FR3014546A1 - Lissage de la charge d'un procede de production de froid par l'utilisation de moyens de stockage du fluide frigorigene - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de régulation d'une installation cryogénique (1) comprenant une station de production de froid (2), au moins une station utilisatrice de froid (3, 103), et au moins une ligne d'acheminement (4, 104) qui relie ladite station de production de froid (2) à ladite station utilisatrice de froid (3, 103) afin d'acheminer un fluide frigorigène, refroidi par la station de production de froid, jusqu'à la station utilisatrice, de manière à alimenter ladite station utilisatrice en frigories, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte une étape (a) de lissage d'alimentation au cours de laquelle on impute la différence entre la quantité instantanée de froid produite par la station de production (2) et la quantité instantanée de froid consommée par la station utilisatrice à un organe-tampon de stockage froid (5, 105), placé sur la ligne d'acheminement (4, 104).
Description
La présente invention concerne les procédés de production de froid industriel, tels que les procédés à liquéfaction d'azote, ainsi que les installations cryogéniques permettant d'alimenter en frigories une ou plusieurs stations utilisatrices. Certains procédés industriels requérant l'appoint externe de frigories fonctionnent de façon discontinue. Leur consommation de froid peut donc varier dans le temps, en suivant par exemple une succession de paliers, de rampes, de pics cycliques, etc. En outre leur demande de froid peut le cas échéant couvrir une plage de consommation thermique très large, allant d'une consommation thermique très faible à une consommation thermique nettement plus élevée.
Une station de production de froid idéale devrait par conséquent être capable de fournir instantanément la capacité frigorifique requise, de couvrir la totalité de la plage de consommation thermique prévisible, et de s'adapter instantanément aux fluctuations de la demande de la station utilisatrice. Ceci implique que la station de production de froid soit dimensionnée de manière à pouvoir satisfaire le besoin thermique maximal de la station utilisatrice, qu'elle puisse abaisser son régime de fonctionnement jusqu'au besoin thermique minimal de ladite station utilisatrice, et qu'elle ait une vitesse de changement de régime de fonctionnement au moins égale à celle du processus qui consomme le froid au sein de la station utilisatrice.
En pratique, si le besoin de la station utilisatrice dépasse, même très ponctuellement, la capacité maximale de production de la station de production de froid, cela se traduira par un défaut de fourniture au niveau de la station utilisatrice, avec parfois des conséquences néfastes pour les équipements de ladite station utilisatrice ou la sécurité de ses usagers.
Par ailleurs, s'il s'avère impossible de réduire le régime de la station de production de froid aussi bas que nécessaire, en cas de faible consommation de froid, ou bien encore si la station de production ne parvient pas à atteindre la vitesse de changement de régime de fonctionnement requise en cas de fluctuation rapide de la consommation de froid, cela se traduira par une perte d'efficacité de la station de production, et par une surconsommation d'énergie (typiquement d'énergie électrique) par ladite station de production. En particulier, dans le cas où la production de froid est basée sur l'utilisation de machines tournantes, telles que des compresseurs et des turbines de détente, les exigences susmentionnées peuvent se révéler relativement contraignantes, en ceci qu'elles incitent fréquemment à sur-dimensionner ou à multiplier les équipements de production de froid, alors même que lesdits équipements se retrouvent sous-exploités la majeure partie du temps, en-dehors des pics de consommation.
En outre, le fonctionnement à bas régime des machines tournantes s'accompagne généralement d'une dégradation de l'efficacité énergétique de ces dernières, liée à la chute de leur rendement adiabatique. Bien entendu, tous ces facteurs ont généralement pour conséquence d'augmenter le coût d'investissement et d'entretien de la station de production de froid, et/ou de dégrader l'efficacité énergétique globale de l'installation cryogénique intégrant ladite station de production. Les objets assignés à l'invention visent par conséquent à remédier aux inconvénients susmentionnés et à proposer un nouveau procédé de production de froid, ainsi qu'une nouvelle installation cryogénique, qui présentent une efficacité optimisée et une grande capacité d'adaptation aux fluctuations de la consommation de froid. Les objets assignés à l'invention sont atteints au moyen d'un procédé de régulation d'une installation cryogénique comprenant une station de production de froid, au moins une station utilisatrice de froid, et au moins une ligne d'acheminement qui relie ladite station de production de froid à ladite station utilisatrice de froid afin d'acheminer un fluide frigorigène, refroidi par la station de production de froid, jusqu'à la station utilisatrice, de manière à alimenter ladite station utilisatrice en frigories, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte une étape (a) de lissage d'alimentation au cours de laquelle on impute la différence entre la quantité instantanée de froid produite par la station de production et la quantité instantanée de froid consommée par la station utilisatrice à un organe-tampon de stockage froid, placé sur la ligne d'acheminement. Avantageusement, la mise en oeuvre d'un organe de stockage de type réservoir permet de stocker dans ledit organe de stockage froid l'excédent de fluide frigorigène porté à basse température, c'est-à-dire le surplus de frigories produites, lorsque la consommation de froid par la station utilisatrice est inférieure à la production de froid par la station de production, et inversement, de puiser des frigories dans ledit organe de stockage froid pour compenser un déficit ponctuel de production, lorsque la consommation instantanée de la station utilisatrice dépasse la production instantanée de la station de production. De la sorte, on parvient à lisser efficacement dans le temps la charge de la station de production, c'est-à-dire concrètement le régime de fonctionnement de ladite station de production, et donc la puissance (typiquement la puissance électrique) consommée par ladite station de production, puisque l'amplitude des éventuelles fluctuations de la quantité de froid à produire effectivement, à un instant donnée, est réduite par rapport aux fluctuations instantanées de la consommation de froid, grâce à l'effet tampon de l'organe de stockage froid. En découplant ainsi au moins en partie la consommation instantanée de froid (demande de frigories) de la production instantanée de froid (offre de frigories), grâce à l'effet "amortisseur" de l'organe de stockage froid, l'invention permet avantageusement de faire fonctionner en permanence la station de production à un niveau de charge relativement peu variable, en évitant les surrégimes ou les trop bas régimes. Plus particulièrement, l'invention permet ainsi de faire fonctionner en 20 permanence la station de production de froid au voisinage d'un point de fonctionnement (régime de fonctionnement) qui correspond à son efficacité énergétique optimale. En outre, l'invention permet de concilier un fonctionnement régulier, lissé, de la station de production, avec une consommation fluctuante de la station 25 utilisatrice, sans risque de gaspillage d'énergie (qui serait lié à une surproduction ponctuelle de froid non utilisé), et sans risque d'interruption ou d'insuffisance de l'alimentation en froid de ladite station utilisatrice (en cas de pic de consommation). Ainsi, l'invention permet de mettre en oeuvre une installation cryogénique très polyvalente, dimensionnée de façon optimale, qui présente des coûts 30 d'investissement, d'utilisation, et d'entretien réduits, et dont le fonctionnement est particulièrement fiable et économe en énergie. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus en détail à la lecture de la description qui suit, ainsi qu'à l'aide des dessins annexés, fournis à titre purement illustratif et non limitatif, parmi lesquels : La figure 1 illustre, selon une vue schématique, une installation cryogénique sans organe de stockage, correspondant à l'état de la technique connu. La figure 2 illustre, selon un diagramme temporel, un exemple d'évolution des niveaux de production et de consommation de froid au sein de l'installation cryogénique de la figure 1. La figure 3 illustre, selon une vue schématique, une première variante de réalisation d'installation conforme à l'invention, comprenant une station utilisatrice et un organe de stockage froid. La figure 4 illustre, selon un diagramme temporel, un exemple d'évolution des niveaux de production de froid, de consommation de froid et du stock de froid au sein de l'installation de la figure 1, avec ajustement de la consigne de production dans le temps. La figure 5 illustre, selon un diagramme temporel, un exemple d'évolution des niveaux de consommation de froid et du stock de froid au sein de l'installation de la figure 1, à consigne de production constante dans le temps. La figure 6 illustre, selon une vue schématique, une seconde variante de réalisation d'installation conforme à l'invention, comprenant deux stations utilisatrices et deux organes de stockage froid. La figure 7 illustre, selon un diagramme temporel, un exemple d'évolution 20 des niveaux de production, de consommation et de stocks de froid au sein de l'installation de la figure 6. La figure 8 illustre, selon une vue schématique, une troisième variante de réalisation d'installation conforme à l'invention, comprenant deux stations utilisatrices alimentées respectivement par une ligne d'acheminement tamponnée équipée d'un 25 organe de stockage froid et par une ligne d'acheminement directe dépourvue d'organe de stockage froid. La figure 9 illustre, selon un diagramme temporel, un exemple d'évolution des niveaux de production, de consommation et du stock de froid au sein de l'installation de la figure 8. 30 La figure 10 illustre, selon une vue schématique, une quatrième variante de réalisation d'installation conforme à l'invention, à circuit fermé, comprenant une station utilisatrice, un organe de stockage froid, une ligne de retour, et un organe de stockage chaud. La figure 11 illustre, selon un diagramme temporel, un exemple 35 d'évolution des niveaux de production de froid, de consommation de froid et des stocks respectivement de l'organe de stockage froid et de l'organe de stockage chaud, dans l'installation de la figure 10, avec ajustement de la consigne de production en fonction du temps. La figure 12 illustre selon un diagramme temporel, un exemple d'évolution des niveaux de consommation de froid et des stocks respectivement de l'organe de stockage froid et de l'organe de stockage chaud, dans l'installation de la figure 10, avec une consigne de production constante dans le temps. La figure 13 illustre, selon une vue schématique, une cinquième variante de réalisation d'installation conforme à l'invention, à circuit fermé, comprenant une station utilisatrice à deux sorties, un organe de stockage froid, deux lignes de retour, et deux organe de stockage chaud placés sur lesdites lignes de retour. La figure 14 illustre selon un diagramme temporel, un exemple d'évolution des niveaux de production de froid et de consommation de froid, des niveaux des stocks respectivement de l'organe de stockage froid et des organes de stockage chaud, et des niveaux de froid retournés par les sorties de la station utilisatrice, dans l'installation de la figure 13. La figure 15 illustre, selon une vue schématique, une sixième variante de réalisation d'installation conforme à l'invention, à circuit fermé, comprenant une station utilisatrice à deux sorties, un organe de stockage froid, deux lignes de retour, 20 dont une directe et l'autre tamponnée par un organe de stockage chaud. La figure 16 illustre selon un diagramme temporel, un exemple d'évolution des niveaux de production de froid et de consommation de froid, des niveaux des stocks de froid respectivement de l'organe de stockage froid et de l'organe de stockage chaud, et des niveaux de froid retournés par les sorties de la station 25 utilisatrice, dans l'installation de la figure 15. La présente invention concerne une installation cryogénique 1, ainsi qu'un procédé de régulation d'une telle installation cryogénique 1. L'installation cryogénique 1 comprend une station de production de froid 2, au moins une station utilisatrice de froid 3, 103, et au moins une ligne 30 d'acheminement 4, 104 qui relie ladite station de production de froid 2 à ladite station utilisatrice de froid 3, 103 afin d'acheminer un fluide frigorigène, refroidi par la station de production de froid 2, jusqu'à la station utilisatrice 3, 103, de manière à alimenter ladite station utilisatrice en frigories. De préférence, le procédé et l'installation cryogénique 1 seront conçus 35 pour alimenter la ou les stations utilisatrices 3, 103 en fluide frigorigène à basse, voire très basse température, typiquement inférieure à 150K, à 95K, voire comprise entre 70K et 85 K. Le fluide frigorigène pourra être formé par tout gaz (ou liquide) de travail approprié.
Selon une variante préférentielle, le procédé utilisera de l'azote comme fluide frigorigène. La station de production de froid 2 pourra quant à elle comporter en série au moins un compresseur (non représenté) pour comprimer le fluide frigorigène, et au moins un étage de refroidissement qui comporte au moins une turbine de détente et/ou un ou plusieurs échangeurs thermiques permettant de refroidir ledit fluide frigorigène. Le compresseur pourra avantageusement constituer une machine tournante, de type compresseur centrifuge. Ledit compresseur sera de préférence entraîné par un moteur électrique.
Bien entendu, la station de production de froid 2 pourra comporter plusieurs étages de refroidissement, permettant le cas échéant de produire respectivement différentes qualités de froid, c'est-à-dire de mettre à disposition du fluide frigorigène à différents niveaux d'enthalpie molaire, et plus particulièrement à différents niveaux de température.
Plus particulièrement, les différentes qualités de froid pourront correspondre à de l'azote gazeux, et/ou à de l'azote liquide, refroidi (et mis à disposition des stations utilisatrices 3, 103) à différentes températures, qui diffèrent les unes des autres selon la ligne d'acheminement 4, 104 considérée (mais qui sont de préférence au moins pour l'une, et de préférence pour toutes, inférieure(s) à 200 K, voire à 150 K, et dont au moins une est de préférence comprise entre 70K et 95 K, voire entre 70K et 85K). La ou les lignes d'acheminement 4, 104 seront formées, de manière connue en soi, par des canalisations, de préférence calorifugées, qui relient matériellement une sortie de la station de production 2 à une entrée correspondante de la station utilisatrice 3, 103. Lesdites lignes d'acheminement 4, 104 seront de préférence pourvues de vannes d'isolement permettant de régler sélectivement le passage et/ou le débit de fluide frigorigène, et/ou de vannes de purge permettant de remplir ou vidanger le circuit.
Dans l'absolu, il n'est pas exclu d'alimenter deux stations utilisatrices 3, 103, utilisant une même qualité de froid, c'est-à-dire un fluide frigorigène présentant une même enthalpie molaire, et plus particulièrement une même température, au moyen d'une même ligne d'acheminement ramifiée, ou bien encore d'alimenter une même station utilisatrice au moyen de deux lignes d'acheminement distinctes, provenant le cas échéant de deux stations de production, ou de deux étages d'une même station de production. Toutefois, par commodité de description, on considérera que, de préférence, chaque station utilisatrice 3, 103 bénéficiera de sa propre ligne d'acheminement 4, 104, exclusive. Selon l'invention, le procédé comporte une étape (a) de lissage d'alimentation au cours de laquelle on impute la différence entre la quantité instantanée de froid qui est produite par la station de production 2, (quantité notée « prod » sur les figures correspondant aux diagrammes temporels) et la quantité instantanée de froid qui est consommée par la station utilisatrice 3,103 (quantité notée « conso » sur lesdits diagrammes) à un organe-tampon de stockage froid 5, 105, placé sur la ligne d'acheminement 4, 104. L'organe-tampon de stockage froid 5, 105 est de préférence formé par un réservoir calorifugé, de contenance prédéterminée, connecté à la ligne d'acheminement 4, 104 et agencé pour accueillir un stock tampon de fluide frigorigène refroidi. Ledit organe de stockage froid 5, 105 pourra notamment être formé, selon l'état du fluide frigorigène à stocker, par une capacité liquide ou une capacité gazeuse.
Bien entendu, l'organe de stockage froid 5, 105 sera branché sur la ligne d'acheminement 4, 104 de manière à ce que le fluide frigorigène puisse entrer et sortir dudit organe de stockage en fonction des besoins, et, plus préférentiellement, de manière à ce que la totalité du fluide frigorigène (refroidi) issu de la station de production 2 transite par ledit organe de stockage 5, 105 avant de gagner la station utilisatrice 3, 103. Avantageusement, en stockant temporairement dans l'organe de stockage froid 5, 105 la quantité de fluide refroidie en excédent, lorsque la production instantanée de frigories est supérieure à la consommation instantanée de frigories, ou au contraire en puisant dans ledit organe de stockage froid 5, 105 pour compenser un déficit de frigories lorsque la consommation excède la production, le procédé permet de lisser le régime de fonctionnement de la station de production de froid 2. En effet, et tel que cela apparaît clairement par une comparaison entre les courbes des figures 4 et 5 d'une part, et de la figure 2 d'autre part, les fluctuations, le cas échéant imprévisibles et/ou de forte amplitude (pics), de la consommation instantanée (« conso ») sont en partie prises en charge (et donc amorties) par stockage/déstockage du fluide frigorigène contenu dans l'organe de stockage froid 5 (« stock froid 5 »), de telle sorte que l'on peut assurer la continuité du service d'alimentation en froid de la station utilisatrice 3 soit avec une production (« prod ») qui varie peu, c'est-à-dire dont l'amplitude (maximale) des variations est strictement, voire très nettement, inférieure à celle des fluctuations de consommation (figure 4), soit, dans certains cas, avec une production constante, invariante au cours du temps (figure 5), les fluctuations de consommation étant alors entièrement absorbées (amorties) par l'organe de stockage froid 5.
Ainsi, il est avantageusement possible de faire fonctionner la station de production de froid 2 en permanence au voisinage de son point de fonctionnement d'efficacité optimale, voire à son point de fonctionnement d'efficacité optimale, dans une plage de régimes de fonctionnement éloignée des saturations (dépassement de capacité), et en évitant les changements brusques de régime de fonctionnement.
On notera à ce titre que, grâce à un temps de réponse faible, inférieur à celui de la station de production de froid 2, l'organe de stockage froid 5, 105 peut compenser immédiatement une élévation ou un abaissement de la consommation instantanée, si bien que la variation éventuelle de production, destinée à suivre cette variation de la consommation, pourra être progressif, et plus particulièrement être décalé dans le temps (déphasé) par rapport à ladite variation de consommation (et par rapport à la réaction quasi-instantanée de l'organe de stockage), et/ou suivre une pente croissante ou décroissante plus douce (moins raide) que celle de ladite variation de consommation, tel que cela est notamment bien visible sur la figure 4. En pratique, grâce à l'invention, la puissance frigorifique de l'installation 1, c'est-à-dire la puissance consommée par la station de production de froid 2 pour produire du froid, typiquement la puissance électrique absorbée par les machines tournantes (compresseur), peut ainsi être relativement constante dans le temps. A titre indicatif, la température du fluide frigorigène dans l'organe de stockage froid 5, 105 pourra être inférieure à 200K, à 150K, voire à 100K, et par 35 exemple comprise entre 80K et 150K.
On notera que la « quantité de froid » au sens de l'invention est liée à l'enthalpie molaire du fluide frigorigène. En faisant, par commodité de description, l'hypothèse que les conditions (pression, température, état physique) du fluide frigorigène aux différents points de consommation et de production considérés soient constantes dans le temps, c'est-à- dire que chaque point du circuit, considéré individuellement, est soumis à des conditions sensiblement invariantes dans le temps, ce qui est en général le cas, on pourra considérer que l'enthalpie molaire est constante (au point considéré), et donc que la quantité de froid (produite ou, respectivement consommée) est proportionnelle au débit molaire (ou au débit massique) au point considéré. La production instantanée de froid, et la consommation instantanée de froid pourront donc en pratique être assimilées au débit massique du fluide frigorigène sortant de la station de production de froid 2, respectivement entrant dans la station utilisatrice 3, 103 ; la quantité de froid mise en stock ou au contraire puisée à l'instant considéré dans l'organe de stockage froid 5, 105 correspondra ainsi à la résultante (algébrique) de la différence entre ces deux débits massiques. Par commodité de description, on désignera de préférence par « froid » l'état du fluide frigorigène refroidi, issu de la station de production 2 et descendant vers la station utilisatrice 3, 103, et par « chaud » le fluide frigorigène usagé, après qu'il a cédé des frigories à la station utilisatrice 3, 103, et qui remonte de préférence vers la station de production de froid 2pour un nouveau cycle. Selon une première variante de réalisation de l'invention, on pourra prévoir une seule station utilisatrice 3, alimentée par une unique ligne d'acheminement 4, tel que cela est illustré sur la figure 3.
Cependant, selon une autre possibilité de mise en oeuvre, correspondant par exemple à une seconde variante de réalisation (figure 6) ou à une troisième variante de réalisation (figure 8), l'installation 1 pourra comporter une pluralité de stations utilisatrices 3, 103 (ou, de manière équivalente, une station utilisatrice à plusieurs entrées 3, 103), alimentées par des lignes d'acheminement 4, 104 distinctes. Le cas échéant, les différentes lignes d'acheminement 4, 104, et par conséquent les différentes stations utilisatrices 3, 103 qu'elles alimentent, pourront correspondre à des qualités de froid différentes, c'est-à-dire à différents niveaux d'enthalpie molaire, et plus particulièrement de température, du fluide frigorigène.
Selon la seconde variante de réalisation illustrée à la figure 6, on pourra prévoir un organe de stockage froid 5, 105 par ligne d'acheminement 4, 104. Le cas échéant, on pourra ainsi réguler (lisser) la consommation branche par branche, l'organe de stockage froid 5 de la première ligne d'acheminement 4 agissant comme une capacité tampon (« stock froid 5 », sur la figure 7) vis-à-vis de la consommation instantanée (« conso 3 ») de la première station utilisatrice 3, et l'organe de stockage froid 105 de la seconde ligne d'acheminement 104 agissant comme tampon (« stock froid 105 », sur la figure 7) vis-à-vis de la consommation instantanée (« conso 103 ») de la seconde station utilisatrice 103.
Toutefois, de préférence, et tel que cela est le cas pour la troisième variante de réalisation illustrée sur la figure 8, l'installation cryogénique 1 pourra comporter une pluralité de stations utilisatrices 3, 103, parmi lesquelles au moins une partie 3 est desservie par une ou des lignes d'acheminement 4 dites « tamponnées », équipées d'un organe-tampon de stockage froid 5 interposé entre la station de production 2 et la station utilisatrice 3 concernée, tandis que l'autre partie des stations utilisatrices 103 est desservie par une ou des lignes d'acheminement 104 dites « directes », dépourvues d'organe-tampon de stockage froid. En d'autres termes, seule une partie desdites lignes d'acheminement 4, 104 sont, selon cette troisième variante, et selon une caractéristique qui peut constituer une invention à part entière, équipées d'un organe-tampon de stockage froid 5, interposé entre la station de production 2 et la station utilisatrice concernée 3, c'est-à-dire qu'il y a moins d'organes de stockage froid 5 que de lignes d'acheminement 4, 104. De préférence, lors de l'étape (a) de lissage d'alimentation, on impute alors la différence entre d'une part la quantité instantanée totale de froid (« prod ») produite par la station de production, et d'autre part la quantité instantanée totale de froid (« conso 3 » + « conso 103 ») consommée par l'ensemble des stations utilisatrices 3, 103 connectées à ladite station de production 2, à l'un ou plusieurs des organes-tampon de stockage froid 5 de la ou des lignes d'acheminement tamponnées 4. En d'autres termes, l'invention permet avantageusement, par une gestion mutualisée du ou des organes de stockage froid 5 disponible(s), d'utiliser moins d'organes de stockage froid 5, 105 qu'il n'y a de lignes d'acheminement 4, 104, ce qui permet de réduire le coût et l'encombrement de l'installation 1, tout en assurant, malgré la présence de lignes d'acheminement directes 104, un lissage efficace de la charge de production de froid. Ledit lissage intervient ici avantageusement de manière globale (au regard de l'ensemble des lignes d'acheminement 4, 104 considérées), en imputant aux réservoir(s) de stockage froid 5 disponible(s) sur la ou les lignes d'acheminement tamponnées 4 l'équivalent de la résultante algébrique (L = P totale Ctotale) entre d'une part la quantité de froid totale délivrée (P totale = prod, sur la figure 9), à l'instant considéré, par la station de production de froid, et d'autre part la consommation instantanée totale correspondant à la consommation instantanée cumulée des différentes stations utilisatrices (Ctotale = conso3 + conso103 sur la figure 9). Plus particulièrement, les stations utilisatrices 103 non tamponnés pourront absorber directement la quantité de froid qui leur est juste nécessaire et suffisante à l'instant considéré, tandis que l'écart instantané global (A \-froid = Ptotale - Ctotale) entre la production et la consommation totale de froid sera affecté au réservoir de stockage froid 5 (« stock froid 5 ») de la station utilisatrice 3 tamponnée, c'est-à- dire ajouté, dans le cas d'un excédent, ou respectivement prélevé, dans le cas d'un déficit, dans ledit réservoir de stockage 5 froid. En d'autres termes, on utilise la capacité de stockage de l'une des branches (ligne d'acheminement 4 et station utilisatrice 3), tamponnée, pour absorber la résultante (positive ou négative) globale des fluctuations instantanées de la demande (consommation) par rapport à l'offre (production) qui sont induites par les autres branches (ligne d'acheminement 104 et station utilisatrice 103) non tamponnées. En moyenne, on peut donc compenser les écarts entre production et 25 consommation de froid sur un jeu de lignes d'acheminement comprenant au moins une ligne directe et au moins une ligne tamponnée, par répartition desdits écarts sur le ou les organes de stockage froid 5 (sous-numéraires) partagés. Selon une caractéristique préférentielle du procédé, particulièrement adaptée à la troisième variante de réalisation décrite ci-dessus avec organes de 30 stockage froid 5 en sous-nombre par rapport aux lignes d'acheminement 4, 104 (et par rapport aux stations utilisatrices 3, 103), on alimente les différentes stations utilisatrices 3, 103 avec respectivement différentes qualités de froid, c'est-à-dire avec un fluide frigorigène refroidi dont l'enthalpie molaire, et de préférence la température, diffère selon la station utilisatrice 3, 103 considérée, et en ce que l'on prévoit un 35 organe-tampon de stockage froid 5 au moins sur la ligne d'acheminement 4 correspondant à la moindre qualité de froid, c'est-à-dire sur la ligne d'acheminement du fluide frigorigène qui présente l'enthalpie molaire la plus élevée. De préférence la ligne d'acheminement du fluide frigorigène qui présente l'enthalpie molaire la plus élevée correspond en pratique à la ligne d'acheminement 4 du fluide frigorigène ayant la température la plus élevée. Avantageusement, un tel choix revient à privilégier une utilisation immédiate, dans les stations utilisatrices 3, 103, du froid de meilleure qualité, c'est-à-dire du fluide frigorigène le plus froid, qui présente donc le plus de valeur ajoutée, et à stocker prioritairement le fluide frigorigène le plus chaud (ou, en l'espèce, le moins refroidi), qui contient moins de frigories, et qui est donc moins coûteux à produire et moins sensible aux entrées de chaleur dans l'installation. Ici encore, l'invention permet de réduire le coût d'investissement de l'installation, l'organe de stockage 5 nécessitant par exemple une isolation thermique relativement modeste, ainsi que le coût de fonctionnement, puisque le fluide frigorigène le plus froid, et donc le plus difficile et le plus coûteux à obtenir, est utilisé sans risque de voir sa qualité dégradée (c'est-à-dire sans risque de voir sa température augmenter) lors d'une mise en attente dans un réservoir de stockage. On évite ainsi un gaspillage d'énergie de production de froid. De préférence, la consigne de production de froid qui est appliquée à la station de production de froid 2 est déterminée en fonction de, et est de préférence égale à, la moyenne glissante de la consommation de froid de la ou des stations utilisatrices 3, 103 mesurée ou estimée sur une durée d'échantillonnage prédéterminée. En pratique, la « consigne de production de froid » correspondra à un couple comprenant d'une part une consigne de température de production de fluide frigorigène, fixant la température à laquelle on souhaite que le fluide frigorigène sorte de la station de production dans la ligne d'acheminement 4, 104 considérée, et d'autre part une consigne de débit dudit fluide frigorigène, fixant le débit (massique ou molaire) de fluide frigorigène refroidi à la température de consigne que l'on souhaite voire circuler en sortie de station de production 2, dans la ou les lignes d'acheminement 4, 104 concernées. Pour atteindre cette consigne de production et s'y maintenir, on pourra notamment ajuster la puissance frigorifique (puissance électrique) fournie à la station de production de froid 2.
La moyenne de la consommation de froid d'une station utilisatrice 3, 103 pourra quant à elle être calculée en intégrant, sur la durée d'échantillonnage, le débit massique de fluide frigorigène (refroidi à sa température d'utilisation) pénétrant dans la station utilisatrice considérée.
Dans le cas d'une pluralité de station utilisatrices 3, 103, et plus particulièrement d'une pluralité de stations utilisatrices 3, 103 fonctionnant à des températures (qualités de froid) différentes, on pourra calculer la consommation moyenne glissante individuelle de chaque station utilisatrice 3, 103 (en répétant l'intégration susmentionnée pour chaque station, respectivement chaque qualité de froid), et sommer toutes les consommations individuelles (le cas échéant pondérées par leurs niveaux respectifs d'enthalpie molaire, et plus particulièrement par leurs niveaux respectifs de température) pour obtenir la moyenne glissante de la consommation totale de froid. Lorsque la consommation de froid présente un comportement cyclique ou pseudo-cyclique de période de référence prévisible, la moyenne glissante de la consommation de froid peut avantageusement, le cas échéant, être calculée sur une durée d'échantillonnage supérieure à ladite période de référence caractéristique du cycle des variations de consommation. La prise en compte de la moyenne glissante de la consommation de froid comme paramètre de détermination de la production de froid permet avantageusement de conserver une capacité d'adaptation de la production de froid, qui peut augmenter pour compenser un accroissement durable de la demande de frigorie, ou au contraire diminuer pour s'adapter à un ralentissement de la demande de frigories par les stations utilisatrices 3, 103, tout en évitant, grâce à l'effet de la moyenne qui nivelle les variations, d'éviter les fluctuations brusques de consigne de production. On bénéficie ainsi d'une production adaptative, permettant à l'installation d'être polyvalente et de répondre à des besoins en froid très divers, mais néanmoins lissée, ce qui permet de faire fonctionner la station de production 2 en restant au voisinage de son point d'efficacité optimale. Une telle régulation de la consigne de production par la moyenne glissante de la consommation est par ailleurs avantageusement généralisable à toutes les variantes de configurations envisagées pour l'installation 1, en particulier celles décrites dans la présente demande, et notamment à celles des figures 4, 7, 9 ou 11.
Selon une variante possible de mise en oeuvre, et tel que cela est notamment (mais non limitativement) illustré sur les figures 5, 12 ou 14, la consigne de production de froid appliquée à la station de production de froid 2 pourra être une valeur constante dans le temps.
Selon un tel réglage, particulièrement simple et robuste, la station de production de froid 2 pourra fonctionner en permanence en régime sensiblement établi, et sensiblement à son point d'efficacité énergétique optimale, l'effet tampon procuré par le ou les organes de stockage froid 5, 105 suffisant à compenser les écarts variables entre la consommation instantanée de froid (« conso ») et cette production (« prod ») constante. Bien entendu, la capacité (contenance) de l'organe de stockage 5 sera dimensionnée en conséquence. Selon une autre variante possible de mise en oeuvre, la consigne de production de froid appliquée à la station de production de froid 2 peut être asservie en fonction du niveau de fluide frigorigène (« stock ») qui est stocké dans au moins un organe-tampon de stockage froid 5, 105. Plus particulièrement, si le niveau du fluide frigorigène contenu dans ledit organe de stockage 5 baisse, et plus particulièrement descend sous un seuil d'alerte bas, ce qui indique que la consommation de froid dépasse la production de froid, alors la consigne de production de froid pourra augmenter pour compenser cette surconsommation temporaire. A l'inverse, si le niveau de fluide frigorigène contenu dans ledit organe de stockage 5 augmente et dépasse un seuil d'alerte haut (seuil de remplissage), ce qui indique que la consommation est insuffisante pour absorber la production, alors la consigne de production de froid sera diminuée. Le cas échéant, l'asservissement de la consigne (variable) de production de froid pourra tenir compte à la fois de la moyenne glissante de la consommation d'une part, et du niveau de stock présent dans le ou les organes de stockage froid 5, 105 d'autre part.
Par exemple, la consigne calculée à un instant donné à partir de la moyenne glissante de la consommation pourra être majorée en cas de baisse concomitante du stock, ou, inversement, minorée en cas d'augmentation concomitante dudit stock. Plus globalement, le niveau de stockage froid du fluide frigorigène pourra influer sur la consigne de production de froid en déterminant un terme correctif qui s'ajoute algébriquement à une consigne de production « de base » pour contribuer à former une consigne résultante effectivement appliquée à la station de production de froid 2. Ladite consigne « de base », qui correspondra typiquement à la consigne applicable en l'absence de terme correctif lié au niveau de stockage, et plus particulièrement lorsque le niveau de stockage froid est jugé moyen (c'est-à-dire compris entre les seuils d'alerte bas et haut), pourra être déterminée par tout mode approprié, et par exemple à partir d'une moyenne glissante de la consommation. Par ailleurs, selon une caractéristique préférentielle, ici commune aux quatrième, cinquième et sixième variantes de réalisation de l'installation 1 illustrées respectivement sur les figures 10, 13 et 15, mais qui pourrait parfaitement être adaptée à la seconde variante de la figure 6 ou à la troisième variante de la figure 8, on peut recycler le fluide frigorigène dit « chaud » depuis la ou les stations utilisatrices 3, 103 vers la station de production de froid 2, au moyen d'au moins une ligne de retour 6, 106, distincte de la ligne d'acheminement 4, 104, et qui relie la station utilisatrice 3, 103 concernée à la station de production 2. De préférence, en pareil cas, et selon une caractéristique préférentielle qui peut constituer une invention à part entière, indépendamment du fait que l'on soit en présence ou non d'un organe de stockage froid 5, 105 sur la ligne d'acheminement 4, 104, le procédé pourra comprendre une étape (b) de lissage de retour, au cours de laquelle on impute la différence entre d'une part la quantité instantanée de fluide frigorigène chaud retournée (« retour 6 », « retour 106 ») par la ou les stations utilisatrices 3, 103 et d'autre part la quantité instantanée de fluide frigorigène chaud admise par la station de production de froid (2), à un organe- tampon de stockage chaud 7, 107 placé sur la ligne de retour 6, 106. De manière analogue à ce qui a été décrit en référence à l'organe-tampon de stockage froid 5, 105, l'organe-tampon de stockage chaud 7, 107 sera de préférence formé par un réservoir, préférentiellement calorifugé, de contenance prédéterminée, connecté à la ligne de retour 6, 106 et agencé pour accueillir un stock tampon de fluide frigorigène « chaud » après son passage par la ou les stations utilisatrices 3, 103. Ledit organe de stockage chaud 7, 107 pourra être formé, selon l'état du fluide frigorigène « chaud » à stocker, par une capacité liquide ou une capacité gazeuse.
Avantageusement, la présence d'un organe de stockage chaud 7, 107 permet une utilisation du fluide frigorigène en circuit totalement fermé, sans qu'il soit nécessaire de procéder à des purges ou à des appoints de fluide frigorigène, car lorsque la station de production 2 ne peut pas absorber instantanément tout le débit de fluide frigorigène chaud qui remonte de la ou des stations utilisatrices 3, 103, ledit fluide frigorigène chaud est stocké provisoirement en attente dans l'organe de stockage chaud 7, 107, puis ensuite réutilisé ultérieurement par la station de production 2 de froid lorsque le débit de retour instantané (retour 6, retour 106) ne suffit plus à couvrir seul les besoins en débit d'admission de ladite station de production de froid 2. Ici encore, en régulant le débit de fluide frigorigène disponible en entrée de la station de production, l'invention permet d'obtenir un lissage efficace des retours, et de maintenir, le cas échéant, la puissance consommée par la station de production de froid 2, et plus particulièrement par le compresseur tournant, à un niveau sensiblement constant, proche de son rendement maximal. En outre, en stockant, le cas échéant, et en réinjectant dans la station de production 2, un fluide frigorigène « chaud » qui est en réalité « tiède », c'est-à-dire dont le froid n'est pas épuisé, du fait que ledit fluide frigorigène n'a pas cédé toutes ses frigories lors du passage par la station utilisatrice 3, 103 et revient ainsi à la station de production 2 à une température relativement basse, inférieure notamment à la température ambiante, on peut avantageusement recycler ledit fluide frigorigène plus efficacement dans la station de production 2. En l'espèce, on pourra en effet utiliser moins d'énergie (moins de puissance frigorifique, électrique) pour refroidir ledit fluide frigorigène lors du nouveau cycle qu'il n'en avait fallu pour refroidir ce même fluide lors du cycle précédent. Concrètement, en recyclant un fluide frigorigène déjà "partiellement refroidi", on peut donc réduire la puissance électrique d'alimentation de la station de production 2 tout en respectant la consigne de production de froid (débit massique et température du fluide frigorigène en sortie de station de production).
Tel que cela est le cas pour la cinquième variante de réalisation de l'installation 1, illustrée sur la figure 13, et de manière analogue à ce qui a été décrit en référence aux organes de stockage froid pour la seconde variante de la figure 6, on pourra prévoir autant d'organes de stockage chaud 7, 107 que de lignes de retour, 6, 106, de manière à tamponner toutes les lignes de retour, chacune individuellement.
Le cas échéant, on pourra ainsi réguler (lisser) le retour de fluide frigorigène « chaud » branche par branche, l'organe de stockage chaud 7 de la première ligne de retour 6 agissant comme une capacité tampon (« stock chaud 7 », sur la figure 14) vis-à-vis du retour instantanée (« retour 6 ») de la première station utilisatrice 3, et l'organe de stockage chaud 107 de la seconde ligne de retour 106 agissant comme tampon (« stock chaud 107 », sur la figure 14) vis-à-vis du retour instantané (« retour 106 ») de la seconde station utilisatrice 103. Toutefois, selon une variante de réalisation préférée, correspondant ici à la sixième variante de réalisation illustrée sur la figure 15, l'installation cryogénique 1 pourra comporter une pluralité de stations utilisatrices 3, 103 (ou, de manière équivalent, une station utilisatrice à plusieurs sorties) dont les sorties respectives sont reliées à la station de production de froid 2 par une pluralité de lignes de retour 6, 106, parmi lesquelles une partie 6 sont « tamponnées », c'est-à-dire équipées d'un organe-tampon de stockage chaud 7, tandis que l'autre partie 106 forment des lignes de retour dites « directes », dépourvues d'organe-tampon de stockage chaud. Avantageusement, lors de l'étape (b) de lissage de retour, on pourra alors imputer la différence entre d'une part la quantité instantanée totale de fluide frigorigène chaud retournée (retour 6 + retour 106) par l'ensemble des stations utilisatrices 3, 103 connectées à la station de production 2 par les lignes de retour 6, 106, et d'autre part la quantité instantanée totale de fluide frigorigène admise par la station de production 2 à l'instant considéré, à l'un ou plusieurs des organes-tampon de stockage chaud 7 de la ou des lignes de retour tamponnées 6. De manière analogue à ce qui a été décrit plus haut quant à la gestion du stockage froid en référence à la troisième variante de réalisation de la figure 8, l'utilisation d'un nombre d'organe(s) de stockage chaud 7 inférieur au nombre des lignes de retour 6, 106, mais mutualisé, permettra de réduire le coût et l'encombrement de l'installation 1 tout en opérant efficacement un lissage moyen du débit massique de fluide frigorigène retourné par les stations utilisatrices et parvenant à l'entrée de la station de production de froid 2.
Le fonctionnement d'une telle variante à stockage chaud mutualisé se déduira mutatis mutandis de celui du stockage froid mutualisé décrit plus haut. Ainsi, le lissage du retour pourra intervenir ici avantageusement de manière globale (au regard de l'ensemble des lignes de retour 6, 106 considérées), en imputant aux réservoir(s) de stockage chaud 7 disponible(s) sur la ou les lignes de retour tamponnées 6 l'équivalent de la résultante algébrique (-chaud = Rtotal prod) entre d'une part le retour instantané total cumulé (Rtotal = retour 6 + retour 106, sur la figure 14) des différentes stations utilisatrices 3, 103, et d'autre part la quantité de fluide frigorigène recyclée, à l'instant considéré, par réadmission dans la station de production 2, quantité recyclée qui correspond ici au débit massique de fluide frigorigène en sortie de station de production 2 (« prod », sur la figure 14). Plus particulièrement, la station de production 2 pourra absorber directement la quantité de fluide frigorigène issue des lignes de retour non tamponnées 106, à concurrence de la quantité qui lui est juste nécessaire et suffisante à l'instant considéré, tandis que l'écart instantané global (chaud = Rtotal prod) entre le retour de fluide frigorigène chaud (Rtotal = retour 6 + retour 106) et la production de froid (prod) sera affecté au réservoir de stockage chaud 7 (« stock chaud 7 ») de la ligne de retour 6 tamponnée, c'est-à-dire ajouté, dans le cas d'un excédent, ou respectivement prélevé, dans le cas d'un déficit, dans ledit réservoir de stockage chaud 7.
De manière analogue à ce qui a été décrit pour le stockage froid, il est possible que les stations utilisatrices 3, 103 renvoient respectivement vers la station de production différentes qualités de froid, c'est-à-dire un fluide frigorigène réchauffé dont l'enthalpie molaire, et de préférence la température, diffère selon la station utilisatrice d'origine 3, 103 considérée.
Pour les mêmes raisons que celles développées plus haut, et notamment pour diminuer les coûts de fabrication et de fonctionnement de l'installation 1, on pourra prévoir un organe-tampon de stockage chaud 7 au moins sur la ligne de retour 6 qui correspond à la moindre qualité de froid, c'est-à-dire sur la ligne de retour 6 du fluide frigorigène qui présente l'enthalpie molaire la plus élevée, de préférence la température la plus élevée. En outre, on pourra de préférence ajuster la consigne de production de froid appliquée à la station de production de froid 2 en fonction de la quantité de froid retournée (retour 106) par la ou les lignes de retour 106 non tamponnées. Plus particulièrement, dans le cas où l'une ou l'autre des stations utilisatrices 3, 103 retourne, via une ligne de retour directe 6, non tamponnée, un fluide frigorigène « tiède » qui n'a pas épuisé le froid qu'il contient, on pourra modifier la consigne de production de froid, c'est-à-dire le débit massique de fluide frigorigène refroidi que l'on souhaite obtenir en sortie de la station de production 2, de manière à faire suivre à cette consigne de production les évolutions du retour 6 de fluide « tiède », et par conséquent de manière à permettre à la station de production 2 d'absorber en tant réel la quantité totale (exacte) de fluide frigorigène « tiède » retourné directement par la station utilisatrice 3. Ainsi, lorsque le débit de retour tiède non tamponné (retour 106 sur la figure 16) augmentera temporairement, on pourra décider de « surproduire », en augmentant provisoirement la consigne de production de froid (« prod »). A l'inverse, lorsque le débit de retour tiède non tamponné (retour 106 sur la figure 16) diminuera temporairement, on pourra décider de « sous-produire », en réduisant provisoirement la consigne de production de froid (« prod »). En pratique, cela revient avantageusement à faire fonctionner la station de production de froid 2 à puissance frigorifique (puissance électrique) constante, en tolérant des variations de débit de fluide frigorigène refroidi en sortie de station de production 2, plutôt que de faire fonctionner ladite station de production 2 à débit de sortie (de fluide frigorigène refroidi) constant. En effet, la quantité de froid produite à un instant donnée, c'est-à-dire le débit de fluide frigorigène (refroidi à la température de consigne) observé en sortie de station de production 2, résulte schématiquement de la somme de la quantité de froid récupérée (car encore présente) dans le fluide de retour « tiède » qui entre dans la station de production, et de la quantité de froid ajoutée audit fluide frigorigène par l'action frigorifique de la station de production (action qui dépend bien entendu de la puissance frigorifique qui anime ladite station de production). On notera à ce titre que, en l'absence de retour de fluide tiède, la notion de production de froid (caractérisée par le débit et la température du fluide frigorigène en sortie de station de production) et la notion de puissance frigorifique (puissance électrique) fournie à la station de production sont équivalentes.
En tout état de cause, ici encore, l'invention permet d'optimiser le rendement de la station de production de froid 2, en tirant instantanément profit des frigories résiduelles contenues dans le fluide frigorigène retourné à l'état « tiède », par une réinjection directe dudit fluide tiède dans le cycle de production. Avantageusement, les fluctuations de production (« prod »), c'est-à-dire les fluctuations du débit de fluide frigorigène refroidi en sortie de station de production 2, qui sont induites par une telle forme de régulation, n'auront aucune incidence néfaste sur l'alimentation correcte des stations utilisatrices par les lignes d'acheminement 4, 104, dans la mesure où les organes de stockage froid 5, 105 permettent dans le même temps de compenser, lorsque cela est nécessaire, les écarts entre la production instantanée de froid (« prod ») et la consommation instantanée de froid (« conso 3 »), et ce indifféremment, que lesdits écarts trouvent leur origine dans une fluctuation de la production, dans une fluctuation de la consommation, ou bien dans une fluctuation des deux en même temps. Le cas échéant, l'ajustement de la consigne de production de froid (« prod ») en fonction du débit de fluide tiède retourné (« retour 106 ») pourra s'appliquer à une consigne de production de base, préalablement fixée comme une valeur constante ou bien comme une valeur (variable) établie en fonction de la moyenne glissante de la consommation de froid et/ou en fonction du niveau de stockage du fluide frigorigène dans l'organe de stockage froid 5, tel que cela a été décrit plus haut. En particulier, l'ajustement de consigne induit par la prise en considération du débit de retour de fluide tiède (« retour 106 ») pourra prendre la forme d'un terme correctif, de type offset, qui se superpose algébriquement à la consigne de production de base, par exemple constante ou issue de la moyenne glissante de la consommation de froid, de manière à procurer une consigne résultante qui est effectivement appliquée à la station de production 2. Ledit terme correctif pourra ainsi augmenter la consigne de production résultante, par rapport à la consigne de base initiale, en cas d'accroissement du débit de retour tiède, et diminuer ladite consigne de production résultante, par rapport à la consigne de base, en cas de réduction du débit de retour tiède. A titre d'exemple, sur la figure 16, la consigne de production de base est choisie constante. Le terme correctif, engendré par les fluctuations en créneaux (une succession de rampes alternativement ascendantes puis descendantes, chacune conduisant à un plateau) du retour tiède non tamponné (« retour 106 ») induit alors, dans la consigne de production résultante (« prod »), un crénelage similaire à celui dudit retour tiède (« retour 106 »), en phase avec ce dernier, mais toutefois de moindre amplitude. Avantageusement, les niveaux de stockage froid (« stock froid 5 ») et chaud (« stock chaud 7 ») fluctuent en réponse pour accommoder les écarts respectifs entre production (« prod ») et consommation (« conso 3 ») instantanées pour le stockage froid, et entre retours (« retour 6 », « retour 106 ») et recyclage de fluide frigorigène (« prod ») pour le stockage chaud 7. On notera que, le cas échéant, la consigne de production résultante appliquée à la station de production de froid 2 pourra en définitive résulter de la 35 somme d'une consigne de base (typiquement constante ou dépendante de la moyenne de consommation), d'un premier terme correctif déterminé en fonction du niveau de stockage de fluide frigorigène dans l'organe de stockage froid 5, 105, et d'un second terme correctif déterminé en fonction du débit de retour de fluide tiède. Par ailleurs, selon une variante de réalisation d'installation 1 non représentée, mais qui pourra se combiner à l'une ou l'autre des variantes de réalisation déjà décrites, la station de production de froid 2 pourra comprendre plusieurs étages de production correspondant à des qualités de froid distinctes. Le fluide frigorigène pourra alors être recyclé depuis plusieurs stations utilisatrices 3, 103 (ou, de manière équivalent, depuis plusieurs sorties d'une même station utilisatrice 3) qui renvoient le fluide frigorigène usagé à des qualités de froid différentes selon la station utilisatrice concernée, au moyen de plusieurs lignes de retour 6, 106, distinctes de la ou des lignes d'acheminement 4, 104, et qui relient chacune la station utilisatrice 3, 103 concernée à l'entrée de l'étage de la station de production de froid 2 au niveau de laquelle la qualité de froid est la plus proche de celle émise en retour par ladite station utilisatrice. Bien entendu, des organes de stockage 5, 105, 7, 107 pourront être prévus et géré selon l'un ou l'autre des agencements susmentionnés. L'invention porte également sur une installation cryogénique 1 en tant que telle, permettant de mettre en oeuvre tout ou partie du procédé décrit dans ce qui 20 précède. L'invention concerne ainsi en particulier une installation cryogénique 1 comprenant une station de production de froid 2, au moins une station utilisatrice de froid 3, 103, et au moins une ligne d'acheminement 4, 104 qui relie ladite station de production de froid à ladite station utilisatrice de froid de sorte à permettre à un fluide 25 frigorigène refroidi par la station de production de froid d'atteindre la station utilisatrice afin d'alimenter ladite station utilisatrice 3, 103 en frigories, ainsi qu'un organe-tampon de stockage froid 5, 105, placé sur la ligne d'acheminement 4, 104 de sorte à prendre en charge la différence entre la quantité instantanée de froid produite (« prod ») par la station de production et la quantité instantanée de froid consommée 30 (« conso 3 », « conso 103 ») par la station utilisatrice 3, 103. L'installation 1 pourra bien entendu comprendre également une ou plusieurs lignes de retour 6, 106 pourvues ou non d'organes de stockage chaud 7, 107 selon l'une ou l'autre des configurations envisagées plus haut.
Ladite installation pourra être pilotée par un module de lissage adapté, structuré et programmé de manière à pouvoir mettre en oeuvre un procédé selon l'invention. Ledit module de lissage (non représenté) pourra notamment comprendre des capteurs, du genre compteurs, pour mesure la consommation de froid (débit massique de fluide frigorigène refroidi absorbé par les stations utilisatrices), un ou des capteurs de remplissage mesurant le niveau de fluide frigorigène dans le ou les organes de stockage (froid et/ou chaud), ainsi qu'un calculateur, permettant de calculer la consigne instantanée de production de froid, par exemple par calcul préalable de la moyenne glissante de la consommation de froid, et/ou le calcul d'un terme correctif lié au retour de fluide tiède. Le module de lissage pourra comprendre un programmateur et une mémoire permettant de renseigner et modifier les paramètres de calcul, notamment la durée d'échantillonnage de la moyenne glissante, ou la valeur constante de la consigne de production de base. Avantageusement, le module de lissage pourra en outre comprendre un régulateur de puissance, de type variateur, permettant d'ajuster la puissance frigorifique (électrique) délivrée à la station de production 2, de manière à ce que la production de froid effective suive la consigne de production fixée par calcul.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux variantes de réalisation décrites, l'homme du métier étant notamment à même d'isoler ou de combiner librement entre elles l'une ou l'autres des caractéristiques décrites dans ce qui précède, ou de leur substituer des équivalents. En particulier, on pourrait prévoir, mutatis mutandis, plusieurs stations de production de froid alimentant une ou plusieurs stations utilisatrices et utilisant, le cas échéant, un ou plusieurs organes de stockage mutualisés. De même, on pourra prévoir, entre une station de production 2 et plusieurs stations utilisatrices 3, 103 à la fois plusieurs lignes d'acheminement 4, 104, tamponnées toutes ou, de préférence, pour certaines seulement, et plusieurs lignes de retour 6, 106, tamponnées toutes, ou de préférence pour certaines seulement, en combinant les agencements (et donc les avantages) décrits dans ce qui précède.
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Procédé de régulation d'une installation cryogénique (1) comprenant une station de production de froid (2), au moins une station utilisatrice de froid (3, 103), et au moins une ligne d'acheminement (4, 104) qui relie ladite station de production de froid (2) à ladite station utilisatrice de froid (3, 103) afin d'acheminer un fluide frigorigène, refroidi par la station de production de froid, jusqu'à la station utilisatrice, de manière à alimenter ladite station utilisatrice en frigories, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte une étape (a) de lissage d'alimentation au cours de laquelle on impute la différence entre la quantité instantanée de froid (prod) produite par la station de production (2) et la quantité instantanée de froid (conso) consommée par la station utilisatrice à un organe-tampon de stockage froid (5, 105), placé sur la ligne d'acheminement (4, 104).
- 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'installation cryogénique (1) comporte une pluralité de stations utilisatrices (3, 103), parmi lesquelles au moins une partie (3) est desservie par une ou des lignes d'acheminement (4) dites « tamponnées », équipées d'un organe-tampon de stockage froid (5) interposé entre la station de production et la station utilisatrice concernée, tandis que l'autre partie (103) des stations utilisatrices est desservie par une ou des lignes d'acheminement (104) dites « directes », dépourvues d'organe- tampon de stockage froid, et en ce que, lors de l'étape (a) de lissage d'alimentation, on impute la différence entre d'une part la quantité instantanée totale de froid (prod) produite par la station de production (2), et d'autre part la quantité instantanée totale de froid consommée par l'ensemble des stations utilisatrices (3, 103) connectées à ladite station de production (2), à l'un ou plusieurs des organes-tampon de stockage froid (5) de la ou des lignes d'acheminement tamponnées (4).
- 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on alimente les différentes stations utilisatrices (3, 103) avec respectivement différentes qualités de froid, c'est-à-dire avec un fluide frigorigène refroidi dont l'enthalpie molaire, et de préférence la température, diffère selon la station utilisatrice (3, 103) considérée, et en ce que l'on prévoit un organe-tampon de stockage froid (5) au moins sur la ligne d'acheminement (4) correspondant à la moindre qualité de froid, c'est-à-dire sur la ligne d'acheminement du fluide frigorigène qui présente l'enthalpie molaire la plus élevée, de préférence la température la plus élevée.
- 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la consigne de production de froid appliquée à la station de production de froid (2) est déterminée en fonction de, et de préférence égale à, la moyenne glissante de la consommation de froid de la ou des stations utilisatrices (3, 103) mesurée ou estimée sur une durée d'échantillonnage prédéterminée.
- 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la consigne de production de froid appliquée à la station de production de froid (2) est une valeur constante dans le temps.
- 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la consigne de production de froid appliquée à la station de production de froid (2) est asservie en fonction du niveau de fluide frigorigène stocké dans au moins un organe-tampon de stockage froid (5, 105).
- 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on recycle le fluide frigorigène dit « chaud » depuis la ou les stations utilisatrices vers la station de production de froid, au moyen d'au moins une ligne de retour, distincte de la ligne d'acheminement, et qui relie la station utilisatrice concernée à la station de production, et en ce que le procédé comprend une étape (b) de lissage de retour, au cours de laquelle on impute la différence entre d'une part la quantité instantanée de fluide frigorigène chaud retournée (retour 6, retour 106) par la ou les stations utilisatrices (3, 103) et d'autre part la quantité instantanée de fluide frigorigène chaud admise par la station de production de froid (2), à un organe-tampon de stockage chaud (7, 107) placé sur la ligne de retour (6, 106).
- 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'installation cryogénique (1) comporte une pluralité de stations utilisatrices (3, 103) dont les sorties respectives sont reliées à la station de production de froid par une pluralité de lignes de retour (6, 106), parmi lesquelles une partie (6) sont « tamponnées », c'est-à-dire équipées d'un organe-tampon de stockage chaud (7), tandis que l'autre partie (106) forment des lignes de retour dites « directes », dépourvues d'organe-tampon de stockage chaud, et en ce que, lors de l'étape (b) de lissage de retour, on impute la différence entre d'une part la quantité instantanée totale de fluide frigorigène chaud (retour 6, retour 106) retournée par l'ensemble des stations utilisatrices (3, 103) connectées à la station de production de froid (2) par les lignes de retour (6, 106), et d'autre part la quantité instantanée totale de fluide frigorigène (prod) admise par la station de production à l'instant considéré, à l'un ou plusieurs des organes-tampon de stockage chaud (7) de la ou des lignes de retour tamponnées.
- 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que les stations utilisatrices (3, 103) renvoient respectivement vers la station de production différentes qualités de froid, c'est-à-dire un fluide frigorigène réchauffé dont l'enthalpie molaire, et de préférence la température, diffère selon la station utilisatrice (3, 103) d'origine considérée, et en ce que l'on prévoit un organe-tampon de stockage chaud (7) au moins sur la ligne de retour (6) correspondant à la moindre qualité de froid, c'est-à-dire sur la ligne de retour (6) du fluide frigorigène qui présente l'enthalpie molaire la plus élevée, de préférence la température la plus élevée.
- 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'on ajuste la consigne de production de froid (prod) appliquée à la station de production de froid (2) en fonction de la quantité de froid (retour 106) retournée par la ou les lignes de retour non tamponnées (106).
- 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il utilise de l'azote comme fluide frigorigène.
- 12. Installation cryogénique (1) comprenant une station de production de froid (2), au moins une station utilisatrice de froid (3, 103), et au moins une ligne d'acheminement (4, 104) qui relie ladite station de production de froid à ladite station utilisatrice de froid de sorte à permettre à un fluide frigorigène refroidi par la station de production de froid (2) d'atteindre la station utilisatrice (3, 103) afin d'alimenter ladite station utilisatrice en frigories, ladite installation cryogénique (1) étant caractérisée en ce qu'elle comprend un organe-tampon de stockage froid (5, 105), placé sur la ligne d'acheminement (4, 104) de sorte à prendre en charge la différence entre la quantité instantanée de froid (prod) produite par la station de production (2) et la quantité instantanée de froid consommée (conso 3, conso 103) par la station utilisatrice (3, 103).
- 13. Installation cryogénique selon la revendication 12 caractérisée en ce que la station de production de froid (2) comporte en série au moins un compresseur pour comprimer le fluide frigorigène, et au moins un étage de refroidissement qui comporte au moins une turbine de détente et/ou un ou plusieurs échangeurs thermiques permettant de refroidir le fluide frigorigène.
- 14. Installation cryogénique selon la revendication 12 ou 13 caractérisée en ce que l'organe-tampon de stockage froid (5, 105) est formé par un réservoir calorifugé, de contenance prédéterminée, connecté à la ligne d'acheminement (4, 104) et agencé pour accueillir un stock tampon de fluide frigorigène refroidi.35
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| EP3855099A1 (fr) * | 2020-01-22 | 2021-07-28 | L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude | Appareil de liquéfaction |
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| WO2007005091A1 (fr) * | 2005-06-30 | 2007-01-11 | General Electric Company | Systeme et procede permettant de refroidir des dispositifs supraconducteurs |
| FR2919713A1 (fr) * | 2007-08-03 | 2009-02-06 | Air Liquide | Procede de refrigeration d'un fluide, par exemple d'helium, destine a alimenter un consommateur de fluide, ainsi qu'a une installation correspondante |
| US20090266100A1 (en) * | 2008-04-28 | 2009-10-29 | Thermo King Corporation | Closed and open loop cryogenic refrigeration system |
-
2013
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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