FR3117536A1 - Procédé et installation de production d’énergie électrique à partir d’un courant d’hydrocarbures avec contrôle de la pression basse du fluide de travail - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de production d’énergie électrique à partir d’un courant d’hydrocarbures tel un courant de gaz naturel liquéfié, ledit procédé comprenant : a) introduction du courant d’hydrocarbures (10) dans un premier échangeur de chaleur (E1), b) introduction d’un fluide de travail (13) dans le premier échangeur (E1) et condensation dudit fluide de travail (13) par échange de chaleur avec le courant d’hydrocarbures (10) de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures réchauffé (11) à une première sortie (2) et un fluide de travail condensé (14) sous-refroidi à une deuxième sortie (3), c) introduction du fluide de travail condensé (14) dans un organe élévateur de pression (P1), d) introduction du fluide de travail pressurisé (15, 16) dans un deuxième échangeur de chaleur (E2) et vaporisation d’au moins une partie dudit fluide de travail pressurisé (15, 16), e) détente d’au moins une partie (17, 18) du fluide de travail au moins partiellement vaporisé dans un organe de détente (T1) coopérant avec un générateur électrique (G), f) réintroduction du fluide de travail (13) détendu dans le premier échangeur (E1). Selon l’invention, ledit procédé comprend en outre : g) préalablement à l’étape c), introduction du fluide de travail condensé (14) dans une capacité tampon (B2) de façon à y former une phase liquide (21), h) soutirage de la phase liquide (21) et élévation de la pression de la phase liquide (21) dans l’organe élévateur de pression (P1) de façon à former le fluide de travail pressurisé (15, 16), i) préalablement à l’étape e), prélèvement d’une fraction gazeuse (20) de ladite au moins une partie du fluide de travail au moins partiellement vaporisé (17, 18) et introduction de ladite fraction gazeuse (20) dans la capacité tampon (B2) de façon à y former un ciel gazeux (22), j) passage de la fraction gazeuse (20) dans un organe régulateur de débit (V1) dont une position détermine le débit de fraction gazeuse (20), k) mesure de la pression du ciel gazeux (22), l) ajustement de la position de l’organe régulateur de débit (V1) en fonction de la pression mesurée à l’étape k) de façon à augmenter le débit de fraction gazeuse (20) lorsque la pression mesurée est inférieure à une consigne de pression ou à réduire le débit de fraction gazeuse (20) lorsque la pression mesurée est supérieure à la consigne de pression. Figure pour l’abrégé : 2

Description

Procédé et installation de production d’énergie électrique à partir d’un courant d’hydrocarbures avec contrôle de la pression basse du fluide de travail
La présente invention concerne un procédé et une installation de production d’énergie électrique dans lequel un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel liquéfié est utilisé comme source de froid d’au moins un cycle de Rankine. Le procédé selon l’invention peut assurer la regazéification du courant d’hydrocarbures avec valorisation de son contenu frigorifique.
Il est d’usage que le gaz naturel issu de champs éloignés des lieux de consommation soit liquéfié avant d’être stocké à bord de navires spécialement adaptés, les méthaniers, pour être transporté sur de longues distances. En effet, le gaz naturel occupe, à l’état liquide, un volume plus petit pour une masse donnée et n’a pas besoin d’être stocké à une pression élevée.
Avant d’alimenter les réseaux de distribution, le gaz naturel liquéfié (GNL) doit être regazéifié, ou dit autrement revaporisé, à une pression de l’ordre de 10 à 110 bar selon les réseaux. Cette revaporisation s’effectue dans des terminaux méthaniers, généralement à température ambiante en échangeant de la chaleur avec de l’eau de mer, éventuellement de l’eau douce ou de mer chauffée au gaz naturel. Le contenu frigorifique du gaz naturel liquéfié n’est alors aucunement valorisé.
Il existe différentes méthodes pour générer de l’électricité à partir des frigories du gaz naturel liquéfié et ainsi valoriser son contenu énergétique.
Une méthode connue repose sur une expansion directe du gaz naturel. Le gaz naturel liquéfié est pompé à une pression supérieure à celle du réseau de distribution, vaporisé par échange de chaleur avec une source chaude telle que l’eau de mer, puis détendu jusqu’à la pression du réseau dans une turbine de détente associée à un générateur électrique.
D’autres méthodes reposent sur des cycles thermodynamiques utilisant un fluide intermédiaire, ou fluide de travail. Parmi ces méthodes, on connaît le cycle de Rankine, dans lequel un fluide de travail est vaporisé sous pression contre une source chaude telle que de l’eau de mer dans un échangeur de vaporisation, puis détendu dans une turbine couplée à un générateur électrique. Le fluide de travail détendu est ensuite condensé dans un échangeur de condensation contre du GNL qui est utilisé comme source froide du cycle. Il en résulte un fluide de travail liquide à basse pression qui est pompé et reconduit à haute pression dans le premier échangeur, fermant ainsi le cycle.
Si le cycle de Rankine peut fonctionner avec de l’eau comme fluide de travail pour des applications telles que la récupération de chaleur d’origine géothermique, l’utilisation de fluides organiques s’évaporant à basse température permet d’exploiter des sources froides à faible température. On parle alors de cycle organique de Rankine ou cycle ORC (pour Organic Rankine Cycle).
Selon le cas, le fluide de travail peut être condensé en tout ou partie dans l’échangeur de condensation.
Lorsque le fluide de travail est partiellement condensé, il est nécessaire d’en séparer la phase gazeuse de la phase liquide, puis de comprimer la phase gazeuse séparée et de la remélanger avec la phase liquide. Cette solution n’est pas idéale car elle requiert un compresseur supplémentaire. De plus, elle entraîne une perte d’efficacité énergétique liée à la montée en température engendrée par le mélange des phases ainsi qu’à l’énergie consommé par la compression du gaz, plus énergivore que la compression d’un liquide.
Lorsque le fluide de travail est totalement condensé et sort de l’échangeur de condensation à l’état liquide et sous-refroidi, il est nécessaire de mettre en œuvre une contre-pression gazeuse afin de contrôler la pression du fluide de travail au niveau du circuit à basse pression du cycle de Rankine.
En pratique, le fluide de travail condensé est introduit dans une capacité tampon reliée à une source extérieure de gaz inerte, par exemple de l’azote, afin de réguler la pression dans le ciel gazeux de la capacité. La phase liquide recueillie dans la capacité est soutirée et amenée vers la pompe pour former le fluide de travail condensé à haute pression. Le fluide de travail étant à l’état sous-refroidi dans la capacité, une partie du gaz de maintien en pression est continuellement condensée au contact du fluide de travail. Une quantité non-négligeable du gaz se retrouve dissoute dans la phase liquide de la capacité, ce qui modifie la composition du fluide de travail et dégrade les performances du cycle de Rankine.
La présente invention a pour but de résoudre tout ou partie des problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un procédé de génération d’électricité à partir d’un courant d’hydrocarbures permettant un contrôle amélioré de la pression du fluide de travail condensé à basse pression.
La solution selon l’invention est alors un procédé de production d’énergie électrique à partir d’un courant d’hydrocarbures tel un courant de gaz naturel liquéfié, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
  1. introduction du courant d’hydrocarbures dans un premier échangeur de chaleur,
  2. introduction d’un fluide de travail dans le premier échangeur de chaleur par une première entrée et condensation dudit fluide de travail par échange de chaleur avec le courant d’hydrocarbures de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures réchauffé à une première sortie du premier échangeur de chaleur et à obtenir un fluide de travail condensé sous-refroidi en sortie du premier échangeur de chaleur,
  3. introduction du fluide de travail condensé dans un organe élévateur de pression de façon à obtenir un fluide de travail pressurisé,
  4. introduction du fluide de travail pressurisé dans un deuxième échangeur de chaleur et vaporisation d’au moins une partie dudit fluide de travail pressurisé par échange de chaleur avec un premier courant chaud introduit dans le deuxième échangeur de chaleur de façon à obtenir un fluide de travail au moins partiellement vaporisé en sortie du deuxième échangeur de chaleur,
  5. détente d’au moins une partie du fluide de travail au moins partiellement vaporisé sortant du deuxième échangeur de chaleur dans un organe de détente coopérant avec un générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
  6. réintroduction du fluide de travail détendu à l’étape e) dans le premier échangeur de chaleur, caractérisé en ce que ledit procédé comprend en outre les étapes suivantes :
  7. préalablement à l’étape c), introduction du fluide de travail condensé dans une capacité tampon de façon à y former une phase liquide,
  8. soutirage de la phase liquide et élévation de la pression de la phase liquide dans l’organe élévateur de pression de façon à former le fluide de travail pressurisé,
  9. préalablement à l’étape e), prélèvement d’une fraction gazeuse de ladite au moins une partie du fluide de travail au moins partiellement vaporisé et introduction de ladite fraction gazeuse dans la capacité tampon de façon à y former un ciel gazeux,
  10. passage de la fraction gazeuse dans un organe régulateur de débit dont une position détermine le débit de fraction gazeuse introduit dans la capacité tampon,
  11. mesure de la pression du ciel gazeux au moyen d’un contrôleur de pression,
  12. ajustement de la position de l’organe régulateur de débit en fonction de la pression mesurée à l’étape l) de façon à augmenter le débit de fraction gazeuse lorsque la pression mesurée est inférieure à une consigne de pression ou à réduire le débit de fraction gazeuse lorsque la pression mesurée est supérieure à la consigne de pression.
Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
Le fluide de travail condensé et sous-refroidi sort du premier échangeur de chaleur à une température inférieure à -120 °C, de préférence comprise entre -130 et -155 °C.
Le rapport entre le débit de la fraction gazeuse et le débit du fluide de travail au moins partiellement vaporisé est inférieur à 5%, de préférence compris entre 0,1% et 2% (% volumique).
L’organe régulateur de débit comprend une vanne de détente dont l’ouverture détermine le débit de fraction gazeuse introduit dans la capacité tampon.
La fraction gazeuse est introduite dans le ciel gazeux de la capacité tampon.
Les étapes k) et l) sont réitérées périodiquement, de préférence à une période comprise entre 100 millisecondes et 1 seconde, de préférence comprise entre 200 et 500 millisecondes.
La valeur de pression prédéterminée est variable en fonction d’au moins un paramètre choisi parmi : une teneur d’un constituant du fluide de travail, la température du fluide de travail, la température du courant d’hydrocarbures, la température du premier courant chaud, le débit du fluide de travail.
Le procédé comprend, préalablement à l’étape d), une étape de réintroduction du fluide de travail pressurisé dans le premier échangeur de chaleur avec réchauffage, et éventuellement vaporisation d’au moins une partie, dudit fluide de travail pressurisé réintroduit par échange de chaleur avec le courant d’hydrocarbures et/ou le fluide de travail introduit à l’étape b) de façon à obtenir un fluide de travail pressurisé réchauffé à une troisième sortie du premier échangeur de chaleur.
Préalablement à l’étape e) de prélèvement de la fraction gazeuse, le fluide de travail au moins partiellement vaporisé sortant du deuxième échangeur de chaleur est introduit dans un dispositif séparateur et séparé d’une part en une phase gazeuse qui alimente l’organe de détente et d’autre part en une phase liquide qui est recueillie dans le dispositif séparateur.
Le fluide de travail comprend un mélange d’hydrocarbures, de préférence le mélange d’hydrocarbures contient au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’éthylène, le propylène, le butène, l’isobutane, éventuellement additionné d’au moins un composant additionnel choisi parmi l'azote, l’argon, l’hélium, le néon.
Le fluide de travail est un corps pur constitué d’un hydrocarbure choisi parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’éthylène, le propylène, le butène, l’isobutane.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une installation de production d’énergie électrique à partir d’un courant d’hydrocarbures tel le gaz naturel comprenant :
  • un premier échangeur de chaleur configuré pour mettre en relation d’échange de chaleur le courant d’hydrocarbures et un fluide de travail de façon à obtenir, en fonctionnement, un fluide de travail condensé sous-refroidi et un courant d’hydrocarbures réchauffé en sortie du premier échangeur de chaleur,
  • un organe élévateur de pression agencé en aval du premier échangeur de chaleur et configuré pour élever la pression du fluide de travail condensé de façon à obtenir un fluide de travail pressurisé,
  • un deuxième échangeur de chaleur configuré pour mettre en relation d’échange de chaleur le fluide de travail pressurisé et un premier courant chaud de façon à obtenir, en fonctionnement, un fluide de travail au moins partiellement vaporisé en sortie du deuxième échangeur de chaleur,
  • un organe de détente agencé en aval du deuxième échangeur de chaleur et configuré pour détendre au moins une partie du fluide de travail au moins partiellement vaporisé,
  • un générateur électrique relié à l’organe de détente, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre :
  • une capacité tampon comprenant des moyens d’introduction du fluide de travail condensé de façon à y former une phase liquide,
  • des moyens de soutirage de la phase liquide en communication fluidique d’une part avec la capacité tampon et d’autre part avec l’organe élévateur de pression,
  • un circuit de prélèvement configuré pour prélever une fraction gazeuse de ladite au moins une partie du fluide de travail au moins partiellement vaporisé et pour introduire ladite fraction gazeuse dans la capacité tampon de façon à y former un ciel gazeux,
  • un organe régulateur de débit agencé au niveau du circuit de prélèvement, ledit organe régulateur de débit étant ajustable en position et configuré pour réguler le débit de fraction gazeuse en fonction de la position qu’il occupe,
  • un contrôleur de pression configuré pour mesurer la pression du ciel gazeux et pour comparer la pression mesurée avec une valeur de pression prédéterminée,
  • une unité de contrôle-commande reliée ou intégrée au contrôleur de pression et/ou à l’organe régulateur de débit, l’unité de contrôle-commande étant configurée pour ajuster la position de l’organe régulateur de débit de façon à ajuster le débit de fraction gazeuse en fonction de la pression mesurée par le contrôleur de pression.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexés et décrites ci-après.
schématise un procédé selon un mode de réalisation de l’invention.
schématise un procédé selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Les Figures 1 et 2 schématisent un procédé de production d’électricité par récupération de froid à partir d’un courant d’hydrocarbures F utilisé comme courant froid, i. e. source froide, d’un cycle de Rankine. En particulier, le courant froid F peuvent être du gaz naturel liquéfié. Le cycle de Rankine est mis en œuvre dans au moins un dispositif d’échange de chaleur, qui peut être tout dispositif comprenant des passages adaptés à l’écoulement de plusieurs fluides et permettant des échanges de chaleur direct ou indirect entre lesdits fluides. Dans le cas illustré, le ou les dispositifs d’échange sont trois échangeurs de chaleur E1, E2, E3.
De préférence, les différents fluides du procédé circulent dans un ou plusieurs échangeurs de chaleur du type à plaques brasé, de préférence à plaques et ailettes brasé, et avantageusement formés d’aluminium. Ces échangeurs permettent de travailler sous des écarts de températures faibles et avec des pertes de charges réduites, ce qui améliore les performances énergétiques du procédé. Les échangeurs à plaques offrent aussi l’avantage d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange dans un volume limité.
Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de plusieurs séries de passages, les uns étant destinés à la circulation d’un fluide calorigène, en l’occurrence le fluide de travail du cycle, d’autres étant destinés à la circulation d’un fluide frigorigène, en l’occurrence le courant d’hydrocarbures tel le gaz naturel liquéfié à vaporiser. Les fluides du procédé qui sont mis en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques.
Des structures d’échange thermique, telles des ondes d’échange thermique ou ailettes, sont avantageusement disposées dans les passages de l’échangeur. Ces structures comprennent des ailettes qui s’étendent entre les plaques de l’échangeur et permettent d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur ainsi que d’assurer la tenue mécanique des passages de fluides.
Notons que d’autres types d’échangeurs peuvent toutefois être utilisés, tels des échangeurs à plaques, des échangeurs à tube et à calandre (« shell and tube » en anglais), ou des assemblages de type « core in kettle », c’est-à-dire des échangeurs à plaques ou à plaques et ailettes noyés dans une calandre dans laquelle se vaporise le fluide frigorigène. Dans le cas où les échangeurs sont des échangeurs à tubes, les passages peuvent être formés par les espaces dans, autour et entre les tubes.
De préférence, le premier échangeur E1 est du type à plaques ou à plaques et ailettes brasé, afin de pouvoir y faire circuler un nombre relativement important de courants de fluide distincts. Le deuxième échangeur E2, voire aussi le troisième échangeur E3 si présent sont du type à tube et à calandre ou du type évaporateur ORV (acronyme pour « open rack vaporizer » en anglais, également appelé regazéifieur à ruissellement d'eau).
Comme on le voit sur la , un courant de fluide de travail 13 est introduit dans le premier échangeur E1 à partir d’une première entrée 1 pour s’y condenser contre le courant d’hydrocarbures 10 introduit par une deuxième entrée 4 du premier échangeur E1. On obtient ainsi un courant d’hydrocarbures réchauffé 11 à une première sortie 2 du premier échangeur E1 et un fluide de travail au moins partiellement condensé 14 en sortie du premier échangeur E1. De préférence, le fluide de travail 14 est totalement condensé et sort de l’échangeur E1 à l’état liquide, c’est-à-dire à une température inférieure ou égale à sa température d’ébullition.
De préférence, le fluide de travail 13 est introduit par la première entrée 1 qui est située à un bout chaud 1a du premier échangeur E1 et présentant la température la plus élevée du premier échangeur E1. Le courant d’hydrocarbures 10 est introduit par une deuxième entrée 4 située à un bout froid 1b du premier échangeur E1. La deuxième entrée 4 présente la température la plus basse du premier échangeur E1. Le fluide de travail 13 est condensé dans un sens descendant et en direction du bout froid 1b, à contre-courant du courant d’hydrocarbures 10.
Par « bout froid », on entend le point d’entrée dans un échangeur où un fluide est introduit à la température la plus basse de toutes les températures de l’échangeur. Par « bout chaud », on entend le point d’entrée dans un échangeur où un fluide est introduit à la température la plus élevée de toutes les températures de cet échangeur.
Le fluide de travail 14 sort du premier échangeur E1 à l’état condensé et sous refroidi, c’est-à-dire à une température inférieure à son point d’ébullition Notons que le point d’ébullition, i. e. température d’ébullition ou point de bulle, désigne la température à laquelle les premières bulles de vapeur se forment dans un fluide à une pression donnée.
De préférence, le fluide de travail condensé et sous-refroidi 14 sort du premier échangeur de chaleur (E1) à une température inférieure à -120 °C, de préférence comprise entre -130 et -155 °C.
Après l’étape d’élévation de pression dans un organe élévateur de pression P1, tel une pompe, le fluide de travail au moins partiellement condensé 15 issu de présente une pression haute Ph.
Le fluide de travail pressurisé 15 est réintroduit dans le premier échangeur de chaleur E1 et réchauffé, par échange de chaleur avec le courant d’hydrocarbures 10 et/ou avec le fluide de travail 13. On obtient ainsi un fluide de travail réchauffé 16, de préférence vaporisé au moins en partie, à une troisième sortie 7 du premier échangeur de chaleur E1.
La réintroduction du fluide de travail 15 est particulièrement avantageuse quand le fluide de travail est mixte, i. e. est un mélange de plusieurs constituants, dans la mesure où ce type de fluide sort de l’échangeur à très basse température. Il est alors avantageux d’opérer une réintroduction des fluides condensés dans l’échangeur E1 afin de réchauffer et maximiser la température de sortie au bout chaud de l’échangeur et donc la production d’électricité lors de leur détente dans la turbine.
Le fluide de travail réchauffé 16 est réchauffé davantage dans un deuxième échangeur E2 dans lequel il est vaporisé au moins en partie par échange de chaleur avec un premier courant chaud C1 circulant dans le deuxième échangeur E2. De préférence, le fluide de travail 17 est totalement vaporisé et sort de l’échangeur E2 à une température égale à sa température de rosée, i. e. sa température de fin de vaporisation, ou légèrement surchauffé, i. e. à une température légèrement supérieure au point de rosée. Les termes « température de rosée » ou « point de rosée » désignent la température au-dessous de laquelle, à la pression considérée, la vapeur d'un élément gazeux, se condense. C’est la température à partir de laquelle la première goutte de liquide apparaît dans le fluide de travail.
Notons qu’il est possible que le fluide de travail pressurisé 15 soit introduit directement dans le deuxième échangeur E2 pour y être vaporisé sans passage préalable dans le premier échangeur E1 (non illustré).
En fonction des variations d’apport frigorifique du courant d’hydrocarbures, il est aussi envisageable que le fluide de travail 17 sorte de l’échangeur E2 partiellement condensé à une température légèrement inférieure à la température de rosée.
Le fluide de travail 17 issu du deuxième échangeur de chaleur E2 est détendu dans un organe de détente T1, de préférence une turbine, coopérant avec un générateur électrique G convertissant l’énergie cinétique produite par le fluide détendu en énergie électrique. Le fluide de travail 13 issu de la détente présente une pression basse Pb inférieure à Ph. Le ratio Ph/Pb peut être compris entre 3 et 7, de préférence entre 4 et 6.
De préférence, le premier courant chaud C1 circule à contre-courant du fluide de travail 16, ce qui permet de maximiser la température de sortie du fluide de travail 17 et donc de maximiser la puissance délivrée par les turbines durant la détente.
Après sa détente, le fluide de travail 13 est réintroduit dans le premier échangeur E1, ce qui ferme le cycle de Rankine.
Notons qu’il est possible que le fluide de travail 17 issu du deuxième échangeur de chaleur E2 présente une phase liquide. Dans ce cas, on peut éventuellement agencer au moins un dispositif séparateur de phases B1, tel un ballon séparateur, entre le deuxième échangeur E2 et la turbine T1. L’éventuelle phase liquide 19 est recueillie dans le fond du ballon et évacuée dans une conduite. La phase gazeuse 18 est récupérée en tête de ballon et envoyée vers la turbine T1. On s’assure ainsi de l’état gazeux du fluide envoyé à la turbine et de la fraction gazeuse prélevée. La illustre un tel arrangement d’un séparateur B1.
Egalement, le fluide de travail 13 issu de la détente peut éventuellement être à l’état diphasique et être introduit, avec ou sans séparation des phases liquide et gazeuse, dans le premier échangeur E1.
Selon l’invention, on fait circuler le fluide de travail condensé 14 sortant du premier échangeur de chaleur E1 à travers une capacité tampon B2, i. e. un réservoir tampon, avant de l’introduire dans l’organe élévateur de pression P1. Une fraction gazeuse 20 est prélevée à partir de ladite au moins une partie du fluide de travail au moins partiellement vaporisé 17, 18 pour être introduite dans la capacité tampon B2 et y former un ciel gazeux 22. De préférence, la fraction gazeuse 20 est introduite dans le ciel gazeux 22 de la capacité tampon B2.
Le ciel gazeux 22 surmonte une phase liquide 21 qui est formée en majeure partie du fluide de travail condensé 14 introduit dans la capacité B2 auquel s’ajoute une part de la fraction gazeuse 20 qui est condensée par échange de chaleur avec le fluide de travail sous-refroidi 14. La phase liquide 21 est soutirée de la capacité B2 et distribuée vers l’organe élévateur de pression P1 de façon à former le fluide de travail pressurisé 15, 16.
Pour maintenir la pression dans la capacité tampon B2, un débit de fraction gazeuse 20 est introduit dans la capacité B2. De préférence, le prélèvement et l’introduction de la fraction gazeuse a lieu en continu. Notons qu’il est aussi envisageable que cela soit fait par intermittence.
Un organe régulateur de débit V1 est agencé sur la trajet de la fraction gazeuse 20 avant son introduction dans la capacité B2 et en régule le débit suivant une valeur donnée qui est déterminée par une position occupée par l’organe V1. En fait, l’organe régulateur de débit peut occuper plusieurs positions, chacune déterminant un débit de distribution de la fraction gazeuse donné. Un déplacement de l’organe régulateur, i. e. une modification de sa position, modifie le débit de fraction gazeuse s’écoulant vers la capacité B2.
Un contrôleur de pression PC est relié à la capacité tampon 22 de façon à mesurer la pression du ciel gazeux 22. A partir de cette mesure, un signal de commande 6 est élaboré à destination de l’organe V1 de façon à ajuster sa position de la manière appropriée, c’est-à-dite de façon à augmenter le débit de fraction gazeuse 20 lorsque la pression mesurée est inférieure à une valeur de pression prédéterminée ou à réduire le débit de fraction gazeuse 20 lorsque la pression mesurée est supérieure à la valeur de pression prédéterminée.
La capacité tampon B2, grâce au volume supplémentaire qu’elle procure sur le circuit du fluide de travail, le flux de fraction gazeuse 20, le contrôleur de pression PC et l’organe régulateur de débit V1 de la fraction gazeuse 20, forment des moyens de contrôle du niveau basse pression du cycle de Rankine.
La présente invention permet d’avoir en permanence le débit de fraction gazeuse nécessaire et suffisant pour maintenir le fluide basse pression à sa consigne de pression, cette consigne étant définie en fonction des paramètres du procédé, notamment les niveaux de température, la composition des différents fluides, afin d’obtenir le meilleur rendement énergétique possible. Le fluide utilisé comme contre-pression gazeuse étant de même nature que le fluide de travail condensé 14, sa composition reste inchangée.
Notons que le débit de la fraction gazeuse 20 est suffisamment faible pour ne pas affecter de façon notable les performances énergétiques du procédé. De préférence, le rapport entre le débit de la fraction gazeuse 20 et le débit du fluide de travail au moins partiellement vaporisé 17, 18 est inférieur à 5%, de préférence compris entre 0,1% et 2 (% volumique).
Typiquement, l’organe régulateur de débit peut comprendre au moins un organe de détente, tel une vanne V1, par exemple une vanne à réglage proportionnel dont la position est commandée de manière à faire varier le débit s’écoulant en aval de l’organe. La vanne peut être pneumatique ou piézoélectrique, analogique ou numérique. De préférence, la vanne comprend une partie mobile, typiquement au moins un obturateur, qui est placé dans le débit de fluide et dont le déplacement permet de faire varier la section de passage et le débit de fluide.
En particulier, dans le cas où l’organe régulateur comprend une vanne régulatrice de débit V1, l’ouverture de la vanne est augmentée si la pression est inférieure à la consigne de pression ou l’ouverture de la vanne est diminuée si la pression est supérieure à la consigne de pression.
De préférence, à l’étape d’ajustement, la position de l’organe régulateur V1 est modifiée de façon à entraîner une variation du débit de fraction gazeuse d’un facteur allant de 0,1 à 10%, de préférence de 0,5 et 5%, de préférence encore de l’ordre de 1%, par rapport à sa valeur initiale. En d’autres termes, préalablement à l’étape d’ajustement, le débit présente une valeur initiale donnée et, à l’étape d’ajustement, il est modifié, dans un sens ou dans l’autre, d’un facteur allant de 0,1 à 10%, de préférence de 0,5 et 5%, de préférence encore de l’ordre de 1%, par rapport à la valeur initiale. Ces valeurs permettent un ajustement doux sans créer de perturbations violentes du procédé. L’ajustement peut être opéré par paliers ou de façon progressive.
Notons que la mesure de pression peut être réalisée par tout dispositif ou capteur de pression PC, de préférence un transmetteur de pression relative.
Avantageusement, le procédé de l’invention peut mettre en œuvre au moins une étape d’ajustement de la consigne de pression afin d’adapter le niveau de pression souhaité sur le circuit basse pression à une modification de paramètres opératoires du cycle de Rankine. En particulier, la consigne de pression peut varier en fonction d’au moins un paramètre choisi parmi : une teneur d’un constituant du fluide de travail, la température du fluide de travail, la température du courant d’hydrocarbures, la température du premier courant chaud, le débit du fluide de travail. La position de l’organe régulateur V1 est ajustée en conséquence. Si la consigne de pression augmente, la position de l’organe régulateur V1 est modifiée de façon à augmenter le débit de fraction gazeuse, en particulier la vanne s’ouvre davantage dans le cas où l’organe est une vanne régulatrice de débit. Si la consigne de pression diminue, la position de l’organe régulateur V1 est modifiée de façon à diminuer le débit de fraction gazeuse, en particulier la vanne se ferme davantage dans le cas où l’organe est une vanne régulatrice de débit.
Avantageusement, l’ajustement de la position de l’organe de détente est commandé par une unité de contrôle-commande (non illustrée) reliée électriquement ou électromagnétiquement au contrôleur de pression PC et/ ou à l’organe régulateur de débit. Elle peut aussi faire partie du contrôleur de pression lui-même. Le contrôleur de pression et/ou l’unité de contrôle-commande élabore un signal de commande 6 à destination de l’organe régulateur de débit afin d’ajuster la position de l’organe et modifier en conséquence le débit de fraction gazeuse.
En particulier, l’unité de contrôle-commande peut comprendre un système « DCS » pour « Distributed Control System » en anglais, c’est-à-dire un système de contrôle d'un procédé industriel comprenant une interface homme-machine pour la supervision et un réseau de communication numérique. Le système DCS comprend plusieurs contrôleurs modulaires qui commandent les sous-systèmes ou unités de l'installation globale, typiquement un ensemble d’équipements comprenant au moins l’un parmi un microcontrôleur, un microprocesseur, un ordinateur et configurés chacun pour assurer au moins : l’acquisition des données d’au moins un capteur de température, le contrôle d’au moins un actionneur relié à au moins un organe contrôleur de débit, la régulation et l’asservissement de paramètres, la transmission de données entre les différents équipements du système.
De préférence, les étapes de mesure de pression et/ou d’ajustement de la position de l’organe régulateur sont réitérées au cours du fonctionnement du procédé, de préférence à une période comprise entre 100 millisecondes et 1 seconde, de préférence comprise entre 200 et 500 millisecondes, ce qui permet de réguler la pression dans la capacité tampon de la manière la plus stable possible, sans réagir de manière trop forte à une sollicitation subite de faible durée.
Avantageusement, le courant d’hydrocarbures 10 est formé de gaz naturel, comprenant de préférence, en fraction molaire, au moins 60% de méthane (CH4), de préférence au moins 80%. Le gaz naturel peut éventuellement comprendre de l’éthane (C2H6), du propane (C3H8), du butane (nC4H10) ou de l’isobutane (iC4H10), de l’azote, de préférence dans des teneurs entre 0 et 10% (% molaire).
De préférence, le fluide de travail 13 comprend un mélange d’hydrocarbures, de préférence un mélange d’hydrocarbures contenant au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’éthylène (C2H4), le propylène, le butène, l’isobutane, éventuellement additionné d’au moins un composant additionnel choisi parmi l'azote, l’argon, l’hélium, le néon.
L’utilisation d’un fluide de travail mixte permet de diminuer les pertes énergétiques liées à l’irréversibilité des échanges de chaleurs entre fluides froids et chauds en réduisant les écarts de températures entre les courants froids et les fluides de travail en chaque point selon la longueur de l’échangeur.
En particulier, les proportions en fractions molaires des composants du mélange d’hydrocarbures peuvent être (% molaire) :
  • Méthane : 25 à 50 %, de préférence 30 à 45 %,
  • Propane : 10 à 45 %, de préférence 15 à 40 %,
  • Ethane ou éthylène : 20 à 45 %, de préférence 25 à 40 %,
  • Azote : 0 à 10 %.
Selon une autre possibilité, le fluide de travail peut être un corps pur constitué d’un hydrocarbure choisi parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’éthylène, le propylène, le butène, l’isobutane.
De préférence, le premier courant chaud C1 et/ou le deuxième courant chaud C2 sont formés d’eau de mer, de préférence à une température d’entrée dans l’échangeur supérieure à 0 °C, de préférence comprise entre 10 et 30 °C. Il est aussi envisageable que le premier courant chaud C1 et/ou le deuxième courant chaud C2 soit formés d’air ambient, typiquement à une température comprise entre -10 et 40 °C.
De préférence, le courant d’hydrocarbures (10) est un courant d’hydrocarbures liquéfié, tel un courant de gaz naturel liquéfié, introduit totalement liquéfié dans le premier échangeur (E1) à une température comprise entre -170 et -140 °C,
De préférence, le courant d’hydrocarbures réchauffé 11 sort du premier échangeur de chaleur E1 à l’état au moins partiellement vaporisé, à une température comprise entre -90 et -20 °C.
Selon une possibilité, illustrée dans les figures, le courant d’hydrocarbures réchauffé 11 sortant du premier échangeur de chaleur E1 peut être introduit dans un troisième échangeur de chaleur E3 pour y être réchauffé contre un deuxième courant chaud C2. On obtient en sortie du troisième échangeur de chaleur E3 un courant d’hydrocarbures totalement vaporisé 12 à une température supérieure ou égale à 2 °C, de préférence comprise entre 5 et 50 °C.
Selon une autre possibilité (non illustrée), il est possible que le deuxième échangeur E2 et le troisième échangeur E3 forment un même échangeur commun. Dans ce cas, au lieu d’être introduit dans le troisième échangeur E3 pour y être réchauffé contre le deuxième courant chaud C2, le courant d’hydrocarbures 11 est introduit dans le deuxième échangeur E2 pour y poursuivre son réchauffement contre le premier courant chaud C1, voire aussi contre le courant de fluide de travail 16.
Dans les configurations illustrées, les échangeurs forment des entités physiquement distinctes les unes des autres, i. e. formant chacun au moins un empilement distinct de plaques et de passages. Notons qu’il est également possible d’agencer certains des passages de fluide au sein d’un même empilement. Cela est envisageable en particulier avec des échangeurs du type à plaques brasés et permet de réduire la complexité et les coûts de fabrication de l’installation mettant en œuvre plusieurs cycle de Rankine combinés.

Claims (12)

  1. Procédé de production d’énergie électrique à partir d’un courant d’hydrocarbures tel un courant de gaz naturel liquéfié, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    a) introduction du courant d’hydrocarbures (10) dans un premier échangeur de chaleur (E1),
    b) introduction d’un fluide de travail (13) dans le premier échangeur de chaleur (E1) par une première entrée (1) et condensation dudit fluide de travail (13) par échange de chaleur avec le courant d’hydrocarbures (10) de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures réchauffé (11) à une première sortie (2) du premier échangeur de chaleur (E1) et à obtenir un fluide de travail condensé (14) sous-refroidi à une deuxième sortie (3) du premier échangeur de chaleur (E1),
    c) introduction du fluide de travail condensé (14) dans un organe élévateur de pression (P1) de façon à obtenir un fluide de travail pressurisé (15, 16),
    d) introduction du fluide de travail pressurisé (15, 16) dans un deuxième échangeur de chaleur (E2) et vaporisation d’au moins une partie dudit fluide de travail pressurisé (15, 16) par échange de chaleur avec un premier courant chaud (C1) introduit dans le deuxième échangeur de chaleur (E2) de façon à obtenir un fluide de travail au moins partiellement vaporisé (17) en sortie du deuxième échangeur de chaleur (E2),
    e) détente d’au moins une partie (17, 18) du fluide de travail au moins partiellement vaporisé sortant du deuxième échangeur de chaleur (E2) dans un organe de détente (T1) coopérant avec un générateur électrique (G) de façon à produire de l’énergie électrique,
    f) réintroduction du fluide de travail (13) détendu à l’étape e) dans le premier échangeur de chaleur (E1),
    caractérisé en ce que ledit procédé comprend en outre les étapes suivantes :
    g) préalablement à l’étape c), introduction du fluide de travail condensé (14) dans une capacité tampon (B2) de façon à y former une phase liquide (21),
    h) soutirage de la phase liquide (21) et élévation de la pression de la phase liquide (21) dans l’organe élévateur de pression (P1) de façon à former le fluide de travail pressurisé (15, 16),
    i) préalablement à l’étape e), prélèvement d’une fraction gazeuse (20) de ladite au moins une partie du fluide de travail au moins partiellement vaporisé (17, 18) et introduction de ladite fraction gazeuse (20) dans la capacité tampon (B2) de façon à y former un ciel gazeux (22),
    j) passage de la fraction gazeuse (20) dans un organe régulateur de débit (V1) dont une position détermine le débit de fraction gazeuse (20) introduite dans la capacité tampon (B2),
    k) mesure de la pression du ciel gazeux (22) au moyen d’un contrôleur de pression (PC),
    l) ajustement de la position de l’organe régulateur de débit (V1) en fonction de la pression mesurée à l’étape k) de façon à augmenter le débit de fraction gazeuse (20) lorsque la pression mesurée est inférieure à une consigne de pression ou à réduire le débit de fraction gazeuse (20) lorsque la pression mesurée est supérieure à la consigne de pression.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de travail condensé et sous-refroidi (14) sort du premier échangeur de chaleur (E1) à une température inférieure à -120 °C, de préférence comprise entre -130 et -155 °C.
  3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport entre le débit de la fraction gazeuse (20) et le débit du fluide de travail au moins partiellement vaporisé (17, 18) est inférieur à 5%, de préférence compris entre 0,1% et 2% (% volumique).
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’organe régulateur de débit (V1) comprend une vanne de détente dont l’ouverture détermine le débit de fraction gazeuse (20) introduit dans la capacité tampon (B2).
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fraction gazeuse (20) est introduite dans le ciel gazeux (22) de la capacité tampon (B2).
  6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes k) et l) sont réitérées périodiquement, de préférence à une période comprise entre 100 millisecondes et 1 seconde, de préférence comprise entre 200 et 500 millisecondes.
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur de pression prédéterminée est variable en fonction d’au moins un paramètre choisi parmi : une teneur d’un constituant du fluide de travail (13), la température du fluide de travail (13), la température du courant d’hydrocarbures (10), la température du premier courant chaud (C1), le débit du fluide de travail (13).
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend, préalablement à l’étape d), une étape de réintroduction du fluide de travail pressurisé (15) dans le premier échangeur de chaleur (E1) avec réchauffage, et éventuellement vaporisation d’au moins une partie, dudit fluide de travail pressurisé (15) réintroduit par échange de chaleur avec le courant d’hydrocarbures (10) et/ou le fluide de travail (13) introduit à l’étape b) de façon à obtenir un fluide de travail pressurisé (16) réchauffé à une troisième sortie (7) du premier échangeur de chaleur (E1).
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, préalablement à l’étape e) de prélèvement de la fraction gazeuse (20), le fluide de travail au moins partiellement vaporisé (17) sortant du deuxième échangeur de chaleur (E2) est introduit dans un dispositif séparateur (B1) et séparé d’une part en une phase gazeuse (18) qui alimente l’organe de détente (T1) et d’autre part en une phase liquide (19) qui est recueillie dans le dispositif séparateur (B1).
  10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de travail (13) comprend un mélange d’hydrocarbures, de préférence le mélange d’hydrocarbures contient au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’éthylène, le propylène, le butène, l’isobutane, éventuellement additionné d’au moins un composant additionnel choisi parmi l'azote, l’argon, l’hélium, le néon.
  11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le fluide de travail (13) est un corps pur constitué d’un hydrocarbure choisi parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’éthylène, le propylène, le butène, l’isobutane.
  12. Installation de production d’énergie électrique à partir d’un courant d’hydrocarbures (10) tel le gaz naturel comprenant :
    - un premier échangeur de chaleur (E1) configuré pour mettre en relation d’échange de chaleur le courant d’hydrocarbures (10) et un fluide de travail (13) de façon à obtenir, en fonctionnement, un fluide de travail condensé (14) sous-refroidi et un courant d’hydrocarbures réchauffé (11) en sortie du premier échangeur de chaleur (E1),
    - un organe élévateur de pression (P1) agencé en aval du premier échangeur de chaleur (E1) et configuré pour élever la pression du fluide de travail condensé (14) de façon à obtenir un fluide de travail pressurisé (15, 16),
    - un deuxième échangeur de chaleur (E2) configuré pour mettre en relation d’échange de chaleur le fluide de travail pressurisé (15, 16) et un premier courant chaud (C1) de façon à obtenir, en fonctionnement, un fluide de travail au moins partiellement vaporisé (17) en sortie du deuxième échangeur de chaleur (E2),
    - un organe de détente (T1) agencé en aval du deuxième échangeur de chaleur (E2) et configuré pour détendre au moins une partie (17, 18) du fluide de travail au moins partiellement vaporisé,
    - un générateur électrique (G) relié à l’organe de détente (T1),
    caractérisée en ce qu’elle comprend en outre :
    - une capacité tampon (B2) comprenant des moyens d’introduction du fluide de travail condensé (14) de façon à y former une phase liquide (21),
    - des moyens de soutirage de la phase liquide (21) en communication fluidique d’une part avec la capacité tampon (B2) et d’autre part avec l’organe élévateur de pression (P1),
    - un circuit de prélèvement configuré pour prélever une fraction gazeuse (20) de ladite au moins une partie du fluide de travail au moins partiellement vaporisé (17, 18) et pour introduire ladite fraction gazeuse (20) dans la capacité tampon (B2) de façon à y former un ciel gazeux (22),
    - un organe régulateur de débit (V1) agencé au niveau du circuit de prélèvement, ledit organe régulateur de débit (V1) étant ajustable en position et configuré pour réguler le débit de fraction gazeuse (20) en fonction de la position qu’il occupe,
    - un contrôleur de pression (PC) configuré pour mesurer la pression du ciel gazeux (22) et pour comparer la pression mesurée avec une valeur de pression prédéterminée,
    - une unité de contrôle-commande reliée ou intégrée au contrôleur de pression (PC) et/ou à l’organe régulateur de débit (V1), l’unité de contrôle-commande étant configurée pour ajuster la position de l’organe régulateur de débit (V1) de façon à ajuster le débit de fraction gazeuse (20) en fonction de la pression mesurée par le contrôleur de pression (PC).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS58106109A (ja) * 1981-12-18 1983-06-24 Chiyoda Chem Eng & Constr Co Ltd タ−ビンによるｌｎｇからの動力回収法
US20140260253A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Stephen K. Oney Thermal energy conversion system for regasification of cryogenic liquids
KR20190046081A (ko) * 2017-10-25 2019-05-07 두산중공업 주식회사 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템

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