FR2717253A1 - Dissipateur d'énergie sans contamination et procédé d'optimisation du fonctionnement de turbodétendeurs. - Google Patents

Abstract

Système en circuit fermé qui dissipe l'énergie d'un détendeur sans le contaminer. Le dissipateur comprend un circuit fermé raccordant un compresseur (12), un détendeur (13) et un échangeur de chaleur (14). Un gaz de freinage circule dans le circuit fermé du compresseur vers le détendeur, puis vers l'échangeur de chaleur et retourne au compresseur et le processus se répète. L'utilisation d'un gaz inerte de freinage empêche les réactions avec un fluide dangereux subissant un traitement en évitant la formation d'un mélange explosif. Application à la dissipation d'énergie de turbodétendeurs tels qu'utilisés pour la séparation de l'air, la liquéfaction de gaz naturels, la purification de l'hydrogène, la liquéfaction de l'hélium ou la récupération d'énergie géothermique.

Description

La présente invention se rapporte à des systèmes de dissipation d'énergie

d'installations rotatives.

Les turbines à admission radiale utilisées pour récupérer l'énergie de gaz comprimés lorsqu'ils subissent une détente sont dénommées couramment des turbodétendeurs. Ces dispositifs sont largement utilisés dans la séparation de

l'air, la liquéfaction de gaz naturels, dans les instal-

lations fonctionnant à l'éthylène, la purification de l'hydrogène, les processus méthyl-tertiaire-butyle-éther, la liquéfaction de l'hélium et la récupération d'énergie

géothermique par le cycle de Rankin, parmi d'autres appli-

cations. Trois brevets récents se rapportant à des particularités de ces turbodétendeurs sont les brevets U.S.

nO 4 287 758, 4 300 869 et 4 789 300.

Un fluide ou un gaz subissant un traitement arrive sous pression dans le turbodétendeur dans lequel il subit une dilatation ayant pour conséquence un abaissement de sa pression. La dilatation du gaz produit l'énergie faisant tourner le turbodétendeur. Cette énergie de détente peut être réintroduite dans le système pour faire fonctionner des générateurs, des soufflantes, des compresseurs, des pompes et

analogues ou elle peut être utilisée dans d'autres buts.

Lorsque ces dispositifs sont utilisés pour récupérer opportunément de l'énergie, l'alimentation en gaz subissant un traitement peut ne pas créer nécessairement une énergie continue et suffisante à faire tourner le turbodétendeur. On peut ne pas désirer récupérer l'énergie du détendeur lorsqu'elle est insuffisante à garantir sa récupération, lorsque l'énergie du détendeur est disponible par intermittences ou lorsque cette récupération n'est pas exigée par l'utilisateur pour une autre raison quelconque. Si l'énergie de détente n'est pas récupérée, elle doit néanmoins être consumée, consommée ou dissipée d'une autre manière pour éviter des dégâts au turbodétendeur. Donc, le turbodétendeur

exige toujours qu'une charge s'exerce sur le dispositif.

Plusieurs procédés de dissipation d'une énergie de détente ont été mis au point. Les soufflantes et les freins à huile sont les deux mécanismes les plus fréquemment utilisés pour dissiper de l'énergie. Les soufflantes servent de charge pour dissiper une énergie de détente non désirée par l'utilisation de celle-ci pour faire marcher un ventilateur. De même, les freins à huile dépensent l'énergie de détente en fonctionnement en pompes à huile ayant un

rendement nul.

Lorsque des turbodétendeurs sont utilisés dans des processus cryogéniques (c'est à dire des processus qui ont lieu à des températures très basses), tout brouillard ou toutes gouttelettes d'huile qui migrent dans le détendeur risquent de gêner considérablement le processus, car les gouttelettes d'huile gèlent dans les échangeurs de chaleur et colmatent les passages de circulation de gaz. Ce problème

soulève un risque majeur dans les processus cryogéniques.

La migration de gouttelettes d'huile ou d'autres lubrifiants peut provenir de sources différentes telles que des coussinets huilés ou lubrifiés. Bien que des joints tels que des joints d'arbre empêchent la majeure partie de l'huile se trouvant dans les coussinets de migrer dans le détendeur, une certaine fuite d'huile est inévitable. En conséquence, les installations de traitement comprennent avantageusement des coussinets magnétiques dans lesquels il n'y a aucune huile. Toutefois, ni les soufflantes ni les freins à huile ne sont des charges avantageuses lorsque le détendeur comportant des coussinets magnétiques est utilisé pour dilater un fluide dangereux tel que du gaz naturel ou de l'hydrogène à l'état de gaz. Une soufflante risque de faire fuir dans le turbodétendeur de l'air qui peut réagir avec le fluide dangereux en cours de traitement pour former un mélange explosif ou extrêmement combustible. L'utilisation d'un frein à huile contrecarre de son côté la raison du remplacement de coussinets huilés par des coussinets magnétiques sans huile, car ce frein à huile expose le processus au risque de contamination par de l'huile. De plus, les gouttelettes d'huile provenant du frein sont incompatibles avec les coussinets magnétiques. La présente invention se rapporte à un dissipateur d'énergie en circuit fermé. Selon une particularité de l'invention, le dissipateur comprend un conduit en circuit fermé dans lequel un gaz circule. En fonctionnement, le dissipateur d'énergie ne contamine pas le turbodétendeur par des gouttelettes

d'huile ou d'autres lubrifiants néfastes.

Selon une autre particularité de la présente invention, un gaz inerte de freinage circule dans le dissipateur d'énergie en circuit fermé. L'utilisation d'un gaz inerte abaisse le risque d'interactions dangereuses entre

le gaz de freinage et le fluide en cours de traitement.

Selon une autre particularité encore de la présente invention, le dissipateur d'énergie en circuit fermé permet au gaz de freinage d'être utilisé dans des buts

différents de ceux de la circulation dans le circuit fermé.

Un conduit de réapprovisionnement et une soupape de commande permettent de remplacer le gaz de freinage qui a fui par des

joints ou d'autres parties du système.

Suivant une autre particularité encore de l'invention, il est possible de régler la vitesse du turbodétendeur par commande des pressions régnant dans le dissipateur d'énergie en circuit fermé de façon à optimiser

le rendement thermique du turbodétendeur.

Suivant une autre particularité encore de l'invention, il est possible de régler l'effort axial équilibrant le turbodétendeur par commande des pressions

régnant dans le dissipateur d'énergie en circuit fermé.

L'invention concerne donc un système perfectionné

de dissipation d'énergie.

L'invention va être décrite plus en détail à titre d'exemple nullement limitatif en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un graphique d'un dissipateur d'énergie sans contamination; et la figure 2 est un graphique d'un système qui comprend un turbodétendeur, un dissipateur d'énergie sans contamination et des coussinets. La figure 1 représente un dissipateur d'énergie sans contamination portant la référence 10. Le dissipateur comprend un conduit 11 formant une boucle fermée et qui raccorde un compresseur 12, une soupape de détente 13 et un échangeur de chaleur 14. Le conduit 11 contient un gaz de

freinage qui circule en circuit fermé.

Dans ce mode de réalisation, le compresseur 12 est du type centrifuge qui est commandé par une énergie de détente. Le gaz de freinage qui entre dans le compresseur 12 en sort sous pression et à température accrues. Le gaz de freinage comprimé et chauffé est déchargé dans le conduit 11 et se dirige sur une soupape de détente 13. Le détendeur 13, qui peut être tout type de soupape de commande, dilate le gaz comprimé dont la pression redevient celle du gaz préalablement comprimé ou revient à une pression proche de celle de celui-ci. Le gaz décompressé, qui est encore chaud,

parvient par le conduit 11 dans un échangeur de chaleur 14.

Celui-ci évacue la chaleur du gaz. Aucun échangeur de chaleur particulier n'est nécessaire et de nombreux types conviennent au système. L'échangeur de chaleur 14 est de préférence placé en aval du détendeur 13 le long du circuit fermé que forme le conduit 11, car les échangeurs de chaleur qui refroidissent des fluides à basses pressions sont meilleur marché que ceux qui évacuent la chaleur de fluides qui sont sous des pressions élevées. A la sortie de l'échangeur de chaleur 14, le gaz refroidi et décomprimé poursuit sa course dans le conduit 11 et retourne dans le compresseur 12, puis le cycle se répète. Le système de la figure 1 dissipe une énergie non désirée de détente par ce processus répété de compression et

de décompression du gaz de freinage.

En fonctionnement et à la fin de la répétition de plusieurs cycles, un peu de gaz de freinage peut avoir fui ou s'être perdu d'une autre manière en passant par des joints d'arbre ou d'autres parties du système. Le conduit 11 en 5 circuit fermé comporte des raccords 14 et 15 permettant de contrôler les états du gaz. Ces états comprennent la pression, la température et le débit du gaz. Afin de maintenir une quantité appropriée de gaz de freinage, le système comprend une vanne de commande 17 qui est raccordée à un conduit 18 de réapprovisionnement. Un complément de gaz de freinage peut être injecté dans le conduit 18 de réapprovisionnement par la vanne de commande 17, de façon qu'il entre dans le conduit 11 en circuit fermé. Comme le montre la figure 1, la vanne de commande 17 et le conduit de réapprovisionnement 18 sont disposés entre l'échangeur de chaleur 14 et le compresseur 12. La vanne de commande 17 et le conduit de réapprovisionnement 18 sont de préférence situés en aval du détendeur 13 sur le circuit fermé, car il est plus facile d'ajouter du gaz dans un gaz décomprimé que dans un gaz comprimé. Le conduit de réapprovisionnement 18 peut faire partie du conduit 11 en circuit fermé ou il peut consister en un prolongement du conduit 11 et ne pas faire

partie du trajet en circuit fermé.

Le conduit 11 comporte une sortie 19 qui permet au gaz comprimé de freinage d'être utilisé dans des buts autres que celui de la circulation en circuit fermé, par exemple pour rendre hermétiques différentes cavités du système. Un distributeur ou vanne de commande (non représenté) régule le système si du gaz de freinage doit sortir du circuit fermé. Dans ce cas également, tout gaz de freinage qui est perdu est remplacé par la vanne de commande

17 et le conduit de réapprovisionnement 18.

La figure 2 représente un système qui comprend un turbodétendeur 21 et le dissipateur d'énergie sans contamination 10 du premier mode de réalisation, ainsi que

des coussinets magnétiques 23.

Le fluide comprimé devant subir un traitement et introduit à l'admission 24 du turbodétendeur 21 subit donc une détente permettant à la pression du fluide traité d'être abaissée à celle qui est souhaitée. Ce fluide traité est ensuite évacué par une sortie 25. La détende du fluide traité fait tourner un arbre 26 du turbodétendeur 21 et crée ainsi l'énergie de détente qui commande le compresseur 12. Les coussinets magnétiques 23 sont placés entre le turbodétendeur 21 et le dissipateur d'énergie sans contamination 10. La mise en oeuvre de ce dissipateur 10 sans contamination consomme

l'énergie de détente non désirée, comme mentionné plus haut.

Le dissipateur d'énergie sans contamination peut être utilisé pour consommer l'énergie en excès de détente de façon à optimiser ou à modifier le fonctionnement du turbodétendeur. La charge créée par le dissipateur d'énergie augmente lorsque le différentiel de pression subit une augmentation dans le circuit fermé. En d'autres termes, on augmente la charge en accroissant la différence entre la pression du gaz comprimé de freinage quittant le compresseur 12 et la pression de ce gaz après qu'elle a été abaissée par

le détendeur 13.

Il est possible de régler la vitesse de rotation de l'arbre du turbodétendeur en commandant le différentiel de pression à l'intérieur du dissipateur d'énergie en circuit fermé de manière à optimiser le rendement thermique du turbodétendeur. On détermine tout d'abord si une charge plus ou moins grande est souhaitée et donc si le différentiel de pression du gaz de freinage doit être augmenté ou diminué. Si on désire que le dissipateur dissipe davantage d'énergie de détente, il est possible d'augmenter la pression différentielle du gaz de freinage. Si un niveau plus élevé de pression différentielle est souhaité, l'utilisateur peut utiliser une soupape de commande telle que le détendeur ou soupape de détente 13 de manière à abaisser davantage la pression du gaz de freinage ou l'utilisateur peut régler le compresseur 12 de manière qu'il comprime le gaz de freinage à une pression supérieure. Par ailleurs, si on désire abaisser la quantité d'énergie de détente devant être dissipée, il est possible d'abaisser le différentiel de pression du gaz de freinage. De même, il est possible d'abaisser le différentiel de pression du gaz de freinage par réglage du mode opératoire du détendeur 13 ou du compresseur 12. La commande du différentiel de pression du gaz de freinage s'effectue de préférence par l'utilisation du détendeur 13. En réglant ce différentiel de pression, on commande la charge créée par le dissipateur d'énergie, la vitesse du turbodétendeur et la quantité d'énergie de détente consommée par le dissipateur d'énergie. Il est possible de faire fonctionner celui-ci de manière à obtenir la perte

maximale d'énergie produite dans le turbodétendeur.

Il est aussi possible de commander la charge axiale équilibrant le turbodétendeur par la commande du différentiel de pression du gaz de freinage dans le système en circuit fermé. Il faut déterminer si ce différentiel de pression doit être augmenté ou diminué et régler en conséquence la pression du gaz de freinage. Il est possible

ainsi de régler l'effort de poussée comme on le désire.

Par ailleurs, il est possible de modifier le différentiel de pression souhaité lorsque les conditions changent. Dans ce cas, le contrôle et le réglage de la pression du gaz de freinage peuvent être effectués à la main ou par un ordinateur. Les spécialistes de cette technique peuvent facilement programmer un ordinateur pour contrôler les pressions du gaz de freinage pour ouvrir ou fermer les vannes de commande de la façon nécessaire à obtenir le

différentiel souhaité de pression.

Bien que le dissipateur d'énergie sans contamination 10 fonctionne avec tous types de coussinets, y compris des coussinets magnétiques, huilés ou à gaz, les coussinets magnétiques sont particulièrement avantageux. Les coussinets à gaz soulèvent des difficultés supplémentaires telles que des problèmes de filtration, de capacité de poussée et de fuite. Comme mentionné plus haut, les coussinets huilés sont une source de migration d'huile. Lorsque le dissipateur d'énergie 10 sans contamination est utilisé avec des coussinets magnétiques ou à gaz, aucune contamination par de l'huile n'existe puisqu'il n'y a aucune source d'huile. Par ailleurs, si le gaz de freinage du dissipateur d'énergie 10 est un gaz inerte tel que l'azote, des fluides traités dangereux peuvent être détendus sans risque de formation d'un mélange fortement combustible. Donc, le gaz de freinage peut être tout gaz qui ne réagit pas de manière néfaste avec le fluide traité. Dans le système qui comprend des coussinets huilés, le dissipateur d'énergie 10 ne contribue pas à la contamination du turbodétendeur et la migration d'huile n'est pas un problème lorsque le turbodétendeur est en fonctionnement. Donc, le dissipateur d'énergie ne contamine pas les turbodétendeurs et permet aussi l'utilisation de fluides traités dangereux. Le dissipateur d'énergie en circuit fermé peut aussi être

utilisé pour modifier le fonctionnement de turbodétendeurs.

Il va de soi que diverses modifications peuvent être apportées au système décrit et représenté sans sortir du

cadre ni de l'esprit de l'invention.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Dissipateur d'énergie (10) sans contamination, caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur (12), une soupape (13) de détente, un échangeur de chaleur (14) et un conduit en circuit fermé (11) passant par le compresseur (12), la soupape de détente (13) et l'échangeur de chaleur

(14) montés en série.

2. Dissipateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un conduit de réapprovisionnement (18) équipé d'une vanne de commande (17)

et communiquant avec le circuit fermé (11).

3. Dissipateur d'énergie selon la revendication 2, caractérisé en ce que le conduit de réapprovisionnement (18) communique avec le circuit fermé entre l'échangeur de

chaleur (14) et le compresseur (12).

4. Dissipateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend par ailleurs un turbodétendeur (21) recevant un gaz en cours de traitement et assujetti en rotation avec le compresseur (12), un gaz de dissipation d'énergie qui se trouve dans le conduit en circuit fermé (11) étant inerte vis à vis du gaz subissant un

traitement et passant dans le turbodétendeur (21).

5. Dissipateur d'énergie selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz de dissipation d'énergie est

de l'azote.

6. Procédé de dissipation d'énergie rotationnelle, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de compression d'un gaz de freinage dans un dissipateur d'énergie en circuit fermé (11) pour le porter à une première pression dans un compresseur (12), de détente du gaz comprimé de freinage dans le dissipateur d'énergie en circuit fermé pour le ramener à une seconde pression, d'évacuation de la chaleur du gaz de freinage dans le dissipateur d'énergie en circuit fermé et de retour du gaz de freinage dans le compresseur (12) à la fin des étapes de détente et

d'évacuation de la chaleur.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape d'évacuation de la chaleur du gaz de freinage s'effectue à la suite de l'étape de détente du gaz

de freinage comprimé.

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8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend par ailleurs l'étape de réglage de la différence entre la première pression et la seconde pression

pour la sélection de la dissipation d'énergie.