FR3051457A1 - Systeme de stockage et de fourniture de liquide cryogenique - Google Patents

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Abstract

Système de stockage et de fourniture de liquide cryogénique comprenant un réservoir (2) configuré pour stocker un mélange de liquide et de gaz, une conduite (3) de fourniture de liquide reliée au réservoir et munie d'au moins une vanne (4) pour prélever du liquide du réservoir (2), un dispositif (5) d'augmentation de la pression au sein du réservoir par réchauffage du mélange de fluides dans le réservoir, caractérisé en ce que le réservoir (2) comprend une barrière (6) flottante située sur la surface supérieure de la phase liquide stockée dans le réservoir (2), la barrière (6) comprenant un matériau isolant thermique pour limiter les échanges de chaleur entre les phases liquides et gazeuses

Description

L’invention concerne un système de stockage et de fourniture de liquide cryogénique. L’invention concerne plus particulièrement un système de stockage et de fourniture de liquide cryogénique comprenant un réservoir configuré pour stocker un mélange de liquide et de gaz, une conduite de fourniture de liquide reliée au réservoir et munie d’au moins une vanne pour prélever du liquide du réservoir, un dispositif d’augmentation de la pression au sein du réservoir par réchauffage du mélange de fluides dans le réservoir. L’invention concerne les installations de stockage et d’approvisionnement de fluide liquéfié, notamment de gaz naturel.
Il est connu de stocker du fluide liquéfiée sous la forme d’un mélange cryogénique liquide/gaz. Pour approvisionner un utilisateur en liquide cryogénique stocké dans un tel récipient (par exemple un véhicule) il est connu d’utiliser une pompe. L’utilisation d’une pompe cryogénique présente cependant des inconvénients comme le coût de telles pompes et leur temps relativement long de mise en froid.
Une autre solution connue utilise un dispositif d’augmentation de pression (« Pressure Builder ») pour assurer le transfert de liquide. Il peut être prévu également un système de refroidissement du fluide dans le réservoir (cf. par exemple US2012/0048881A1).
Ces installations peuvent générer des pertes thermiques qui augmentent le coût global et altèrent le bon fonctionnement du système.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le système selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le réservoir comprend une barrière flottante située sur la surface supérieure de la phase liquide stockée dans le réservoir, la barrière comprenant un matériau isolant thermique pour limiter les échanges de chaleur entre les phases liquides et gazeuses.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la barrière est souple, - la barrière est constituée au moins en partie de plastique, - la barrière comprend une pluralité de sphères, - les sphères sont creuses et contiennent une quantité de gaz tel que l’un au moins parmi : de l’air, de l’azote, du méthane, un vide, - les sphères ont un diamètre compris entre 15mm et 50mm, - la barrière a une épaisseur comprise entre 20mm et 100mm, - l’extrémité supérieure du réservoir comprend une paroi de séparation délimitant verticalement deux portions de volume au sein du réservoir, ladite paroi de séparation comprenant au moins une ouverture ménageant une communication gazeuse limitée entre les eux portions pour favoriser une stratification des gaz selon leur température dans les deux portions, - le dispositif d’augmentation de la pression au sein du réservoir comprend un organe de réchauffage tel qu’un vaporiseur et/ou un réchauffeur électrique et un circuit de fluide comprenant au moins une conduite de prélèvement de liquide reliée au réservoir et à l’organe de réchauffage pour transférer du fluide à réchauffer du réservoir vers de l’organe de réchauffage et au moins une conduite de retour pour renvoyer du fluide réchauffé par l’organe de réchauffage vers le réservoir, - le dispositif comprend un organe de refroidissement du fluide stocké dans le réservoir, - l’organe de refroidissement du fluide stocké dans le réservoir comprend une boucle de circulation de fluide de refroidissement en échange thermique avec réservoir et notamment en échange thermique avec le liquide stocké dans le réservoir, - le dispositif comporte une conduite de récupération de vapeurs de fluide du même type que celui stocké dans le réservoir ladite conduite de récupération comprenant une portion en échange thermique avec l’organe de refroidissement, - le dispositif comporte une conduite de fourniture de liquide reliée au réservoir et munie d’au moins une vanne pour prélever du liquide du réservoir vers un utilisateur, la conduite récupération étant reliée à une conduite fourniture pour transférer du fluide ayant été refroidi par échange thermique avec l’organe de refroidissement, - la conduite récupération est reliée à une conduite fourniture via un stockage tampon et éventuellement un dispositif venturi, - le dispositif d’augmentation de la pression comprend un organe de pilotage électronique programmable à stockage et traitement de données configuré pour réaliser une ou des augmentations de la pression dans le réservoir à un niveau déterminé à des instants déterminés. L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en élévation, schématique et partielle, illustrant un premier exemple de réalisation de l’invention - la figure 2 représente une vue en élévation, schématique et partielle, illustrant un second exemple de réalisation de l’invention, - la figure 3 représente une vue en élévation, schématique et partielle, illustrant un troisième exemple de réalisation de l’invention.
Le système 1 de stockage et de fourniture de liquide cryogénique illustré à la figure 1 comprend réservoir 2 configuré pour stocker un mélange de liquide et de gaz. Classiquement le réservoir 2 peut être un réservoir à double paroi isolé sous vide. L’installation comprend une conduite 3 de fourniture de liquide reliée au réservoir 2 et munie d’au moins une vanne 4 pour prélever du liquide du réservoir 2 vers un utilisateur. L’installation 1 comprend également un dispositif 5 d’augmentation de la pression au sein du réservoir par réchauffage du mélange de fluides dans le réservoir.
Par exemple, le dispositif 5 d’augmentation de la pression au sein du réservoir comprend un organe de réchauffage tel qu’un vaporiseur et/ou un réchauffeur électrique et un circuit de fluide comprenant au moins une conduite 9 de prélèvement de liquide reliée au réservoir 2 et à l’organe de réchauffage pour transférer du fluide à réchauffer du réservoir 2 vers de l’organe de réchauffage et au moins une conduite 10, 11 de retour pour renvoyer du fluide réchauffé par l’organe de réchauffage vers le réservoir 2.
Comme illustré également, l’installation comprend en outre de préférence un organe 13 de refroidissement du fluide stocké dans le réservoir 2. Par exemple, une boucle de circulation de fluide de refroidissement (azote liquide ou autre) est en échange thermique avec réservoir 2 et notamment à l’intérieur avec le liquide 2 stocké dans le réservoir 2.
Selon une particularité avantageuse, le réservoir 2 comprend une barrière 6 flottante située sur la surface supérieure de la phase liquide stockée dans le réservoir 2. La barrière 6 comprenant un matériau isolant thermique pour limiter les échanges de chaleur entre les phases liquides et gazeuses.
La barrière 6 est de préférence souple. Par exemple, la barrière 6 peut être formée d’une pluralité de sphères isolantes indépendante ou reliées à une structure. Les sphères peuvent être constituées de l’un au moins des matériaux suivants : plastique ou tout autre matériau approprié.
Par exemple, les sphères peuvent être creuses et contiennent de façon étanche une quantité de gaz tel que l’un au moins parmi : de l’air, de l’azote, du méthane ou même du vide. L’utilisation de méthane ou d’azote permet le cas échéant de ne pas redouter une éventuelle fuite pouvant polluer le réservoir ou faire craindre un problème de sécurité.
Les sphères ont par exemple un diamètre compris entre 15mm et 50mm_et leur nombre est prévu pour que la barrière 6 ait une épaisseur comprise entre 20mm et 100mm. De préférence l’épaisseur de la barrière est au moins égale à trois fois le diamètre des sphères.
Cette barrière thermique sera avantageusement conçue (dimensionnée) de sorte que l’échange thermique entre les deux phases liquide et gaz soit équivalent aux entrées thermiques du réservoir dans la phase vapeur. Ceci permet une optimisation de la consommation de fluide de refroidissement 13 (azote liquide notamment) car la pression de la phase gazeuse est alors maintenue constante. Les entrées thermiques de cette phase gazeuse sont compensées par la condensation de vapeur entraînée par l’échange entre la phase liquide (sous refroidie) et la phase gazeuse.
Cette architecture permet de limiter les pertes thermiques et notamment la consommation de fluide de refroidissement dans le circuit 13.
Ceci permet de limiter les échanges thermiques entre la phase gazeuse (à une température d’environ -100 à -110°C par exemple) et phase liquide (environ -138°C par exemple) dans le réservoir.
Dans le cas d’un réservoir 2 stockant du gaz naturel liquéfié, le circuit 13 de refroidissement (notamment azote) peut être utilisé pour maintenir le gaz naturel liquide à température et une pression compatible avec son utilisation par les camions (pression de saturation de 9bar par exemple) en évitant ainsi de devoir relâcher du gaz vaporisé à l’atmosphère (« boil-off »).
Ainsi, après livraison de gaz liquéfié dans le réservoir 2 (gaz naturel typiquement à une température de -155°C), le dispositif 5 d’augmentation de pression (notamment vaporiseur atmosphérique avec éventuellement un réchauffeur électrique) permet le réchauffage de manière classique du gaz liquéfié une pression de saturation de 9bar soit une température d’environ -138°C.
Ensuite, une régulation peut être mise en place pour maintenir du gaz liquéfié à cette température en utilisant le circuit 13 de refroidissement (échangeur interne par exemple).
Le dispositif 5 d’augmentation de pression peut ensuite être utilisé pour vaporiser du liquide dans le réservoir lorsque c’est nécessaire pour augmenter et réguler la pression dans le ciel gazeux du réservoir. Cette pression peut être régulée par exemple entre 10 et 20bar selon la vitesse de remplissage (soutirage) souhaitée au niveau de la conduite 3 de fourniture et selon les pertes de charge en ligne. Ceci permet d’approvisionner par exemple des véhicules par simple différence de pression sans utiliser de pompe. A cet effet, le système peut comporter un ou des capteurs 12, 14 de pression et/ou de température au sein du réservoir 2.
La variante de réalisation de la figure 2 se distingue de celle de la figure 1 en ce que l’extrémité supérieure du réservoir 2 comprend une paroi 7 interne de séparation délimitant verticalement deux portions de volume au sein du réservoir 2. Cette paroi 7 de séparation comprend au moins une ouverture 8 ménageant une communication gazeuse limitée entre les eux portions pour favoriser une stratification des gaz selon leur température dans les deux portions. Ceci permet de limiter encore davantage les échanges entre phase gazeuse et liquide en évitant les phénomènes de convection par stratification de la phase vapeur.
Par exemple, l’ouverture a une surface 8 qui représente 1/10000 de la section du réservoir 2.
Le dispositif 5 d’augmentation de la pression peut comprendre ou être relié à un organe de pilotage électronique programmable à stockage et traitement de données (microprocesseur, automate, ordinateur) configuré pour réaliser une ou des augmentations de la pression dans le réservoir à un niveau déterminé à des instants déterminés.
Le ou les capteurs 12, 14 sont de préférence reliés à l’organe de pilotage électronique de l’installation et notamment au dispositif 5 d’augmentation de pression.
Par exemple, la station 1 peut être contrôlée selon un premier mode de fonctionnement dans lequel le dispositif 5 d’augmentation de la pression régule en permanence la pression du ciel gazeux dans le réservoir 2 à un niveau de pression déterminé (permettant part exemple de remplir les véhicules) sauf lorsque l’installation a des longues périodes d’inactivité (weekend par exemple) afin d’économiser de la puissance de refroidissement 13.
Lors de ces périodes d’inactivité, la température (et donc la pression) de la phase vapeur baissera par échange thermique avec la phase liquide sauf si les entrées thermiques du réservoir 2 ont supérieures. Il s’agira alors de prévoir en avance la remise en pression du ciel gazeux via le dispositif 5 d’augmentation de la pression (avant que les premiers utilisateurs n’arrivent). Pour cela et pour limiter ce temps de remontée en pression il est possible de dimensionner la taille des vaporiseurs, leur inertie thermique et la puissance du réchauffeur 5. A noter que le réchauffeur 5 peut avoir un rôle important en favorisant la circulation du liquide à travers la boucle et les vaporiseurs.
Selon un autre mode de fonctionnement possible, il peut être décidé de laisser retomber la pression dans le réservoir 2 à chaque fin de soutirage, à condition que la remise en pression ensuite via le réchauffeur 5 soit suffisamment courte pour ne pas faire attendre l’utilisateur suivant.
Par exemple, l’installation peut fonctionner en mode tout ou rien c'est-à-dire au lieu de faire réguler le dispositif 5 d’augmentation de la pression (réchauffeur) à une pression bien précise, ce dernier peut être activé (démarré) lorsque la pression dans le réservoir 2 aura trop baissée (en-dessous d’un seuil) et que la durée de soutirage est trop longue.
De manière avantageuse, on utilisera en priorité si cela est possible le fluide de refroidissement perdu (sous forme de vapeur) produit lors des remplissages (des camions par exemple) utilisant ce liquide cryogénique de refroidissement (ou les vapeurs froides générées par cette utilisation du fluide de refroidissement).
Le système peut avantageusement être utilisé comme une station de remplissage de réservoirs de gaz liquéfié (LNG notamment).
Dans la variante de la figure 3 (les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numérique set ne sont pas décrit à nouveau), le système (station de remplissage) peut être configurée pour récupérer des vapeurs chaudes de gaz d’un camion... A cet effet, des vapeurs de gaz (LNG) peuvent être récupérées par une conduite 15 de récupération. Ces vapeurs chaudes peuvent être condensées par échange thermique avec le circuit 13 de refroidissement (notamment dans un échangeur de chaleur).
Le gaz condensé peut être stocké dans un stockage 16 tampon puis transféré à la conduite 3 de fourniture via un système de vanne(s) 18 et éventuellement un venturi qui permet d’aspirer ce gaz liquéfié sur la ligne de fourniture.
Comme illustré à la figure 3, le réservoir 2 peut comporter plusieurs parois 7 internes de séparation délimitant verticalement deux portions de volume au sein du réservoir 2. Chaque paroi 7 peut notamment comprendre au moins une ouverture 8 ménageant une communication gazeuse limitée entre les deux portions pour favoriser une stratification des gaz selon leur température dans les deux portions. Comme illustré, cet ensemble de parois 7 et les orifices 8 correspondants peuvent notamment être configuré pour former des chicanes pour le gaz circulant entre les deux portions. C’est-à-dire que les orifices 8 des différentes parois 7 espacées sont décalés transversalement, le gaz doit ainsi serpenter pour atteindre l’extrémité supérieure du réservoir. Cet agencement peut s’appliquer bien sûr aux modes de réalisation précédents.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de stockage et de fourniture de liquide cryogénique comprenant un réservoir (2) configuré pour stocker un mélange de liquide et de gaz, une conduite (3) de fourniture de liquide reliée au réservoir et munie d’au moins une vanne (4) pour prélever du liquide du réservoir (2), un dispositif (5) d’augmentation de la pression au sein du réservoir par réchauffage du mélange de fluides dans le réservoir, caractérisé en ce que le réservoir (2) comprend une barrière (6) flottante située sur la surface supérieure de la phase liquide stockée dans le réservoir (2), la barrière (6) comprenant un matériau isolant thermique pour limiter les échanges de chaleur entre les phases liquides et gazeuses.
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la barrière (6) est souple.
  3. 3. Système selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la barrière (6) est constituée au moins en partie de plastique.
  4. 4. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la barrière (6) comprend une pluralité de sphères.
  5. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les sphères sont creuses et contiennent une quantité de gaz tel que l’un au moins parmi : de l’air, de l’azote, du méthane, un vide.
  6. 6. Système selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les sphères ont un diamètre compris entre 15mm et 50mm.
  7. 7. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la barrière (6) a une épaisseur comprise entre 20mm et 100mm.
  8. 8. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’extrémité supérieure du réservoir (2) comprend une paroi (7) de séparation délimitant verticalement deux portions de volume au sein du réservoir (2), ladite paroi (7) de séparation comprenant au moins une ouverture (8) ménageant une communication gazeuse limitée entre les eux portions pour favoriser une stratification des gaz selon leur température dans les deux portions.
  9. 9. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif (5) d’augmentation de la pression au sein du réservoir comprend un organe de réchauffage tel qu’un vaporiseur et/ou un réchauffeur électrique et un circuit de fluide comprenant au moins une conduite (9) de prélèvement de liquide reliée au réservoir (2) et à l’organe de réchauffage pour transférer du fluide à réchauffer du réservoir (2) vers de l’organe de réchauffage et au moins une conduite (10, 11) de retour pour renvoyer du fluide réchauffé par l’organe de réchauffage vers le réservoir (2).
  10. 10.Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend un organe (13) de refroidissement du fluide stocké dans le réservoir (2).
  11. 11.Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’organe (13) de refroidissement du fluide stocké dans le réservoir (2) comprend une boucle de circulation de fluide de refroidissement en échange thermique avec réservoir (2) et notamment en échange thermique avec le liquide (2) stocké dans le réservoir (2).
  12. 12.Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’il comporte une conduite (15) de récupération de vapeurs de fluide du même type que celui stocké dans le réservoir (2) ladite conduite (15) de récupération comprenant une portion en échange thermique avec l’organe (13) de refroidissement.
  13. 13.Système selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’il comporte une conduite (3) de fourniture de liquide reliée au réservoir (2) et munie d’au moins une vanne (4) pour prélever du liquide du réservoir (2) vers un utilisateur et en ce que la conduite (15) récupération est reliée à une conduite (3) fourniture pour transférer du fluide ayant été refroidi par échange thermique avec l’organe (13) de refroidissement.
  14. 14.Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que la conduite (15) récupération est reliée à une conduite (3) fourniture via un stockage tampon (16) et éventuellement un dispositif venturi (17).
  15. 15.Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le dispositif (5) d’augmentation de la pression comprend un organe de pilotage électronique programmable à stockage et traitement de données configuré pour réaliser une ou des augmentations de la pression dans le réservoir à un niveau déterminé à des instants déterminés.
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