires a significant modification of the architecture of the refrigeration cycle and the addition of equipment additional (additional compressors with aftercoolers).
  • Un but est de limiter la complexité et le coût d’une telle installation sans impacter significativement l’efficacité globale du système et notamment de son système de compression.One goal is to limit the complexity and cost of such an installation without significantly impacting the overall efficiency of the system and in particular of its compression system.
  • Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.An object of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks of the prior art noted above.
  • A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le mécanisme de compression comprend au moins deux étages de compression disposés successivement en série et dépourvus d’un organe de refroidissement du gaz de cycle tel qu’un échangeur de chaleur entre eux.To this end, the device according to the invention, moreover conforming to the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the compression mechanism comprises at least two compression stages arranged successively in series and devoid of a member for cooling the cycle gas such as a heat exchanger between them.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : Further, embodiments of the invention may include one or more of the following features:
    • le mécanisme de compression comprend quatre étages de compression en série, l’organe de refroidissement du gaz de cycle comprenant trois échangeurs de chaleur de refroidissement disposés respectivement entre le premier et le second étage de compression entre le second et le troisième étage de compression et à la sortie du quatrième étage de compression,the compression mechanism comprises four compression stages in series, the cycle gas cooler comprising three cooling heat exchangers arranged respectively between the first and the second compression stage between the second and the third compression stage and at the output of the fourth compression stage,
    • le dispositif comprend des échangeurs de chaleur de refroidissement disposés uniquement tous les deux étages de compression en série,the device comprises cooling heat exchangers arranged only every two compression stages in series,
    • l’ensemble des moteur(s) comprend plusieurs moteurs d’entraînement des étages de compression,the set of motor(s) includes several drive motors for the compression stages,
    • l’ensemble de moteur(s) comprend un moteur respectif distinct pour chaque étage de compression,the set of engine(s) comprises a separate respective engine for each compression stage,
    • l’un au moins des moteurs est refroidi par un flux de gaz de cycle via au moins une conduite de dérivation d’une fraction du flux de gaz de cycle alimentant le mécanisme de compression, la conduite de dérivation comprenant une extrémité amont raccordée à la sortie de l’un au moins des étages de compression pour prélever une fraction du flux de gaz de cycle,at least one of the engines is cooled by a flow of cycle gas via at least one bypass pipe of a fraction of the cycle gas flow supplying the compression mechanism, the bypass pipe comprising an upstream end connected to the outlet from at least one of the compression stages to take off a fraction of the cycle gas flow,
    • une extrémité aval d’au moins une conduite de dérivation est raccordée à l’entrée d’un étage de compression après son passage et échange de chaleur avec au moins un moteur,a downstream end of at least one branch line is connected to the inlet of a compression stage after it has passed through and exchanged heat with at least one engine,
    • la au moins une conduite de dérivation comprend, entre son extrémité amont et son extrémité aval, une subdivision en au moins deux branches distinctes alimentant respectivement des moteurs distincts en vue de leur refroidissement,the at least one branch pipe comprises, between its upstream end and its downstream end, a subdivision into at least two separate branches respectively supplying separate motors with a view to cooling them,
    • les au moins deux branches distinctes formées par la subdivision d’une conduite de dérivation comportent une jonction aval au sein d’une même portion de conduite,the at least two distinct branches formed by the subdivision of a branch line include a downstream junction within the same section of line,
    • la au moins une conduite de dérivation comprend au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle.the at least one branch line comprises at least one cycle gas cooling member.
    • le au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle de la au moins une conduite de dérivation comprend un échangeur de chaleur de refroidissement,the at least one member for cooling the cycle gas of the at least one branch pipe comprises a cooling heat exchanger,
  • De plus : Furthermore :
    • le gaz de cycle peut être constitué d’hélium ou un mélange comprenant au moins 50% d’hélium,the cycle gas may consist of helium or a mixture comprising at least 50% helium,
    • le gaz de cycle peut être constitué d’hydrogène ou un mélange comprenant au moins 50% d’hydrogène,the cycle gas may consist of hydrogen or a mixture comprising at least 50% hydrogen,
    • le gaz de cycle peut être constitué d’azote ou un mélange comprenant au moins 50% d’azote,the cycle gas may consist of nitrogen or a mixture comprising at least 50% nitrogen,
    • le mécanisme de compression peut comprendre uniquement des compresseurs de type centrifuge,the compression mechanism may include only centrifugal-type compressors,
    • le fluide à refroidir peut comprendre l’un au moins parmi, de l’hydrogène, du gaz naturel, du biogaz, du méthane, de l’hélium.the fluid to be cooled can comprise at least one of hydrogen, natural gas, biogas, methane, helium.
  • L’invention concerne également un procédé de réfrigération ou de liquéfaction d’un fluide utilisant un dispositif de réfrigération selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous et comportant une étape de mise en circulation d’un fluide dans le circuit de fluide à refroidir et une étape de refroidissement dudit fluide via le froid produit par le réfrigérateur.The invention also relates a process for refrigerating or liquefying a fluid using a refrigeration device according to any one of the characteristics above or below and comprising a step of circulating a fluid in the fluid circuit to be cooled and a step of cooling said fluid via the cold produced by the refrigerator.
  • Selon d’autres particularités possibles : le procédé comporte une étape de pilotage de la vitesse de rotation des étages de compression selon des vitesses indépendantes dans lequel, pendant au moins une phase de fonctionnement déterminée, la vitesse de rotation des étages de compression en série dépourvus d’un organe de refroidissement du gaz de cycle tel qu’un échangeur de chaleur entre eux est maintenue à une vitesse inférieure à la vitesse de rotation des étages de compressions munis à leur sortie d’un organe de refroidissement du gaz de cycle.According to other possible particularities: the method comprises a step of controlling the speed of rotation of the compression stages according to independent speeds in which, during at least one determined operating phase, the speed of rotation of the compression stages in series without of a member for cooling the cycle gas such as a heat exchanger between them is maintained at a speed lower than the speed of rotation of the compression stages provided at their outlet with a member for cooling the cycle gas.
  • L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.The invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the characteristics above or below within the scope of the claims.
  • D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :Other features and advantages will appear on reading the description below, made with reference to the figures in which:
  • est une représentation schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’un dispositif selon l’invention. is a schematic and partial representation illustrating an example of structure and operation of a device according to the invention.
  • Le dispositif 1 est configuré pour la réfrigération et/ou la liquéfaction cryogénique d’un fluide (tel que du gaz naturel, du biométhane ou de l’hydrogène par exemple mais sans que ceci soit limitatif). Le dispositif 1 comprend un circuit 3 de fluide à refroidir/liquéfier ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source 2 de fluide (gazeux par exemple) et une extrémité aval 23 destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi ou liquéfié (un stockage par exemple).The device 1 is configured for the refrigeration and/or the cryogenic liquefaction of a fluid (such as natural gas, biomethane or hydrogen for example, but without this being limiting). The device 1 comprises a circuit 3 of fluid to be cooled/liquefied having an upstream end intended to be connected to a source 2 of fluid (gaseous for example) and a downstream end 23 intended to be connected to a cooled or liquefied (a storage for example).
  • Le dispositif 1 comprend un ensemble d’échangeur(s) 6, 10 de chaleur en échange thermique avec le circuit 3 de fluide à refroidir.The device 1 comprises a set of heat exchanger(s) 6, 10 in heat exchange with the circuit 3 of the fluid to be cooled.
  • Le dispositif 1 comprend une source froide comportant un réfrigérateur 20 en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) 6, 10 de chaleur.The device 1 comprises a cold source comprising a refrigerator 20 in heat exchange with at least part of the set of heat exchanger(s) 6, 10.
  • Le réfrigérateur 20 est cryogénique et du type à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle comprenant majoritairement de l’hélium et/ou de l’hydrogène et/ou de l’azote et/ou du néon.The refrigerator 20 is cryogenic and of the type with a refrigeration cycle of a cycle gas mainly comprising helium and/or hydrogen and/or nitrogen and/or neon.
  • Par exemple, le gaz de cycle est constitué d’hélium pur ou un mélange comprenant au moins 50% d’hélium.For example, the cycle gas consists of pure helium or a mixture comprising at least 50% helium.
  • De même, le gaz de cycle peut être constitué d’hydrogène pur ou un mélange comprenant au moins 50% d’hydrogène.Similarly, the cycle gas can consist of pure hydrogen or a mixture comprising at least 50% hydrogen.
  • De même, le gaz de cycle peut être constitué d’azote ou un mélange comprenant au moins 50% d’azote.Similarly, the cycle gas can consist of nitrogen or a mixture comprising at least 50% nitrogen.
  • Alternativement, le gaz de cycle peut être constitué de néon ou un mélange comprenant au moins 50% de néon.Alternatively, the cycle gas can consist of neon or a mixture comprising at least 50% neon.
  • Bien entendu tout autre gaz de cycle ou mélange approprié peut être envisagée par exemple comprenant au moins l’un parmi : de l’hélium, de l’hydrogène, de l’azote, du néon, du méthane.Of course, any other suitable cycle gas or mixture can be envisaged, for example comprising at least one of: helium, hydrogen, nitrogen, neon, methane.
  • Typiquement, le réfrigérateur 20 comprend, disposés en série dans un circuit 14 de cycle : un mécanisme 15 de compression du gaz de cycle, au moins un organe 7, 6, 10 de refroidissement du gaz de cycle, un mécanisme 17 de détente du gaz de cycle et au moins un organe 6,10 de réchauffage du gaz de cycle détendu.Typically, the refrigerator 20 comprises, arranged in series in a cycle circuit 14: a cycle gas compression mechanism 15, at least one cycle gas cooling member 7, 6, 10, a gas expansion mechanism 17 cycle and at least one element 6.10 for heating the expanded cycle gas.
  • Le mécanisme de compression comprend plusieurs étages de compression 15 en série composés d’un ensemble de compresseur(s) de type centrifuge, les étages de compression étant montés sur un ensemble d’arbres entraînés en rotation par un ensemble de moteur(s) 18.The compression mechanism comprises several compression stages 15 in series composed of a set of compressor(s) of the centrifugal type, the compression stages being mounted on a set of shafts driven in rotation by a set of motor(s) 18 .
  • Le au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle comprend au moins un échangeur 7 de chaleur disposés à la sortie d’au moins un étage 15 de compression en échange thermique avec le circuit 14 de cycle. Ce au moins un échangeur 7 de chaleur peut être refroidi par un fluide caloporteur, par exemple de l’eau ou de l’air.The at least one cycle gas cooling unit comprises at least one heat exchanger 7 arranged at the outlet of at least one compression stage 15 in heat exchange with the circuit 14 of the cycle. This at least one heat exchanger 7 can be cooled by a heat transfer fluid, for example water or air.
  • L’ensemble d’échangeur(s) de chaleur peut comprendre un ou une pluralité d’échangeurs 6, 10 de chaleur disposés en série et dans lesquels deux portions distinctes du circuit 14 de cycle circulent simultanément à contre-courant pour respectivement le refroidissement et pour le réchauffage du gaz de cycle. La pluralité d’échangeurs de chaleur peut donc former à la fois un organe de refroidissement du gaz de cycle et un organe de réchauffage du gaz de cycle.The set of heat exchanger(s) may comprise one or a plurality of heat exchangers 6, 10 arranged in series and in which two distinct portions of the cycle circuit 14 circulate simultaneously in counter-current for cooling and for heating the cycle gas. The plurality of heat exchangers can therefore form both a member for cooling the cycle gas and a member for heating the cycle gas.
  • Selon une particularité avantageuse, le mécanisme de compression comprend au moins deux étages de compression 15 disposés successivement en série et dépourvus d’un organe de refroidissement du gaz de cycle tel qu’un échangeur 7 de chaleur entre eux. C’est-à-dire que deux étages de compressions peuvent se succéder sans refroidissement inter-étages.According to an advantageous feature, the compression mechanism comprises at least two compression stages 15 arranged successively in series and devoid of a member for cooling the cycle gas such as a heat exchanger 7 between them. That is to say that two compression stages can follow one another without inter-stage cooling.
  • Plus précisément, au moins un étage 15 de compression ne comporte pas à sa sortie d’échangeur 7 de refroidissement refroidi par un fluide caloporteur distinct du gaz de cycle (pas d’« aftercooler »). En revanche, le gaz de cycle en sortie de cet étage de compression peut le cas échéant entrer directement dans un échangeur 6, 10 de refroidissement à contre-courant refroidi par un flux plus froid de gaz de cycle.More specifically, at least one compression stage 15 does not include at its outlet a cooling exchanger 7 cooled by a heat transfer fluid separate from the cycle gas (no "aftercooler"). On the other hand, the cycle gas at the outlet of this compression stage can, if necessary, enter directly into a counter-current cooling exchanger 6, 10 cooled by a colder flow of cycle gas.
  • Ceci peut être avantageux pour modifier par exemple un dispositif existant de capacité donnée pour en augmenter la puissance de réfrigération.This can be advantageous for modifying, for example, an existing device of given capacity to increase its refrigeration power.
  • Dans le cas d’un gaz de cycle relativement “lourd” (c’est-à-dire qui chauffe de manière importante par compression centrifuge) tel que celui utilisé classiquement (typiquement un mélange d’hélium et d’azote), l’art antérieur prévoit de rajouter un échangeur de refroidissement (« intercooler ») supplémentaire afin que le gaz de cycle ne rentre trop chaud dans l’étage de compression suivant. Ceci, de manière à ne pas atteindre des températures trop élevées.In the case of a relatively “heavy” cycle gas (i.e. which heats up significantly by centrifugal compression) such as that used conventionally (typically a mixture of helium and nitrogen), the prior art provides for adding an additional cooling exchanger ("intercooler") so that the cycle gas does not enter too hot in the next compression stage. This, so as not to reach too high temperatures.
  • Pour des gaz plus légers comme l’hélium ou l’hydrogène, on utilise classiquement des compresseurs volumétriques où un seul étage de compression est suivi par un échangeur de refroidissement.For lighter gases such as helium or hydrogen, volumetric compressors are conventionally used where a single compression stage is followed by a cooling exchanger.
  • L’invention va à l’encontre des préjugés puisque l'efficacité globale de compression peut baisser par rapport aux systèmes connus (le dernier étage de compression travaillant à plus haute température). Cependant, notamment dans le cas des gaz de cycles très légers (masse molaire inférieure à 30g/mol et notamment inférieure à 20 g/mol ou inférieure à 10 g/mol), la perte de performance de la compression moins isotherme selon l’invention est plus que compensée par la diminution des pertes de charge (du fait du nombre moindre d’échangeur de refroidissement).The invention goes against prejudice since the overall compression efficiency can drop compared to known systems (the last compression stage working at higher temperature). However, in particular in the case of very light cycle gases (molar mass less than 30 g/mol and in particular less than 20 g/mol or less than 10 g/mol), the loss of performance of the less isothermal compression according to the invention is more than compensated by the decrease in pressure drops (due to the lower number of cooling exchangers).
  • De plus, l’économie de matériel est significative (échangeur(s) de refroidissement et circuiterie associée notamment).In addition, material savings are significant (cooling exchanger(s) and associated circuitry in particular).
  • Ceci est particulièrement avantageux en cas d’ajout d’un compresseur en aval sur un dispositif existant (un seul équipement ajouté, module : compresseur + moteur) qui peut être identique au module de compression précédent. Ceci ne demande pas ou peu de modifications du et de conception.This is particularly advantageous when adding a compressor downstream on an existing device (only one piece of equipment added, module: compressor + motor) which may be identical to the previous compressor module. This requires little or no design modifications.
  • Le dernier étage de compression ajouté sans refroidissement en sortie peut être facilement intégré. L’intérêt est une meilleure compétitivité du nouveau système et une certaine versatilité via un ajout sur site d’un étage de compression supplémentaire à moindre coût, notamment si on souhaite augmenter la production d’une installation après plusieurs années de fonctionnement.The last compression stage added without output cooling can be easily integrated. The interest is a better competitiveness of the new system and a certain versatility via the addition on site of an additional compression stage at a lower cost, in particular if one wishes to increase the production of an installation after several years of operation.
  • Dans l’exemple illustré non limitatif, le mécanisme de compression comprend quatre étages (roues) de compression 15 en série et des refroidissements 7 uniquement à la sortie de trois de ces quatre étages de compression, de préférence à la sortie des premier, deuxième et quatrième étages de compression. C’est-à-dire que le gaz de cycle n’est pas refroidi entre les troisième et quatrième étages de compression.In the non-limiting example illustrated, the compression mechanism comprises four compression stages (wheels) 15 in series and cooling 7 only at the outlet of three of these four compression stages, preferably at the outlet of the first, second and fourth stage compression. That is, the cycle gas is not cooled between the third and fourth compression stages.
  • Ainsi, le dispositif garde une augmentation de température due à la compression centrifuge (relativement) faible afin de ne pas avoir besoin d’un intercooler entre chaque étage de compression. Ceci permet de gagner en coût et compacité tout en limitant l’impact sur l’efficacité globale du système de compression. Thus, the device keeps a temperature increase due to centrifugal compression (relatively) low so as not to need an intercooler between each compression stage. This saves cost and compactness while limiting the impact on the overall efficiency of the compression system.
  • Bien entendu toute autre configuration est possible en terme de nombre d’étage de compression et du ou des étages dépourvus de refroidissement en sortie, par exemple il est possible d’envisager une architecture avec un échangeur 7 de chaleur de refroidissement disposé uniquement tous les deux étages de compression 15 en série (ou tous les trois étages de compression en série). Dans d’autres configurations possibles, par exemple un dispositif avec trois étages de compression en série dont les deux premiers étages sont munis à leur sortie d’un échangeur de chaleur de refroidissement, en sortie du troisième étage de compression le gaz de cycle peut entrer ensuite directement dans un échangeur à contre-courant du dispositif de réfrigération puis ensuite entrer dans un étage de détente (par exemple une unique turbine). En sortie de l’étage de détente le gaz de cycle peut ensuite être mis en échange thermique avec le circuit de gaz à refroidir (typiquement dans un échangeur de chaleur). Ensuite, après cet échange avec le fluide à refroidir le gaz de cycle peut passer dans un échangeur à contre-courant dans lequel il se réchauffe en refroidissant le flux sortant de l’étage de compression précité. Ce gaz de cycle réchauffé peut ensuite entrer à nouveau dans le premier étage de compression pour recommencer un cycle.Of course, any other configuration is possible in terms of the number of compression stages and of the stage or stages without cooling at the outlet, for example it is possible to envisage an architecture with a cooling heat exchanger 7 arranged only every two compression stages 15 in series (or all three compression stages in series). In other possible configurations, for example a device with three compression stages in series, the first two stages of which are provided at their outlet with a cooling heat exchanger, at the outlet of the third compression stage the cycle gas can enter then directly into a counter-current exchanger of the refrigeration device and then entering an expansion stage (for example a single turbine). At the output of the expansion stage, the cycle gas can then be heat exchanged with the gas circuit to be cooled (typically in a heat exchanger). Then, after this exchange with the fluid to be cooled, the cycle gas can pass through a counter-current exchanger in which it heats up by cooling the flow leaving the aforementioned compression stage. This warmed cycle gas can then re-enter the first compression stage to start a cycle again.
  • De préférence, l’ensemble des moteur(s) 18 comprend plusieurs moteurs d’entraînement des étages de compression.Preferably, the set of motor(s) 18 comprises several drive motors for the compression stages.
  • Dans l’exemple illustré, un moteur 18 respectif est prévu pour chaque étage de compression. Bien sûr un moteur 18 pourrait entraîner plusieurs étages de compression (montés sur un même arbre de sortie par exemple). De même une ou des turbines 17 pourraient être montée(s) sur l’arbre d’un moteur 18 qui entraîne un ou des étage(s) de compression.In the example shown, a respective motor 18 is provided for each compression stage. Of course, an 18 engine could drive several compression stages (mounted on the same output shaft, for example). Similarly one or more turbines 17 could be mounted on the shaft of a motor 18 which drives one or more compression stages.
  • L’un au moins des moteurs 18 peut être refroidi par un flux de gaz de cycle.At least one of the motors 18 can be cooled by a flow of cycle gas.
  • Comme illustré au moins une conduite 4, 5, 9 de dérivation peut être prévue pour prélever une fraction du flux de gaz cycle alimentant le mécanisme de compression. La conduite de dérivation 4 peut comprendre une extrémité amont raccordée à la sortie de l’un au moins des étages 15 de compression (par exemple en aval du premier étage de compression 15, notamment après refroidissement 7) pour prélever une fraction du flux de gaz de cycle.As illustrated, at least one bypass pipe 4, 5, 9 can be provided to take off a fraction of the flow of cycle gas supplying the compression mechanism. The bypass line 4 may comprise an upstream end connected to the outlet of at least one of the compression stages 15 (for example downstream of the first compression stage 15, in particular after cooling 7) to take off a fraction of the gas flow cycle.
  • L’extrémité aval de la conduite de dérivation peut être raccordée à l’entrée d’un autre étage de compression après son passage et échange de chaleur avec au moins un moteur 18 (par exemple en amont du premier étage de compression 15 dans cet exemple).The downstream end of the bypass pipe can be connected to the inlet of another compression stage after it has passed through and exchanged heat with at least one motor 18 (for example upstream of the first compression stage 15 in this example ).
  • La conduite 4 de dérivation peut comprendre, entre son extrémité amont et son extrémité aval, au moins une subdivision en au moins deux branches distinctes 5, 9 alimentant respectivement des moteurs distincts 18 en vue de leur refroidissement. C’est-à-dire qu’un circuit de refroidissement peut ainsi être prévu pour refroidir tout ou partie des moteurs 18.The bypass pipe 4 may comprise, between its upstream end and its downstream end, at least one subdivision into at least two separate branches 5, 9 respectively supplying separate motors 18 with a view to cooling them. That is to say that a cooling circuit can thus be provided to cool all or part of the motors 18.
  • Ainsi, tout ou partie des moteurs 18 peut être refroidi par le gaz de cycle piqué à différents niveaux de pression du circuit.Thus, all or part of the motors 18 can be cooled by the cycle gas tapped at different circuit pressure levels.
  • Comme illustré, les au moins deux branches distinctes 5, 9 formées par la subdivision d’une conduite 4 de dérivation peuvent comporter une jonction aval au sein d’une même portion de conduite.As illustrated, the at least two distinct branches 5, 9 formed by the subdivision of a bypass pipe 4 may comprise a downstream junction within the same pipe portion.
  • La au moins une conduite de dérivation peut comprendre au moins un organe 8 de refroidissement du gaz de cycle, par exemple au moins un échangeur 8 de chaleur de refroidissement pour refroidir le flux après l’échange thermique avec au moins un moteur 18.The at least one branch pipe may comprise at least one member 8 for cooling the cycle gas, for example at least one cooling heat exchanger 8 to cool the flow after the heat exchange with at least one motor 18.
  • De façon avantageuse, la vitesse de rotation des (deux) derniers étages de compression (roues de compression) peut être diminuée relativement aux autres étages pour limiter leur taux de compression et le réchauffement du fluide de cycle. Ceci permet d’éviter d’atteindre des températures trop importantes susceptibles d’endommager les équipements.Advantageously, the speed of rotation of the last (two) compression stages (compression wheels) can be reduced relative to the other stages to limit their compression ratio and the heating of the cycle fluid. This makes it possible to avoid reaching too high temperatures likely to damage the equipment.
  • Cette invention est particulièrement adaptée aux réfrigérateurs dont le gaz de cycle est un gaz léger c’est-à-dire ayant une masse molaire comprise entre 2 et 30g/mol et de préférence entre 2 et 20g/mol. En effet, dans ce cas, la baisse en performance de compression résultant de l’absence de refroidissement inter-étage de compression est largement compensée par le gain structurel, en coût et par la simplicité d’implémentation.This invention is particularly suitable for refrigerators whose cycle gas is a light gas, that is to say having a molar mass between 2 and 30 g/mol and preferably between 2 and 20 g/mol. Indeed, in this case, the decrease in compression performance resulting from the absence of inter-stage compression cooling is largely compensated by the structural gain, in cost and by the simplicity of implementation.
  • Bien entendu, l’invention peut être utilisée avec un gaz de cycle plus lourd (dans ce cas les taux de compression de chaque étage de compression sont de préférence réduits pour limiter le réchauffement mais tout en restant supérieur à celui qui serait obtenu avec de l'hélium et/ou h2 seul(s)).Of course, the invention can be used with a heavier cycle gas (in this case the compression ratios of each compression stage are preferably reduced to limit heating but while remaining higher than that which would be obtained with helium and/or h2 alone).
  • Comme illustré, le système de refroidissement du gaz de cycle peut comprendre un échangeur de chaleur, disposé à la sortie d’au moins une partie des turbines 17 à l’exclusion de la dernière turbine 17 en série selon le sens de circulation du gaz de cycle.As illustrated, the cycle gas cooling system can comprise a heat exchanger, arranged at the outlet of at least a part of the turbines 17 excluding the last turbine 17 in series according to the direction of circulation of the gas of cycle.
  • Le dispositif 1 peut comporter plus d’étages de compression 15 que de turbines 17.The device 1 can comprise more compression stages 15 than turbines 17.
  • Le dispositif 1 peut avoir un nombre d’étages de compression égal à trois, quatre, cinq ou plus.Device 1 can have a number of compression stages equal to three, four, five or more.

Claims (11)

  1. Dispositif de réfrigération ou de liquéfaction d’un fluide tel que du gaz naturel ou de l’hydrogène, comprenant un circuit (3) de fluide à refroidir ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source (2) de fluide gazeux et une extrémité aval (23) destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi ou liquéfié, le dispositif (1) comprenant un ensemble d’échangeur(s) (6, 10) de chaleur en échange thermique avec le circuit (3) de fluide à refroidir, le dispositif (1) comprenant un réfrigérateur (20) en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) (6, 10) de chaleur, le réfrigérateur (20) étant du type à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle comprenant l’un au moins parmi : l’hélium, de l’hydrogène, de l’azote ou du néon, ledit réfrigérateur (20) comprenant, disposés en série dans un circuit (14) de cycle : un mécanisme (15) de compression du gaz de cycle, au moins un organe (7, 6, 10) de refroidissement du gaz de cycle, un mécanisme (17) de détente du gaz de cycle et au moins un organe (6, 10) de réchauffage du gaz de cycle détendu, dans lequel le mécanisme de compression comprend plusieurs étages de compression (15) en série composés d’un ensemble de compresseur(s) de type centrifuge, les étages de compressions (15) étant montés sur un ensemble d’arbres entraînés en rotation par un ensemble de moteur(s) (18), le au moins un organe (7, 6, 10) de refroidissement du gaz de cycle comprenant au moins un échangeur (7) de chaleur disposé à la sortie d’au moins un étage (15) de compression en échange thermique avec le circuit (14) de cycle, ledit échangeur (7) de chaleur étant refroidi par un fluide caloporteur, caractérisé en ce que le mécanisme de compression comprend au moins deux étages de compression (15) disposés successivement en série et dépourvus d’un organe de refroidissement du gaz de cycle tel qu’un échangeur (7) de chaleur entre eux et en ce que l’ensemble des moteur(s) (18) comprend plusieurs moteurs d’entraînement des étages de compression, et en ce que l’un au moins des moteurs (18) est refroidi par un flux de gaz de cycle via au moins une conduite (4, 5, 9) de dérivation d’une fraction du flux de gaz cycle alimentant le mécanisme de compression, la conduite de dérivation (4, 5, 9) comprenant une extrémité amont raccordée à la sortie de l’un au moins des étages (15) de compression pour prélever une fraction du flux de gaz de cycle.Device for refrigerating or liquefying a fluid such as natural gas or hydrogen, comprising a circuit (3) of fluid to be cooled having an upstream end intended to be connected to a source (2) of gaseous fluid and a downstream end (23) intended to be connected to a cooled or liquefied fluid collection member, the device (1) comprising a set of heat exchanger(s) (6, 10) in heat exchange with the circuit (3) of fluid to be cooled, the device (1) comprising a refrigerator (20) in heat exchange with at least a part of the set of heat exchanger(s) (6, 10), the refrigerator (20) being of the type refrigeration cycle of a cycle gas comprising at least one of: helium, hydrogen, nitrogen or neon, said refrigerator (20) comprising, arranged in series in a circuit (14 ) cycle: a mechanism (15) for compressing the cycle gas, at least one member (7, 6, 10) for cooling the cycle gas, a mechanism me (17) for expanding the cycle gas and at least one member (6, 10) for heating the expanded cycle gas, in which the compression mechanism comprises several compression stages (15) in series composed of a set of compressor(s) of the centrifugal type, the compression stages (15) being mounted on a set of shafts driven in rotation by a set of motor(s) (18), the at least one member (7, 6, 10) for cooling the cycle gas comprising at least one heat exchanger (7) arranged at the outlet of at least one compression stage (15) in heat exchange with the cycle circuit (14), said heat exchanger (7) being cooled by a heat transfer fluid, characterized in that the compression mechanism comprises at least two compression stages (15) arranged successively in series and devoid of a member for cooling the cycle gas such as a heat exchanger (7) heat between them and in that the set of motor(s) (18) comprises several motors of driving the compression stages, and in that at least one of the motors (18) is cooled by a flow of cycle gas via at least one line (4, 5, 9) for bypassing a fraction of the flow of cycle gas supplying the compression mechanism, the bypass pipe (4, 5, 9) comprising an upstream end connected to the outlet of at least one of the compression stages (15) to take off a fraction of the flow of gas from cycle.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme de compression comprend quatre étages de compression (15) en série, l’organe de refroidissement du gaz de cycle comprenant trois échangeurs (7) de chaleur de refroidissement disposés respectivement à la sortie de trois de ces quatre étages de compression (15), par exemple entre le premier et le second étage de compression (15), entre le second et le troisième étage de compression (15) et à la sortie du quatrième étage de compression (15).Device according to Claim 1, characterized in that the compression mechanism comprises four compression stages (15) in series, the cycle gas cooling unit comprising three cooling heat exchangers (7) arranged respectively at the outlet of three of these four compression stages (15), for example between the first and the second compression stage (15), between the second and the third compression stage (15) and at the outlet of the fourth compression stage (15) .
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend des échangeurs (7) de chaleur de refroidissement disposés uniquement tous les deux étages de compression (15) en série.Device according to Claim 1, characterized in that it comprises cooling heat exchangers (7) arranged only every two compression stages (15) in series.
  4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’ensemble de moteur(s) (18) comprend un moteur (18) respectif distinct pour chaque étage de compression (15).Device according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that the set of motor(s) (18) comprises a separate respective motor (18) for each compression stage (15).
  5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’une extrémité aval d’au moins une conduite (4, 5, 9) de dérivation est raccordée à l’entrée d’un étage de compression après son passage et échange de chaleur avec au moins un moteur (18).Device according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that a downstream end of at least one bypass line (4, 5, 9) is connected to the inlet of a compression stage after it has passed and exchanging heat with at least one motor (18).
  6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la au moins une conduite (4, 5) de dérivation comprend, entre son extrémité amont et son extrémité aval, une subdivision en au moins deux branches distinctes (5, 9) alimentant respectivement des moteurs distincts (18) en vue de leur refroidissement. Device according to Claim 5, characterized in that the at least one bypass line (4, 5) comprises, between its upstream end and its downstream end, a subdivision into at least two separate branches (5, 9) respectively supplying motors separate (18) for cooling.
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les au moins deux branches distinctes (5, 9) formées par la subdivision d’une conduite (4) de dérivation comportent une jonction aval au sein d’une même portion de conduite.Device according to Claim 6, characterized in that the at least two separate branches (5, 9) formed by the subdivision of a bypass pipe (4) comprise a downstream junction within the same pipe portion.
  8. Dispositif selon l’une quelconque des revendication 1 à 7, caractérisé en ce que la au moins une conduite (4, 5, 9) de dérivation comprend au moins un organe (8) de refroidissement du gaz de cycle.Device according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that the at least one branch line (4, 5, 9) comprises at least one element (8) for cooling the cycle gas.
  9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le au moins un organe (8) de refroidissement du gaz de cycle de la au moins une conduite (4, 5, 9) de dérivation comprend un échangeur (8) de chaleur de refroidissement.Device according to Claim 8, characterized in that the at least one member (8) for cooling the cycle gas of the at least one branch pipe (4, 5, 9) comprises a cooling heat exchanger (8).
  10. Procédé de réfrigération ou de liquéfaction d’un fluide utilisant un dispositif de réfrigération selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu’il comporte une étape de mise en circulation d’un fluide dans le circuit (3) de fluide à refroidir et une étape de refroidissement dudit fluide via le froid produit par le réfrigérateur (20).Process for refrigeration or liquefaction of a fluid using a refrigeration device according to any one of Claims 1 to 9, characterized in that it comprises a step of circulating a fluid in the fluid circuit (3) to be cooled and a step of cooling said fluid via the cold produced by the refrigerator (20).
  11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de pilotage de la vitesse de rotation des étages de compression selon des vitesses indépendantes dans lequel, pendant au moins une phase de fonctionnement déterminée, la vitesse de rotation des étages de compression (15) en série dépourvus d’un organe de refroidissement du gaz de cycle tel qu’un échangeur (7) de chaleur entre eux est maintenue à une vitesse inférieure à la vitesse de rotation des étages de compressions (15) munis à leur sortie d’un organe de refroidissement du gaz de cycle.Method according to Claim 10, characterized in that it comprises a step of controlling the speed of rotation of the compression stages according to independent speeds in which, during at least one determined operating phase, the speed of rotation of the compression stages (15) in series without a member for cooling the cycle gas such as a heat exchanger (7) between them is maintained at a speed lower than the speed of rotation of the compression stages (15) provided at their outlet a member for cooling the cycle gas.
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