FR3049341B1 - Systeme de traitement d'un gaz issu de l'evaporation d'un liquide cryogenique et d'alimentation en gaz sous pression d'un moteur a gaz - Google Patents

Systeme de traitement d'un gaz issu de l'evaporation d'un liquide cryogenique et d'alimentation en gaz sous pression d'un moteur a gaz Download PDF

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Abstract

Le système de traitement d'un gaz issu de l'évaporation d'un liquide cryogénique et d'alimentation en gaz sous pression d'un moteur à gaz selon l'invention comporte, d'une part, d'amont en aval, une unité de reliquéfaction (10) avec des moyens de compression (11, 12, 13), un premier échangeur (17) de chaleur et des moyens de détente (30), et, d'autre part, une ligne d'alimentation en gaz sous pression comportant d'amont en aval une pompe (48) pour mettre du liquide sous pression et des moyens de vaporisation (61) sous haute pression. La ligne d'alimentation en gaz sous pression présente, en amont des moyens de vaporisation (61), une dérivation (57) pour alimenter un deuxième échangeur (60) de chaleur entre, d'une part, du liquide sous pression de la ligne d'alimentation (56) et, d'autre part, une ligne (22) de l'unité de reliquéfaction (10) en amont des moyens de détente (30).

Description

La présente invention concerne un système et un procédé de traitement de gaz issu de l'évaporation d'un liquide cryogénique et pour l'alimentation en gaz sous pression d'un moteur à gaz.
Le domaine de la présente invention est plus particulièrement le transport maritime de liquides cryogéniques et encore plus particulièrement de Gaz Naturel Liquéfié (GNL). Cependant, les systèmes et les procédés qui seront proposés plus loin pourraient aussi trouver des applications dans des installations terrestres.
Si l'on considère le gaz naturel liquéfié, celui-ci présente, à température ambiante, une température de l'ordre -163°C (ou moins). Lors du transport maritime de GNL, ce dernier est mis dans des réservoirs sur un navire, un méthanier. Bien que ces réservoirs soient isolés thermiquement, des fuites thermiques existent et le milieu extérieur apporte de la chaleur au liquide contenu dans les réservoirs. Le liquide se réchauffe donc et s'évapore. Compte tenu de la taille des réservoirs se trouvant sur un méthanier, en fonction des conditions d'isolation thermique et des conditions extérieures, plusieurs tonnes de gaz peuvent s'évaporer par heure.
Il n'est pas possible de maintenir le gaz évaporé dans les réservoirs du navire pour des raisons de sécurité. La pression dans les réservoirs augmenterait dangereusement. Il faut donc laisser le gaz qui s'évapore s'échapper hors des réservoirs. La règlementation interdit de rejeter ce gaz (s'il s'agit de gaz naturel) dans l'atmosphère en l'état. Il faut le brûler.
Pour éviter de perdre ce gaz qui s'évapore, il est aussi connu, d'une part, de l'utiliser comme carburant pour les moteurs à bord du navire le transportant et, d'autre part, de le reliquéfier pour le remettre dans les réservoirs desquels il provient.
Pour reliquéfier le gaz qui s'est évaporé, il est connu de refroidir ce gaz pour le ramener à nouveau dans des conditions de température et de pression lui permettant de repasser en phase liquide. Cet apport de froid est le plus souvent réalisé par échange de chaleur avec un circuit réfrigérant comportant par exemple une boucle de fluide réfrigérant tel de l'azote.
En outre, certains méthaniers utilisent le gaz naturel qu'ils transportent comme carburant pour assurer leur propulsion. Il existe plusieurs types de moteur fonctionnant avec du gaz naturel. La présente invention concerne plus particulièrement ceux qui sont alimentés par du gaz naturel sous phase gazeuse à haute pression. Pour alimenter alors le moteur de propulsion du méthanier, du gaz est pompé hors d'un réservoir de gaz naturel liquéfié se trouvant à bord du méthanier, puis est mis sous pression à l'aide d'une pompe avant d'être vaporisé pour pouvoir alimenter le moteur.
Le document EP-2 746 707 s'intéresse à un gaz naturel s'évaporant à partir de réservoirs de stockage de gaz naturel liquéfié, typiquement disposés à bord d'un navire de haute mer, qui est comprimé dans un compresseur à plusieurs étages de compression. Au moins une partie du flux de gaz naturel comprimé étant envoyé vers un liquéfacteur, qui fonctionne typiquement selon un cycle de Brayton, afin d'être reliquéfié. La température du gaz naturel comprimé provenant de l'étage final est réduite à une valeur inférieure à 0 °C par passage à travers un échangeur de chaleur. Le premier étage de compression fonctionne ici en tant que compresseur de froid, et le gaz naturel comprimé froid résultant est utilisé dans l'échangeur de chaleur de sorte à procéder au refroidissement nécessaire du flux provenant de l'étage de compression. En aval de son passage à travers l'échangeur de chaleur, le gaz naturel comprimé froid circulant à travers les étages restants du compresseur. Si cela est souhaité, une partie du gaz naturel comprimé peut servir de carburant pour alimenter les moteurs du navire de haute mer.
La présence d'une boucle réfrigérante avec de l'azote dans le cycle de Brayton, ou bien tout autre gaz réfrigérant distinct du fluide à réfrigérer, implique de prévoir des équipements spécifiques pour le fluide réfrigérant. Ainsi par exemple lorsqu'un circuit réfrigérant à l'azote est prévu à bord d'un navire (ou ailleurs), une unité de traitement (purification) de l'azote est nécessaire pour permettre son utilisation dans le domaine cryogénique. Il convient également de prévoir un réservoir spécifique, des vannes et autres dispositifs pour la régulation de la circulation de l'azote.
La présente invention a alors pour but de fournir un système optimisé permettant de reliquéfier du gaz qui s'est évaporé et d'alimenter sous haute pression un moteur à gaz. Avantageusement, le système proposé pourra également être utilisé à bord d'un navire tel un méthanier. De manière préférée, le système fonctionnera sans utilisation d'un fluide frigorigène tel de l'azote ou autre pour éviter d'avoir deux circuits distincts avec des fluides de natures différentes. La solution proposée ne sera également de préférence pas plus chère à réaliser que les solutions de l'art antérieur. À cet effet, la présente invention propose un système de traitement d'un gaz issu de l'évaporation d'un liquide cryogénique et d'alimentation en gaz sous pression d'un moteur à gaz, ledit système comportant, d'une part, d'amont en aval, une unité de reliquéfaction avec des moyens de compression, un premier échangeur de chaleur et des moyens de détente, et, d'autre part, une ligne d'alimentation en gaz sous pression comportant d'amont en aval une pompe pour mettre du liquide sous pression et des moyens de vaporisation sous haute pression.
Selon la présente invention, la ligne d'alimentation en gaz sous pression présente, en amont des moyens de vaporisation, une dérivation pour alimenter un deuxième échangeur de chaleur entre, d'une part, du liquide sous pression de la ligne d'alimentation et, d'autre part, une ligne de l'unité de reliquéfaction en amont des moyens de détente.
La solution proposée permet de créer une synergie entre la reliquéfaction du gaz qui s'est évaporé et la production de gaz sous pression pour alimenter un moteur, par exemple un moteur MEGI. En effet, d'un côté il y a des besoins pour refroidir du gaz et d'un autre côté il y a des besoins pour réchauffer du liquide avant de le vaporiser. Le deuxième échangeur proposé permet ainsi à la fois de limiter les besoins (en froid) de l'unité de reliquéfaction et les besoins (en chaleur) de la ligne d'alimentation en gaz sous haute pression.
Il est proposé dans un système selon l'invention que le deuxième échangeur de chaleur soit par exemple placé en aval du premier échangeur de chaleur. Cette position permet d'optimiser les échanges de chaleur.
Pour la liquéfaction du gaz évaporé, les moyens de détente comportent par exemple une vanne de détente débouchant dans un ballon destiné à recevoir, d'une part, le liquide formé par une détente de gaz dans la vanne de détente et, d'autre part, une fraction de gaz non liquéfiée.
Afin d'utiliser dans l'unité de reliquéfaction comme liquide réfrigérant le même fluide que le fluide à liquéfier, ladite unité comporte avantageusement, en aval de ses moyens de compression une dérivation vers une boucle comportant de seconds moyens de détente, et la boucle rejoint le circuit en amont des moyens de compression après avoir traversé le premier échangeur de chaleur à contresens par rapport à la fraction de gaz du circuit non dérivée par la boucle. Dans cette forme de réalisation, il est de préférence prévu que les moyens de compression comportent plusieurs étages de compression avec chacun une roue de compression, que les seconds moyens de détente comportent une turbine de détente et que chaque roue de compression et la turbine de détente sont associées à une même transmission mécanique. On peut éventuellement prévoir aussi que le système, avec une telle unité de reliquéfaction, comporte en outre un troisième échangeur de chaleur entre du liquide sous pression dérivé de la ligne d'alimentation et du gaz entre les moyens de compression et les seconds moyens de détente. Ce troisième échangeur permet d'augmenter les échanges et ainsi donc d'optimiser le système. Selon une première variante de réalisation, le troisième échangeur est monté en parallèle du deuxième échangeur et selon une autre variante de réalisation alternative, le troisième échangeur est monté en série avec le deuxième échangeur.
Le liquide en sortie du deuxième échangeur étant encore à des températures basses, il est avantageusement prévu que la dérivation alimente en aval du deuxième échangeur un système de refroidissement.
La présente invention concerne également un navire, notamment un méthanier, propulsé par un moteur à gaz, caractérisé en ce qu'il comporte un système de traitement d'un gaz issu de l'évaporation d'un liquide cryogénique et d'alimentation en gaz sous pression d'un moteur à gaz tel que décrit plus haut.
Enfin, la présente invention propose un procédé de traitement d'un flux de gaz issu de l'évaporation d'un liquide cryogénique et d'alimentation d'un moteur en gaz à haute pression, ledit flux de gaz étant tout d'abord comprimé puis refroidi au sein d'un premier échangeur de chaleur avant d'être détendu de telle sorte qu'une fraction de gaz se reliquéfie, et l'alimentation en gaz sous haute pression étant réalisée en mettant sous pression du liquide cryogénique puis en le vaporisant, caractérisé en ce qu'après sa compression, le flux de liquide sous pression est séparé en une première partie de flux de liquide et une seconde partie de flux de liquide, en ce que la première partie du flux de liquide est utilisée pour refroidir du gaz comprimé avant sa détente au sein d'un deuxième échangeur, et en ce que la seconde partie du flux du liquide reçoit la première partie du flux de liquide après que cette dernière ait refroidi du gaz comprimé, l'ensemble du flux liquide étant ensuite vaporisé.
Des détails et avantages de la présente invention apparaîtront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel :
Les figures 1 à 8 sont chacune une vue schématique, selon plusieurs variantes, d'un réservoir de liquide cryogénique associé à un système de récupération du gaz s'évaporant dudit réservoir, à un système de traitement d'une partie du gaz récupéré pour le liquéfier et à une ligne d'alimentation en gaz sous haute pression d'un moteur à gaz.
Sur chacune des figures annexées, un réservoir 1 est illustré. Dans toute la suite de la description, on supposera qu'il s'agit d'un réservoir de Gaz Naturel Liquéfié (ou GNL) parmi plusieurs autres réservoirs similaires à bord d'un navire de haute mer de type méthanier.
Les valeurs numériques dans la description qui suit sont données à titre d'exemples numériques purement illustratifs et nullement limitatifs. Elles sont adaptées au traitement de GNL à bord d'un navire mais peuvent varier, notamment si la nature du gaz change.
Le réservoir 1 stocke le GNL à une température de l'ordre de -163°C qui correspond à la température de stockage habituelle du GNL à une pression proche de la pression atmosphérique. Cette température dépend bien entendu de la composition du gaz naturel et des conditions de stockage. L'atmosphère autour du réservoir 1 étant à une température bien plus élevée que celle du GNL, bien que le réservoir 1 soit très bien isolé thermiquement, des calories sont apportées au liquide qui se réchauffe et se vaporise. Le volume du gaz s'évaporant étant bien plus important que celui du liquide correspondant, la pression dans le réservoir 1 tend donc à augmenter au fur et à mesure que le temps s'écoule et que des calories sont apportées au liquide.
Pour éviter d'atteindre des pressions trop importantes, le gaz qui s'évapore est retiré au fur et à mesure du réservoir 1 (et des autres réservoirs du navire) et se retrouve dans un collecteur 2 relié à plusieurs réservoirs.
Il est prévu dans les systèmes illustrés au dessin d'utiliser le gaz qui s'est évaporé comme source d'énergie à bord du navire (par exemple pour fabriquer de l'électricité) et de reliquéfier le surplus de gaz. Le but est ici d'éviter de perdre le gaz évaporé et donc soit de l'utiliser à bord du navire, soit de le récupérer et le renvoyer, en phase liquide, dans le réservoir 1. En outre, il est prévu une ligne d'alimentation en gaz à haute pression d'un moteur à gaz de type moteur MEGI.
Pour être utilisé à bord du navire, le gaz doit être tout d'abord comprimé. Cette compression est alors réalisée au sein d'une première unité de compression 3 qui peut être, comme illustré au dessin, multi-étagée. Cette unité, à titre d'exemple numérique illustratif et nullement limitatif, porte la pression du gaz collecté dans le collecteur 2 d'une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une pression de l'ordre de 15 à 20 bar (1 bar=105Pa).
Après cette première étape de compression, le gaz passe dans un refroidisseur intermédiaire 4 dans lequel il est refroidi sans modifier de manière sensible sa pression. Le gaz qui a été réchauffé lors de sa compression est à une température de l'ordre de 40 à 45°C à la sortie du refroidisseur intermédiaire (ces valeurs sont données à titre purement illustratif). Le gaz ainsi comprimé et refroidi peut alors être envoyé par une conduite 5 vers un générateur à bord du navire.
Les besoins en gaz au niveau du (des) générateur(s) du navire sont souvent inférieurs à la "production" de gaz par évaporation dans tous les réservoirs qui sont à bord du navire. Le gaz non utilisé dans le(s) générateur(s) est alors envoyé vers une unité de reliquéfaction 10. L'unité de reliquéfaction 10 comprend à son entrée une vanne 6 destinée notamment à contrôler la pression du gaz dans la conduite 5, puis un circuit principal et une boucle qui vont être décrits ci-après.
Le circuit principal permet à partir du gaz (qui se trouve à une pression de l'ordre de quelques bar à environ 50 bar -valeurs non limitatives-) d'obtenir du liquide pouvant retourner dans le réservoir 1.
Le procédé pour obtenir ce liquide à remettre dans le réservoir est classique. Il s'agit de comprimer le gaz, de le refroidir puis de le détendre. Cette manière de faire est classique dans le domaine de la cryogénie.
On trouve ainsi dans le circuit principal tout d'abord un compresseur multi-étagé comprenant ici trois étages successifs avec les références 11, 12 et 13. Chaque étage est formé par une roue de compression et les trois roues de compression sont entraînées par une même transmission 15 à arbres et pignons. Le trait entre les étages de compression sur les figures symbolise la liaison mécanique entre eux. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1, le gaz arrivant dans le compresseur multi-étagé arrive dans le deuxième étage 12 de ce compresseur. En fonction du système, il peut aussi bien arriver au premier -comme illustré sur les autres figures du dessin- ou au troisième (ou plus généralement n'eme étage) de ce compresseur.
Après cette seconde compression, le gaz passe dans un refroidisseur intermédiaire 16. Sa pression est alors de quelques dizaines de bar, par exemple environ 50 bar, et sa température est à nouveau de l'ordre de 40 à 45 °C.
Le gaz ainsi comprimé est alors refroidi au sein d'un premier échangeur 17 multiflux. Le gaz circule dans ce premier échangeur 17 dans un premier sens. Les fluides circulant à contresens (par rapport à ce premier sens) et utilisés pour le refroidir seront décrits plus loin.
En sortie du premier échangeur 17, le gaz comprimé refroidi à une température de l'ordre de -110 à -120°C est envoyé, toujours à une pression de l'ordre de quelques dizaines de bar (par exemple environ 50 bar) par une conduite isolée 22 à une vanne de détente 30.
La détente à travers la vanne de détente 30 du gaz fournit à la fois un liquide riche en méthane et un gaz riche en azote. La séparation de cette phase liquide et de cette phase gazeuse est réalisée au sein d'un ballon 40 dans lequel la pression est de l'ordre de quelques bar, par exemple entre 3 et 5 bar.
Le gaz du ballon 40 est renvoyé de préférence vers le collecteur 2. De la sorte, il peut être utilisé soit comme carburant dans un générateur, soit repasser dans l'unité de reliquéfaction 10. Ce gaz étant froid, il peut être utilisé pour refroidir le gaz comprimé dans le premier échangeur 17. Il est donc prévu de le faire circuler à contresens dans ce premier échangeur 17 avant de le faire retourner dans le collecteur 2.
Si le gaz du ballon 40 pour diverses raisons, notamment lors de phases transitoires, ne peut pas être recyclé vers le collecteur 2, il est prévu de l'envoyer à une torchère ou une unité de combustion. Un jeu de vannes 31,32 contrôle l'envoi du gaz du ballon 40 respectivement vers le collecteur 2 par une conduite de liaison 35 ou vers une unité de combustion (non représentée).
Le liquide récupéré au fond du ballon 40 est quant à lui destiné à retourner dans le réservoir 1. En fonction des conditions de fonctionnement, le liquide peut être envoyé directement dans le réservoir 1 (passage contrôlé par une vanne 33), soit à l'aide d'une pompe 41 (passage contrôlé par une vanne 34).
Le retour du liquide en provenance du ballon 40, directement ou par la pompe 41, vers le réservoir 1 se fait par l'intermédiaire d'une conduite isolée 36 munie ici d'une vanne 54, par exemple une soupape d'arrêt.
Dans l'unité de reliquéfaction 10, il convient d'assurer le refroidissement du gaz comprimé dans le compresseur multi-étagé (étages 11, 12 et 13). Ce refroidissement se fait habituellement à l'aide d'une machine thermodynamique distincte, fonctionnant par exemple selon un cycle de Brayton, et utilisant de l'azote comme fluide frigorigène. Il est possible d'utiliser dans l'unité de reliquéfaction 10 une telle machine de réfrigération qui vient alors refroidir le gaz au sein du premier échangeur 17. Toutefois, il est proposé ici comme mentionné plus haut, de munir cette unité de reliquéfaction d'une boucle de refroidissement utilisant le gaz naturel comme fluide frigorigène. Cette boucle commence par une conduite dérivée 18 qui sépare le flux de gaz en aval du compresseur multi-étagé (étages 11, 12, 13) en un premier flux, ou flux principal, qui correspond au circuit principal décrit précédemment, et en un second flux, ou flux dérivé.
La conduite de dérivation 18 est de préférence reliée au circuit principal au niveau du premier échangeur 17. Le gaz qui pénètre donc dans la conduite de dérivation 18 se trouve à "haute pression" (environ 50 bar dans l'exemple numérique donné) et à une température intermédiaire entre 40°C et -110°C.
Le gaz prélevé par la conduite de dérivation 18 est détendu au sein de moyens de détente formés par une turbine de détente 14. Cette turbine de détente 14 est, dans la forme de réalisation préférée illustrée sur le dessin, relié mécaniquement aux trois roues de compression correspondant aux étages 11, 12 et 13 du compresseur multi-étagé de l'unité de reliquéfaction 10. La transmission 15 par arbres et pignons relie la turbine de détente 14 et les roues de compression du compresseur multi-étagé. Cette transmission 15 est symbolisée par un trait reliant sur les figures la turbine de détente 14 aux étages 11, 12 et 13.
Le gaz est détendu par exemple à un niveau de pression qui correspondait à son niveau de pression en entrant dans l'unité de reliquéfaction 10, soit environ 15 à 20 bar. Sa température descend en dessous de -120°C. Ce flux de gaz est alors envoyé dans le premier échangeur 17 à contresens pour refroidir le gaz du circuit principal, tout d'abord dans une portion 19 se trouvant en aval de la conduite de dérivation 18 puis dans une portion de ce circuit principal dans le premier échangeur 17 en amont de cette conduite de dérivation 18. En sortie du premier échangeur 17, le gaz détendu retrouve des températures de l'ordre de 40°C et peut être réinjecté dans le circuit principal de l'unité de reliquéfaction, en amont du compresseur multi-étagé par une conduite de retour 21.
On réalise ainsi une boucle de refroidissement ouverte qui utilise comme gaz pour le refroidissement le même gaz que celui qui doit être liquéfié.
Comme indiqué plus haut, le système illustré présente aussi une ligne d'alimentation en gaz sous (haute) pression d'un moteur à gaz, par exemple un moteur de type MEGI (non illustré). Cette ligne d'alimentation part d'un réservoir 1. Elle est tout d'abord alimentée par une pompe immergée 50 qui alimente en liquide cryogénique (GNL) une conduite 51 pour le conduire vers une pompe haute pression 48. Le liquide sous haute pression est alors mené par une conduite 56 dans un vaporiseur 61, réalisant par exemple un échange thermique avec de la vapeur d'eau, pour produire de la vapeur (gaz naturel en phase gazeuse) sous haute pression pouvant alimenter alors un moteur de type MEGI par une conduite d'alimentation 62.
On remarque sur les figures la présence d'une dérivation 57 sur la conduite 56. Cette dérivation 57 va alimenter en liquide sous pression un deuxième échangeur 60 destiné à sous-refroidir du condensât sortant du premier échangeur 17 dans le circuit principal de l'unité de reliquéfaction 10. Ce deuxième échangeur 60, dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1, est ici prévu pour faire un échange de chaleur entre d'un côté le liquide sous pression de la conduite 56 alimentant le moteur MEGI (ou autre) et dérivé par la dérivation 57 et d'un autre côté le condensât se trouvant dans la conduite isolée 22 entre le premier échangeur 16 et la vanne de détente 30. À titre d'exemple numérique simplement illustratif et non limitatif, le liquide dérivé dans la dérivation 57 se trouve à environ -150°C en amont du deuxième échangeur 60 et ressort de ce dernier par exemple à -140°C. Dans la conduite isolée 22, le gaz condensé sortant du premier échangeur 17 passe quant à lui par exemple de -120°C à -135°C.
Dans la forme de réalisation de la figure 1, la régulation des flux dans la conduite 56 et la dérivation 57 est prévue à l'aide d'une vanne 55 placée sur la conduite 56 en amont de la dérivation 57 et d'une autre vanne 59 intégrée dans la dérivation 57 (illustrée en aval du deuxième échangeur 60 mais l'homme du métier comprend que cette vanne 59 pourrait de façon équivalente être disposée en amont de ce deuxième échangeur 60). Une vanne 58, à commande manuelle ou automatique, est également prévue entre les deux points de liaison de la dérivation 57 avec la conduite 56.
Enfin, on remarque sur la figure 1 (et les suivantes) la présence d'une jonction 52 munie d'une vanne 53 entre la conduite isolée 36 et la conduite 51. Cette jonction 52 permet de faire passer directement du liquide issu de l'unité de reliquéfaction 10 directement vers la conduite 51 et donc vers la pompe haute pression 48 sans repasser par un réservoir 1. Il est ainsi clairement possible de limiter les pertes de charges et les pertes thermiques.
La figure 2 illustre une variante de réalisation du système de la figure 1 avec deux modifications totalement indépendantes l'une de l'autre. Il est prévu ici tout d'abord, comme déjà évoqué plus haut, d'injecter le gaz comprimé dans la première unité de compression 3 dans le premier étage 11 du compresseur multi-étagé de l'unité de reliquéfaction. Ensuite, il est prévu de réaliser la régulation au niveau du deuxième échangeur 60 de chaleur d'une manière un peu différente. Au lieu d'ajuster les échanges dans l'échangeur en faisant varier les débits dans la dérivation 57 (figure 1), il est prévu ici de faire varier les débits traversant l'échangeur au niveau de la conduite isolée 22. On prévoit ainsi dans la forme de réalisation de la figure 2 de faite passer dans le deuxième échangeur 60 entre 0% et 100% du flux (mélange gaz et liquide) circulant dans la conduite isolée 22. Pour ce faire, une conduite de dérivation 66 vient court-circuiter le deuxième échangeur 60. Une vanne trois voies 65 est prévue en amont de l'échangeur pour réguler le flux de la conduite isolée 22 traversant le deuxième échangeur 60 et celui passant par la conduite de dérivation 66. D'autres moyens de régulation pourraient être envisagés (comme par exemple au niveau de la dérivation 57, avec une vanne en amont de la conduite de dérivation et une vanne dans la conduite de dérivation et/ou dans la branche de circuit contenant le deuxième échangeur). Dans cette forme de réalisation, il est prévu de pouvoir isoler aussi le deuxième échangeur 60 de la ligne d'alimentation du moteur MEGI (conduite 56). À cet effet, la forme de réalisation de la figure 2 prévoit simplement de munir chaque branche de la dérivation 57, une branche amont et une branche aval du deuxième échangeur 60, d'une vanne respectivement 64a et 64b, à commande manuelle ou contrôlée.
Dans la variante de réalisation de la figure 3, il est prévu de simplifier la structure du premier échangeur 17 (cette simplification pourrait être également proposée dans les autres variantes de réalisation de l'invention). Ici la conduite de liaison 35 entre le ballon 40 et le collecteur 2 ne passe plus par le premier échangeur 17 dont la structure est de ce fait simplifiée. Grâce aux échanges réalisés au sein du deuxième échangeur 60, il est possible d'obtenir une bonne reliquéfaction des gaz évaporés dans l'unité de reliquéfaction 10 avec un premier échangeur 17 de structure plus simple et donc de prix de revient réduit.
Dans la forme de réalisation de cette figure 3, une autre régulation des flux dans la dérivation 57 est proposée. Dans cette variante, une vanne 63 est disposée entre les deux points de liaison de la dérivation 57 avec la conduite 56 de la ligne d'alimentation du moteur (non représenté).
Sur la figure 4, il est prévu de faire passer tout le gaz évaporé récupéré dans les réservoirs 1 par le collecteur 2 tout d'abord dans la première unité de compression 3 puis dans l'unité de reliquéfaction 10.
Les figures 5 et 6 illustrent des formes de réalisation mettant en œuvre un troisième échangeur 70 de chaleur pour refroidir le gaz entrant dans la boucle ouverte de réfrigération de l'unité de reliquéfaction 10. L'échange est ici réalisé entre le liquide de la ligne 56 et le gaz comprimé et déjà partiellement refroidi de la conduite dérivée 18.
Dans la forme de réalisation de la figure 5, le troisième échangeur 70 est monté en parallèle avec le deuxième échangeur 60 tandis que dans la forme de réalisation de la figure 6, le troisième échangeur 70 est monté en série avec le (et en aval du) deuxième échangeur 60.
La figure 7 propose une forme de réalisation dans laquelle quatre échangeurs 80a-d de chaleur sont prévus en divers endroits du circuit principal de l'unité de reliquéfaction 10 pour refroidir le gaz avant de le liquéfier. L'échangeur 80a est ici destiné à refroidir le gaz comprimé dans le premier étage 11 du compresseur multi-étagé avant qu'il ne rentre dans le deuxième étage 12 de ce compresseur. L'échangeur 80b est disposé de manière similaire entre le deuxième étage 12 et le troisième étage 13. Un autre échangeur 80c est disposé en aval du compresseur multi-étagé, avant ou après le refroidisseur intermédiaire 16 et avant le premier échangeur 17. Enfin, il est proposé ici de disposer également un échangeur de chaleur 80d sur la conduite de liaison 35 pour refroidir le gaz retournant vers le collecteur 2.
Cette forme de réalisation se veut illustrative (et non limitative) des diverses possibilités de positionnement d'échangeurs alimentés par du liquide cryogénique sous haute pression. Ces échangeurs peuvent être au nombre de quatre, ou bien plus, ou bien moins. Ils sont de préférence montés en parallèle comme illustré, les échangeurs 80n formant un système d'échange monté en série avec le deuxième échangeur 60. D'autres montages (série ou parallèle) peuvent être envisagés. On peut aussi prévoir des échangeurs sur le circuit de refroidissement en boucle ouverte.
Enfin la figure 8 est jointe pour illustrer que le liquide sous pression dans la conduite 56 peut également être utilisé, partiellement, pour refroidir d'autres éléments au sein d'un système de refroidissement 90 à bord du navire. Le liquide utilisé pour le système de refroidissement 90 est de préférence disposé en aval du deuxième échangeur 60 de telle sorte que le liquide de la conduite 56 prélevé dans la dérivation 57 serve prioritairement à un refroidissement au niveau de l'unité de reliquéfaction 10. Le système de refroidissement peut être par exemple une unité de climatisation, de froid industriel, ....
Les variantes proposées dans les diverses formes de réalisation peuvent être combinées de diverses manières pour réaliser d'autres formes de réalisation selon la présente invention mais non illustrées.
Le système proposé ici réalise une coopération entre une unité de liquéfaction et une alimentation en gaz à haute pression, par exemple pour l'alimentation d'un moteur de type MEGI. Une synergie est créée entre ces deux sous-systèmes, l'un ayant des besoins en froid pour liquéfier un gaz et l'autre nécessitant de l'énergie pour vaporiser du liquide à haute pression. Le système proposé permet de limiter les besoins en froid à fournir pour réaliser la reliquéfaction de gaz évaporé et à la fois de limiter les besoins énergétiques pour obtenir un gaz à haute pression pour alimenter un moteur (moteur MEGI ou autre système fonctionnant avec du gaz sous haute pression).
Le système proposé ici est particulièrement bien adapté à une unité de reliquéfaction présentant une boucle ouverte de gaz réfrigérant correspondant au gaz réfrigéré avec une production de froid à deux températures différentes, une température d'environ -120°C en sortie de la turbine de détente et une température d'environ -160°C en sortie de la vanne de détente.
Le système est indépendant des moteurs se trouvant à bord du navire et qui sont alimentés par le gaz évaporé. On peut avoir deux types de moteurs à gaz différents, l'un étant alimenté par la ligne d'alimentation haute pression et l'autre par le gaz évaporé comprimé par la première unité de compression. Le système permet aussi, à partir du gaz évaporé, indépendamment de toute autre source de froid extérieure, de réaliser une liquéfaction.
Dans la dérivation créée sur la ligne d'alimentation en gaz sous haute pression, la production de froid peut être adaptée à la charge de l'unité de reliquéfaction et peut être régulée sur une large plage.
Le système proposé ne nécessite pas d'unité de traitement d'azote ou similaire. Sa structure est simplifiée par l'utilisation d'un gaz réfrigérant de même nature que le gaz à réfrigérer et à liquéfier et qui sert en outre de carburant à un moteur (ou similaire).
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation des systèmes et procédés décrits ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs mais elle concerne également toutes les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de traitement d'un gaz issu de l'évaporation d'un liquide cryogénique et d'alimentation en gaz sous pression d'un moteur à gaz, ledit système comportant, d'une part, d'amont en aval, une unité de rellquéfaction (10) avec des moyens de compression (11, 12, 13), un premier échangeur (17) de chaleur et des moyens de détente (30), et, d'autre part, une ligne d'alimentation en gaz sous pression comportant d'amont en aval une pompe (48) pour mettre du liquide sous pression et des moyens de vaporisation (61) sous haute pression, caractérisé en ce que la ligne d’alimentation en gaz sous pression présente, en amont des moyens de vaporisation (61), une dérivation (57) pour alimenter un deuxième échangeur (60) de chaleur entre, d’une part, du liquide sous pression de la ligne d’alimentation (56) et, d'autre part, une ligne (22) de l’unité de reliquéfaction (10) en aval du premier échangeur (17) de chaleur et en amont des moyens de détente (30).
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détente comportent une vanne de détente (30) débouchant dans un ballon (40) destiné à recevoir, d'une part, le liquide formé par une détente de gaz dans la vanne de détente (30) et, d'autre part, une fraction de gaz non liquéfiée.
  3. 3. Système selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'unité de reliquéfaction comporte en aval des moyens de compression (11. 12. 13) une dérivation vers une boucle comportant de seconds moyens de détente (14), et en ce que la boucle rejoint le circuit en amont des moyens de compression (11, 12, 13) après avoir traversé le premier échangeur (17) de chaleur à contresens par rapport à la fraction de gaz du circuit non dérivée par la boucle,
  4. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de compression comportent plusieurs étages de compression (11, 12, 13) avec chacun une roue de compression, en ce que les seconds moyens de détente comportent une turbine de détente (14), et en ce que chaque roue de compression et la turbine de détente (14) sont associées à une même transmission mécanique (15).
  5. 5. Système selon l’une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un troisième échangeur (70) de chaleur entre du liquide sous pression dérivé de la ligne d’alimentation (56) et du gaz entre les moyens de compression (11, 12, 13) et les seconds moyens de détente (14).
  6. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que Se troisième échangeur (70) est monté en parallèle du deuxième échangeur (60).
  7. 7. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le troisième échangeur (70) est monté en série avec le deuxième échangeur (60).
  8. 8. Système selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la dérivation (57) alimente en aval du deuxième échangeur (60) un système de refroidissement.
  9. 9. Navire, notamment méthanier, propulsé par un moteur à gaz, caractérisé en ce qu'il comporte un système de traitement d'un gaz issu de l'évaporation d'un liquide cryogénique et d'alimentation en gaz sous pression d'un moteur à gaz selon l'une des revendications 1 à 8.
  10. 10. Procédé de traitement d’un flux de gaz issu de l'évaporation d'un liquide cryogénique et d'alimentation d’un moteur en gaz à haute pression, ledit flux de gaz étant tout d'abord comprimé puis refroidi au sein d'un premier échangeur (17) de chaleur avant d'être détendu de telle sorte qu'une fraction de gaz se reliquéfie, et l'alimentation en gaz sous haute pression étant réalisée en mettant sous pression du liquide cryogénique puis en le vaporisant, caractérisé en ce qu’après sa compression, le flux de liquide sous pression est séparé en une première partie de flux de liquide et une seconde partie de flux de liquide, en ce que la première partie du flux de liquide est utilisée pour refroidir du gaz comprimé avant sa détente au sein d'un deuxième échangeur (60), et en ce que la seconde partie du flux du liquide reçoit la première partie du flux de liquide après que cette dernière ait refroidi du gaz comprimé, l'ensemble du flux liquide étant ensuite vaporisé.
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