WO2010040940A1 - Procede de regazeification du gaz naturel liquefie avec de l'air ambiant prealablement deshumidifie - Google Patents

Procede de regazeification du gaz naturel liquefie avec de l'air ambiant prealablement deshumidifie Download PDF

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natural gas
liquefied natural
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Herveline Robidou
Nicolas Bariteau
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Gea Batignolles Technologies Thermiques
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Definitions

  • the invention relates to a method for heating a fluid, especially a cryogenic fluid such as liquefied natural gas.
  • the invention particularly relates to a method for vaporizing liquefied natural gas according to which dehumidified ambient air is used as direct heat exchange fluid in a first air heat exchanger for heating said liquefied natural gas to a certain temperature.
  • the invention applies more particularly to a process intended to be implemented in vaporization or regasification terminals of liquefied natural gas (LNG) in which liquefied natural gas arrives via LNG carriers in liquid form at a temperature of about -160 degrees Celsius ( 0 C) and at a pressure of about 1 bar.
  • LNG liquefied natural gas
  • the liquefied natural gas is pumped to increase its pressure to about 90 bar so that the liquefied natural gas is in liquid supercritical form at about -160 0 C and 90 bar.
  • the liquefied natural gas is then heated in a vaporization heat exchanger to a temperature of about + 2 ° C to vaporize it, that is to say transform it into natural gas. Natural gas is then transported by pipelines to the point of use.
  • a widespread process of liquefied natural gas vaporization is that of so-called SCV (Submerged Combustion Vaporizer) systems that use part of the natural gas as a source of combustion to heat and vaporize the liquefied natural gas.
  • SCV Submerged Combustion Vaporizer
  • patent document US 2005/0092263 discloses a vaporization process which consists in circulating the liquefied natural gas in a tubular heat exchanger immersed in a pool filled with water and burning some natural gas (up to 1.5% of production under the most extreme conditions) to heat the pool water to heat and vaporize liquefied natural gas.
  • the disadvantage of this process is that the combustion of natural gas releases into the atmosphere harmful and polluting products consisting of NO x , CO and CO 2 , and that its operating cost is high.
  • Patent document JP-2005344790 discloses a process for vaporizing liquefied natural gas in a heat exchanger using ambient air as a heat exchange fluid for heating natural gas, consisting in dehumidify the air upstream of the heat exchanger in an electric dehumidifier which reduces the formation of frost on the walls of the heat exchanger.
  • the electrical power necessary for the implementation of such a process is multiplied by about 5. This process also considerably increases the pressure drop on the air side, which requires a significant increase in the motorization of the ventilation system.
  • Patent document DE10052856 also discloses a storage container for cryogenic fluid, in particular liquid hydrogen, in which dehumidified ambient air is used for heating the cryogenic fluid.
  • the object of the invention is to propose a method for heating a fluid in which dehumidified ambient air is used as direct heat exchange fluid for heating the fluid in a heat exchanger and in which it is prevented or limited. the formation of ice or ice on the walls of the heat exchanger, in a simple and economical way.
  • Another object of the invention is to provide a method and a system for vaporizing a liquefied cryogenic fluid, especially liquefied natural gas, in which dehumidified ambient air is used as a direct heat exchange fluid for reheating the liquefied cryogenic fluid and vaporizing it, and in which the formation of frost or ice on the walls of the heat exchanger for the vaporization of the cryogenic fluid is prevented or limited simply and economically.
  • the subject of the invention is a process for vaporizing liquefied natural gas according to which dehumidified ambient air is used as direct heat exchange fluid in a first air heat exchanger for heating said liquefied natural gas.
  • the dehumidification of the ambient air consists of a lowering of the air temperature in a second air heat exchanger by a direct exchange of heat with said liquefied natural gas previously reheated in said first heat exchanger at least up to said certain temperature, said temperature being between about -10 degrees Celsius and -25 degrees Celsius.
  • the invention extends to a system specially designed for the implementation of such a process for vaporizing a cryogenic fluid, comprising a first air heat exchanger for heating said liquefied natural gas to a certain temperature by exchange. direct heat with ambient air previously dehumidified, characterized in that it further comprises a second air heat exchanger connected to the first air heat exchanger in series on the one hand through a circuit of said liquefied natural gas which leads said liquefied natural gas heated at said certain temperature from an outlet of the first heat exchanger to an inlet of the second heat exchanger and secondly through an air duct which conducts the dehumidified air leaving the second heat exchanger to an air inlet of the first heat exchanger, a first fan being disposed above the first air heat exchanger to draw air upwardly through the first air heat exchanger and a second fan being disposed at above the second air heat exchanger to draw air down through the second air heat exchanger.
  • the system according to the invention may have the following particularities:
  • the system comprises at least two first air heat exchangers parallel to each other and connected in series with said second air heat exchanger through said fluid circuit and said air duct and in which valves are provided in said duct.
  • air and in said fluid circuit which are controlled by a control unit for circulating said fluid selectively between the second heat exchanger and alternately the first and the other heat exchanger so as to perform a deicing cycle alternately in the one and the other first exchanger;
  • said air duct is arranged to conduct cooled air leaving a first heat exchanger to an air inlet of the second heat exchanger, and in which another valve is provided in said air duct to regulate the mixture between the ambient air and the cooled air arriving at the inlet of the second heat exchanger, so as to always have identical air properties (temperature, humidity in particular) at the outlet of the second heat exchanger and therefore at the inlet of the first heat exchanger.
  • each first air heat exchanger comprises superposed horizontal tubes in which said fluid circulates with tubes in the upper part of the heat exchanger provided with external fins and tubes at the bottom of the heat exchanger without external fins, these horizontal tubes being further provided with a raised internal surface and / or are double-walled tubes;
  • the second heat exchanger comprises superposed horizontal tubes in which said fluid circulates, these tubes being provided with external fins and / or being double-walled tubes;
  • Figure 1 is a schematic representation of the principle of the vaporization system according to the invention.
  • Figure 2 shows schematically the air circuit of the vaporization system according to the invention.
  • Figure 3 shows schematically in section a heat exchanger for vaporizing the cryogenic fluid from the air.
  • Figure 4 schematically shows in section a heat exchanger for dehumidifying the air from the cryogenic fluid.
  • FIG. 1 schematically shows an example of a system according to the invention for vaporizing liquefied natural gas, but it is obvious that the system according to the invention could be used for heating or vaporizing another cryogenic or fluid fluid. refrigeration.
  • This system comprises a closed circuit 1 of natural gas in the form of cryogenic liquid at the inlet 1A and gas at the outlet 1B, both under high pressure. (circuit 1 shown in solid lines), an open circuit 2 of air ducted in the form of a wet ambient air flow at inlet 2A and dry air at outlet 2B (circuit 2 shown in dashed lines) and an open circuit 3 water in liquid form from dehumidification of the air and / or defrost air heat exchangers (circuit 3 shown in dashed lines).
  • the ambient air which is used as a direct heat exchange fluid for heating and vaporizing the liquefied natural gas that arrives at 1A at a temperature TO of about -160 ° C. and at a temperature of pressure of about 90 bar, is dehumidified beforehand through an air heat exchanger 4 which is connected in series, through the closed circuit of gas 1, to two other air heat exchangers 5 and 6 in each of which is carried out vaporization of liquefied natural gas.
  • the ambient air flow that arrives from the outside to the inlet 2A of the open circuit 2 of air is drawn downwards by a fan 14 through the exchanger 4 and is cooled to a temperature of +5 ° C by the effect of a heat exchange with the vaporized natural gas that enters the exchanger 4 at a temperature T1 of about -15 ° C.
  • This cooling of the ambient air has the effect of dehumidifying it and thus the air coming out of the bottom of the exchanger 4 has a relative humidity of about 100%.
  • dehumidification makes it possible to extract from the ambient air an absolute quantity of significant water if one considers that the ambient air arrives at 2A at a temperature of 10 ° C. and with a variable humidity rate according to the climate. and the season of the location of the spray system.
  • the vaporized natural gas is heated up to a temperature T2 of about + 2 ° C by the exchange of heat with the ambient air in the exchanger 4.
  • the temperatures of the natural gas (between T1 and T2) in the exchanger 4 to be high enough to keep a positive temperature on the outer surface of the exchanger 4 and thus do not create frost on the outer surface of the exchanger 4.
  • the condensed water drops of the cooled air are recovered in a retention tank 4C connected to the open circuit of water 3.
  • the air circuit 2 comprises a suitable duct represented by 2C, 2D, 2E for supplying the heat exchangers 5 and 6 with the dehumidified air leaving the exchanger 4.
  • the natural gas supercritical is heated by a direct thermal exchange, a temperature TO of -160 0 C at a temperature T1 between -10 0 C and -25 ° C, preferably at about -15 ° C, by dehumidified air which reaches about 5 ° C in the heat exchanger 5.6.
  • the vaporization system according to the invention can operate continuously with a single vaporization exchanger such as 5 and the exchanger 4 dehumidification without the presence of frost on the walls.
  • the tubes 5B of the exchanger in which the liquefied natural gas circulates are provided with external fins but to prevent the presence of frost, it is possible to provide that the tubes lower part of the exchanger are devoid of these external fins.
  • the two heat exchangers 5 and 6 are connected in parallel with the inlet 1A of the natural gas circuit by two gas lines 1C and 1D, each provided with a controlled valve 1OA and 10B. by an electronic control unit A.
  • the sections 2C and 2D of the air duct which are interposed between the air outlet of the exchanger 4 and each air inlet of the exchangers 5 and 6, are each equipped with a control valve 2OA and 2OB actuated by the control unit A.
  • the vaporization system according to the invention is preferably completely covered, and the valves 2OA, 2OB regulating the air flow can be designed as louvers whose opening and closing are controlled by the A steering unit.
  • FIG. 2 shows diagrammatically the air circuit 2 when the exchanger 5 is in vaporization mode and the exchanger 6 in defrosting mode.
  • the control unit A closes the valves 10B and 2OB (in FIG. 2, valve 2OB as "open” switch) and leaves the valves 10A and 2OA open (on the Figure 2, 2OA switch valve “Closed"), so as to direct the flow of air from the dehumidification exchanger 4 to the vaporization exchanger 5 (as indicated by the arrows in FIG. 2).
  • the exchanger 6 is then in a defrost mode because it is no longer crossed by the liquefied natural gas or the cooled air flow.
  • valves 10A and 2OA are closed by the control unit A while the valves 10B and 20B are open, the exchanger 6 is in a vaporization mode of the liquefied natural gas while the exchanger 5 is in a defrost mode with ambient air.
  • the air circuit is arranged so that the dehumidified air leaving the exchanger 4 is oriented by two pipes 2C, 2D respectively separated towards the exchanger 5 and towards the Exchanger 6.
  • These pipes may be metal pipes which are closed respectively on the bottom of the exchangers 4, 5 and 6.
  • the air flow in the air circuit 2 depends on the heat exchange surface available in the exchangers and can be for example between 1000 and 2000 tons / hour; the flow of liquefied natural gas can be of the order of 160 tonnes / hour.
  • water retention tanks 5C and 6C are provided respectively under the exchangers 5 and 6 to recover the thaw water. These retention tanks are connected to the water circuit 3 to allow the evacuation of the recovered water.
  • additional channels are provided in the air circuit 2 to deflect a part of the air flow leaving each exchanger 5 or 6 towards the inlet of the exchanger 4, this portion of the air flow being metered using a valve 30 (or louvers) actuated by the control unit A.
  • the ambient air used for defrosting can be drawn by reversing the direction of rotation of the fans 15, 16 allowing an air flow from the top to the bottom, or by natural convection.
  • an additional pipe 2K provided with a valve 40A, 40B (or shutters) controlled by the control unit A makes it possible to evacuate the ambient air, the valve 4OA being open when the exchanger 5 is defrost mode and closed when the exchanger is in vaporization mode.
  • All additional lines 2H, 21, 2J and 2K closed air circuit 2 can also be made of sheet metal.
  • the vaporization system may comprise two exchangers such as 4 for dehumidification which serve three vaporization exchangers such as 5 and 6, two of the three exchangers for gas vaporization still operating at the same time in a "vaporization" mode while the third operates in "defrost" mode.
  • the vaporization system may further comprise three exchangers for the dehumidification that serve four exchangers for gas evaporation, three of the four exchangers for vaporization still operating at the same time in a "vaporization" mode and the fourth in "defrost” mode. It is also possible to envisage a vaporization system operating with an exchanger such as 4 providing dehumidified air to several parallel exchangers such as 5 and 6.
  • FIG. 3 shows an example of an air heat exchanger such as 5, used for the vaporization of the liquefied natural gas (LNG) according to the invention and operating here in a countercurrent regime to the air flow, as is known as such in the art.
  • the direction of the dehumidified airflow drawn from the bottom upwards using the fan 15 is indicated by the arrows F.
  • the liquefied natural gas is injected at the top of the exchanger 5, at the temperature TO of about -160. 0 C, in nickel-enriched steel tubes 5B joined together in a horizontal beam, and spring from the bottom of the exchanger 5 in gaseous form at the temperature T1 of about -15 ° C.
  • the tubes 5B can be arranged to contain several liquefied natural gas circulation passes in order to improve the efficiency of the heat exchange.
  • the tubes 5B in the upper part of the exchanger are provided with circular outer fins 5D aluminum to increase the heat exchange surface and thus improve the heat exchange between air and natural gas. It is possible on the contrary that the tubes 5B which are located in the lower part of the exchanger in the direction of the air flow do not have external fins which limits the formation of frost. All tubes 5B may be provided with a raised internal surface (not shown) with internal fins or internal structures (so-called structured surface) to improve the heat exchange between the natural gas and the wall of the tubes.
  • the tubes 5B may also be double-walled tubes with an annular portion around an inner tube (not shown), the natural gas in liquid form circulating inside the inner tube and the vaporized natural gas (in gaseous form) flowing in the annular part. This makes it possible to limit the appearance of very negative temperatures on the surface of the outer fins 5D, which limits the propagation of the gel and limits the thermal stresses between the tube 5B and the outer fins 5D.
  • FIG 4 An example of an air heat exchanger such as 4, for the dehumidification of the ambient air. It comprises a bundle of tubes 4B made of nickel-enriched steel joined together in a horizontal beam. These tubes 4B are here all provided with external aluminum fins 4D to promote the exchange of heat but also to improve the drainage of the condensation water.
  • This exchanger 4 can be arranged to operate in co-current mode, as is known as such in the art.
  • the natural gas in gaseous form (NG) is injected at the top of the exchanger 4, at the temperature T1 of about -15 ° C. and emerges from the bottom of the exchanger 4 at the temperature T2 of approximately +2 ° C. vs.
  • NG natural gas in gaseous form
  • the air flow is drawn by the fan 14 from top to bottom of the exchanger.
  • the operation of the exchanger 4 in the co-current regime makes it possible to maintain a temperature of the walls of the tubes of the exchanger 4 always positive, even if in this case the heat efficiency of the exchanger 4 is slightly lower compared to an exchanger operating against the current.
  • the tubes 4B may be double-walled tubes in order to maintain a temperature of the walls of these positive tubes, and thus prevent the formation of frost on these walls, for T1 temperatures below -15 ° C of natural gas, up to -25 ° C.
  • the vaporization system according to the invention can be coupled to a vaporization system of a different type such as the SCV described above, in order to reduce the operating cost.
  • the annual operating cost can be reduced by more than 25% compared to a SCV type system that operates during the 12 months of the year.

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Abstract

Le procédé pour vaporiser du gaz naturel liquéfié consiste à utiliser de l'air ambiant préalablement déshumidifié comme fluide d'échange direct de chaleur dans un premier échangeur thermique à air (5) pour réchauffer ledit gaz naturel liquéfié jusqu'à une certaine température. La déshumidification de l'air ambiant consiste en un abaissement de la température de l'air dans un second échangeur thermique à air (4) par un échange direct de chaleur avec ledit gaz naturel liquéfié préalablement réchauffé dans ledit premier échangeur thermique (5) au moins jusqu'à ladite certaine température, ladite certaine température étant comprise entre environ -10 degrés Celsius et -25 degrés Celsius.

Description

Procédé de regazéification du gaz naturel liquéfié avec de l'air ambiant préalablement déshumidifié
L'invention concerne un procédé pour réchauffer un fluide, notamment un fluide cryogénique comme du gaz naturel liquéfié. L'invention concerne en particulier un procédé pour vaporiser du gaz naturel liquéfié selon lequel on utilise de l'air ambiant préalablement déshumidifié comme fluide d'échange direct de chaleur dans un premier échangeur thermique à air pour réchauffer ledit gaz naturel liquéfié jusqu'à une certaine température. L'invention s'applique plus particulièrement à un procédé destiné à être mis en œuvre dans des terminaux de vaporisation ou regazéification de gaz naturel liquéfié (GNL) dans lesquels du gaz naturel liquéfié arrive via des méthaniers sous forme liquide à une température d'environ -160 degrés Celsius (0C) et à une pression d'environ 1 bar. Au niveau d'un terminal de vaporisation, le gaz naturel liquéfié est pompé afin d'augmenter sa pression jusqu'à environ 90 bars de sorte que le gaz naturel liquéfié est sous une forme supercritique liquide à environ -1600C et 90 bars. Le gaz naturel liquéfié est alors réchauffé dans un échangeur thermique de vaporisation jusqu'à une température d'environ +2°C pour le vaporiser, c'est-à-dire le transformer en gaz naturel. Le gaz naturel est ensuite transporté par des gazoducs jusqu'à son lieu d'utilisation.
Un procédé très répandu de vaporisation de gaz naturel liquéfié est celui des systèmes dits SCV (Submerged Combustion Vaporizer) qui utilisent une partie du gaz naturel comme source de combustion afin de réchauffer et vaporiser le gaz naturel liquéfié. On connaît par exemple du document de brevet US 2005/0092263 un procédé de vaporisation qui consiste à faire circuler le gaz naturel liquéfié dans un échangeur thermique tubulaire immergé dans une piscine remplie d'eau et à brûler une partie du gaz naturel (jusqu'à 1.5% de la production dans les conditions les plus extrêmes) pour chauffer l'eau de la piscine de sorte à réchauffer et vaporiser le gaz naturel liquéfié. L'inconvénient de ce procédé est que la combustion du gaz naturel rejette dans l'atmosphère des produits nocifs et polluants constitués de NOx, de CO et de CO2, et que son coût d'exploitation est élevé.
Un autre procédé de vaporisation du gaz naturel liquéfié ne présentant pas cet inconvénient est connu en particulier du brevet US-7155917, dans lequel on réchauffe dans un premier échangeur thermique le gaz naturel liquéfié pour le vaporiser en utilisant un fluide intermédiaire sous forme liquide qui est transporté au moyen d'une pompe dans un circuit en boucle fermée. Le fluide intermédiaire refroidi dans cette étape est ensuite réchauffé dans un deuxième échangeur thermique par de l'air ambiant. L'inconvénient de ce procédé est que l'air est tellement refroidi dans le deuxième échangeur que l'eau contenue dans cet air se condense sur cet échangeur sous forme de givre ou de glace indésirable notamment en raison de sa propriété d'isolant thermique.
Pour éviter un arrêt complet de la vaporisation, il est connu, par exemple du document de brevet US-5390500, d'utiliser plusieurs échangeurs thermiques de vaporisation en fonctionnement alternatif, de sorte que pendant qu'un échangeur est actif (c'est-à-dire sert à vaporiser du gaz naturel), un ou plusieurs autres échangeurs sont en dégivrage. Cependant, ce type de système de vaporisation est redondant et onéreux parce qu'il utilise de l'air ambiant dont l'humidité n'est pas contrôlée et que la formation de givre est importante.
On connaît du document de brevet JP-2005344790 un procédé de vaporisation du gaz naturel liquéfié dans un échangeur thermique utilisant l'air ambiant comme fluide d'échange de chaleur pour réchauffer le gaz naturel, et qui consiste à déshumidifier l'air en amont de l'échangeur thermique dans un déshumidificateur électrique ce qui permet de diminuer la formation de givre sur les parois de l'échangeur thermique. Cependant, comparé à un procédé sans déshumidification, la puissance électrique nécessaire à la mise en œuvre d'un tel procédé est multipliée environ par 5. Ce procédé augmente en outre considérablement la perte de charge du coté de l'air, ce qui nécessite une augmentation importante de la motorisation du système de ventilation.
On connaît aussi du document de brevet FR2524623 un procédé pour refroidir de l'air ambiant jusqu'à très basse température en utilisant de l'azote liquide. Au cours de ce procédé, on réchauffe l'azote liquide par l'air ambiant préalablement déshumidifié.
On connaît aussi du document de brevet DE10052856 un récipient de stockage pour fluide cryogénique, en particulier de l'hydrogène liquide, dans lequel de l'air ambiant déshumidifié est utilisé pour réchauffer le fluide cryogénique. Le but de l'invention est de proposer un procédé pour réchauffer un fluide dans lequel on utilise de l'air ambiant préalablement déshumidifié comme fluide d'échange direct de chaleur pour réchauffer le fluide dans un échangeur thermique et dans lequel on empêche ou on limite la formation de givre ou de glace sur les parois de l'échangeur thermique, de façon simple et économique. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé et un système de vaporisation d'un fluide cryogénique liquéfié, notamment du gaz naturel liquéfié, dans lequel on utilise de l'air ambiant préalablement déshumidifié comme fluide d'échange direct de chaleur pour réchauffer le fluide cryogénique liquéfié et le vaporiser, et dans lequel on empêche ou on limite la formation de givre ou de glace sur les parois de l'échangeur thermique servant à la vaporisation du fluide cryogénique, de façon simple et économique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour vaporiser du gaz naturel liquéfié selon lequel on utilise de l'air ambiant préalablement déshumidifié comme fluide d'échange direct de chaleur dans un premier échangeur thermique à air pour réchauffer ledit gaz naturel liquéfié jusqu'à une certaine température, caractérisé en ce que la déshumidification de l'air ambiant consiste en un abaissement de la température de l'air dans un second échangeur thermique à air par un échange direct de chaleur avec ledit gaz naturel liquéfié préalablement réchauffé dans ledit premier échangeur thermique au moins jusqu'à ladite certaine température, ladite certaine température étant comprise entre environ -10 degrés Celsius et -25 degrés Celsius.
Avec ce procédé, on condense donc, sur le second échangeur thermique, une partie de l'eau contenue dans l'air ambiant par un processus naturel très efficace, économique et simple à mettre en œuvre. Avec le procédé selon l'invention, on peut réchauffer un fluide cryogénique, notamment du gaz naturel liquéfié d'une température d'environ -1600C à environ +2°C, sans rejet atmosphérique nocif ou polluant.
L'invention s'étend à un système spécialement conçu pour la mise en œuvre d'un tel procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique, comprenant un premier échangeur thermique à air pour réchauffer ledit gaz naturel liquéfié jusqu'à une certaine température par échange direct de chaleur avec de l'air ambiant préalablement déshumidifié, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second échangeur thermique à air relié au premier échangeur thermique à air en série d'une part à travers un circuit dudit gaz naturel liquéfié qui conduit ledit gaz naturel liquéfié réchauffé à ladite certaine température d'une sortie du premier échangeur thermique vers une entrée du second échangeur thermique et d'autre part à travers une canalisation d'air qui conduit l'air déshumidifié sortant du second échangeur thermique vers une entrée d'air du premier échangeur thermique, un premier ventilateur étant disposé au-dessus du premier échangeur thermique à air pour tirer l'air vers le haut à travers le premier échangeur thermique à air et un second ventilateur étant disposé au-dessus du second échangeur thermique à air pour puiser l'air vers le bas à travers le second échangeur thermique à air.
Le système selon l'invention peut présenter les particularités suivantes :
- le système comprend au moins deux premiers échangeurs thermiques à air parallèles entre eux et reliés en série audit second échangeur thermique à air à travers ledit circuit de fluide et ladite canalisation d'air et dans lequel il est prévu des vannes dans ladite canalisation d'air et dans ledit circuit de fluide qui sont commandées par une unité de pilotage pour faire circuler ledit fluide sélectivement entre le second échangeur thermique et alternativement l'un et l'autre premier échangeur thermique de façon à réaliser un cycle de dégivrage alternativement dans l'un et l'autre premier échangeur ; - ladite canalisation d'air est agencée pour conduire de l'air refroidi sortant d'un premier échangeur thermique vers une entrée d'air du second échangeur thermique, et dans lequel il est prévu une autre vanne dans ladite canalisation d'air pour réguler le mélange entre l'air ambiant et l'air refroidi arrivant à l'entrée du second échangeur thermique, de sorte à avoir toujours des propriétés de l'air identiques (température, humidité notamment) en sortie du second échangeur thermique et donc en entrée du premier échangeur thermique. Ceci permet de faire fonctionner le système de vaporisation sur des durées de cycles de dégivrage et de givrage toujours identiques et donc indépendantes des conditions ambiantes ;
- les vannes dans la canalisation d'air sont conçues comme des persiennes ; - chaque premier échangeur thermique à air comporte des tubes horizontaux superposés dans lequel circule ledit fluide avec des tubes en partie haute de l'échangeur thermique pourvus d'ailettes externes et des tubes en partie basse de l'échangeur thermique dépourvus d'ailettes externes, ces tubes horizontaux étant en outre pourvus d'une surface interne en relief et/ou sont des tubes à double paroi ;
- le second échangeur thermique comporte des tubes horizontaux superposés dans lequel circule ledit fluide, ces tubes étant pourvus d'ailettes externes et/ou étant des tubes à double paroi ;
- le fluide circule dans un premier échangeur à contre courant du flux d'air traversant ledit premier échangeur et le fluide circule dans ledit second échangeur de façon co-courante avec le flux d'air qui traverse ledit second échangeur. D'autres caractéristiques et avantages du procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation illustré par les dessins annexés.
La figure 1 est une représentation schématique de principe du système de vaporisation selon l'invention. La figure 2 montre schématiquement le circuit d'air du système de vaporisation selon l'invention.
La figure 3 montre schématiquement en coupe un échangeur thermique pour vaporiser le fluide cryogénique à partir de l'air.
La figure 4 montre schématiquement en coupe un échangeur thermique pour déshumidifier l'air à partir du fluide cryogénique.
Sur la figure 1 , on a représenté de façon schématique un exemple d'un système selon l'invention pour vaporiser du gaz naturel liquéfié mais il est évident que système selon l'invention pourrait être utilisé pour réchauffeur ou vaporiser un autre fluide cryogénique ou fluide frigorifique. Ce système comprend un circuit fermé 1 de gaz naturel sous forme de liquide cryogénique à l'entrée 1A et de gaz à la sortie 1 B, les deux sous haute pression (circuit 1 représenté en trait plein), un circuit ouvert 2 d'air canalisé sous forme d'un flux air ambiant humide en entrée 2A et d'air sec en sortie 2B (circuit 2 représenté en traits interrompus) et un circuit ouvert 3 d'eau sous forme liquide provenant de la déshumidification de l'air et/ou du dégivrage des échangeurs thermiques à air (circuit 3 représenté en pointillés).
Dans le procédé selon l'invention, l'air ambiant, qui est utilisé comme fluide d'échange direct de chaleur pour réchauffer et vaporiser le gaz naturel liquéfié qui arrive en 1A à une température TO d'environ -1600C et à une pression d'environ 90 bars, est préalablement déshumidifié à travers un échangeur thermique à air 4 qui est relié en série, à travers le circuit fermé de gaz 1 , à deux autres échangeurs thermiques à air 5 et 6 dans chacun desquels s'effectue la vaporisation du gaz naturel liquéfié.
Le flux d'air ambiant qui arrive de l'extérieur à l'entrée 2A du circuit 2 ouvert d'air est puisé vers le bas par un ventilateur 14 à travers l'échangeur 4 et est refroidi jusqu'à une température de +5°C par l'effet d'un échange de chaleur avec le gaz naturel vaporisé qui entre dans l'échangeur 4 à une température T1 d'environ -15°C. Ce refroidissement de l'air ambiant a pour conséquence de le déshumidifier et ainsi l'air qui sort par le bas de l'échangeur 4 comporte une humidité relative d'environ 100%. Une telle déshumidification permet d'extraire de l'air ambiant une quantité absolue d'eau importante si l'on considère que l'air ambiant arrive en 2A à une température de 100C et avec un taux d'humidité variable selon le climat et la saison du lieu où est implanté le système de vaporisation. Dans le même temps, le gaz naturel vaporisé est réchauffé jusqu'à une température T2 d'environ +2°C par l'échange de chaleur avec l'air ambiant dans l'échangeur 4. On choisit les températures du gaz naturel (entre T1 et T2) dans l'échangeur 4 pour être suffisamment élevées afin de garder une température positive sur la surface externe de l'échangeur 4 et donc ne pas créer de givre sur la surface externe de l'échangeur 4. On peut prévoir un échangeur 4 disposé horizontalement avec des tubes 4B à ailettes externes agencées pour drainer l'eau condensée provenant de l'air refroidi. Les gouttes d'eau de condensation de l'air refroidi sont récupérées dans un bac de rétention 4C raccordé au circuit ouvert d'eau 3.
Cette partie du système de vaporisation sert donc à réaliser une déshumidification de l'air ambiant par refroidissement de façon naturelle avec l'avantage que ce refroidissement sert aussi la fonction principale de vaporisation du gaz naturel liquéfié sans consommation excessive d'énergie. Le circuit d'air 2 comporte une canalisation adaptée représentée par 2C,2D,2E pour alimenter les échangeurs thermiques 5 et 6 avec l'air déshumidifié sortant de l'échangeur 4. Dans chacun de ces échangeurs thermiques 5 et 6, le gaz naturel supercritique est réchauffé par un échange thermique direct, d'une température TO de -1600C à une température T1 comprise entre -100C et -25°C, de préférence à environ -15°C, par l'air déshumidifié qui arrive à environ 5°C dans l'échangeur thermique 5,6. Cet échange de chaleur refroidit considérablement l'air qui traverse les échangeurs 5 et 6, cet air passant de 5°C et 100% d'humidité en entrée des échangeurs à environ -25°C et 0% d'humidité en sortie des échangeurs 5,6 et par conséquent à la sortie 2B du circuit d'air 2. Afin d'améliorer l'efficacité de l'échange de chaleur dans les échangeurs 5 et 6, on force la circulation du flux d'air par des ventilateurs 15, 16 qui augmentent le flux d'air tiré (vers le haut de l'échangeur) à travers les échangeurs et qui contrent la perte de charge statique globale du circuit d'air 2. Dans cette partie du système représenté figure 1 , l'air circule donc du bas vers le haut pour traverser les échangeurs 5 et 6 qui sont disposés horizontalement. On peut aussi prévoir de puiser l'air du haut vers le bas de l'échangeur par les ventilateurs 15,16. Si on dispose d'un air ambiant avec une température et/ou un taux d'humidité suffisants en entrée 2A, le système de vaporisation selon l'invention peut fonctionner en régime continu avec un seul échangeur de vaporisation tel que 5 et l'échangeur 4 de déshumidification sans présence de givre sur les parois. Pour favoriser l'échange de chaleur dans l'échangeur 5, les tubes 5B de l'échangeur dans lesquels circule le gaz naturel liquéfié sont munis d'ailettes externes mais pour empêcher la présence du givre, il est possible de prévoir que les tubes en partie basse de l'échangeur soient dépourvus de ces ailettes externes.
Si pour autant du givre apparaît en surface des tubes 5B,6B des échangeurs 5 et 6, on prévoit de faire fonctionner ces deux échangeurs selon un mode de « vaporisation » et selon un mode de « dégel ou dégivrage » respectivement de façon alternée. Comme visible sur la figure 1 , les deux échangeurs 5 et 6 sont reliés en parallèle à l'entrée 1A du circuit de gaz naturel par deux conduites de gaz 1 C et 1 D pourvues chacune d'une vanne 1 OA et 10B de régulation actionnée par une unité électronique de pilotage A. Par ailleurs, les tronçons 2C et 2D de la canalisation d'air qui sont interposés entre la sortie d'air de l'échangeur 4 et chaque entrée d'air des échangeurs 5 et 6, sont chacun pourvus d'une vanne 2OA et 2OB de régulation actionnée par l'unité de pilotage A. Le système de vaporisation selon l'invention est de préférence entièrement capoté, et les vannes 2OA, 2OB régulant le flux d'air peuvent être conçues comme des persiennes dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par l'unité de pilotage A.
On a représenté schématiquement sur la figure 2 le circuit d'air 2 lorsque l'échangeur 5 est en mode vaporisation et l'échangeur 6 en mode dégivrage. En mode de vaporisation du gaz liquéfié dans l'échangeur 5, l'unité de pilotage A ferme les vannes 10B et 2OB (sur la figure 2, vanne 2OB comme interrupteur «ouvert») et laisse ouvertes les vannes 10A et 2OA (sur la figure 2, vanne 2OA interrupteur «fermé»), de sorte à diriger le flux d'air de l'échangeur 4 de déshumidification vers l'échangeur 5 de vaporisation (comme indiqué par les flèches sur la figure 2). L'échangeur 6 se trouve alors dans un mode de dégivrage car il n'est plus traversé ni par le gaz naturel liquéfié ni par le flux d'air refroidi. Inversement, quand les vannes 10A et 2OA sont fermées par l'unité de pilotage A tandis que les vannes 10B et 2OB sont ouvertes, l'échangeur 6 est dans un mode de vaporisation du gaz naturel liquéfié tandis que l'échangeur 5 est dans un mode de dégivrage à l'air ambiant.
On comprendra donc que le circuit d'air, mieux représenté sur la figure 2, est agencé pour que l'air déshumidifié qui sort de l'échangeur 4 soit orienté par deux canalisations 2C,2D séparées respectivement vers l'échangeur 5 et vers l'échangeur 6. Ces canalisations peuvent être des canalisations en tôles qui viennent se fermer respectivement sur le bas des échangeurs 4, 5 et 6. Le débit d'air dans le circuit d'air 2 dépend de la surface d'échange thermique disponible dans les échangeurs et peut être par exemple compris entre 1000 et 2000 tonnes/heure ; le débit de gaz naturel liquéfié peut être de l'ordre 160 tonnes/heure.
Comme visible sur la figure 1 , des bacs de rétention d'eau 5C et 6C sont prévus respectivement sous les échangeurs 5 et 6 pour récupérer l'eau de dégel. Ces bacs de rétention sont raccordés au circuit d'eau 3 pour permettre l'évacuation de l'eau récupérée.
Afin de régler au mieux les temps de cycle de vaporisation et de dégivrage dans les échangeurs 5 et 6, il est important d'avoir une quantité d'eau identique et constante dans l'air déshumidifié qui arrive sur les échangeurs 5 et 6. Pour cela, on peut régler la température de l'air ambiant arrivant à l'entrée de l'échangeur 4, par exemple à une température constante de l'ordre de 100C, en le mélangeant de façon contrôlée avec l'air refroidi sortant des échangeurs 5 et 6. Pour cela, comme illustré sur les figures 1 et 2 par les références 2H, 21 et 2J, on prévoit des canalisations supplémentaires dans le circuit d'air 2 pour dévier une partie du flux d'air sortant de chaque échangeur 5 ou 6 vers l'entrée de l'échangeur 4, cette partie du flux d'air étant dosée à l'aide d'une vanne 30 (ou de persiennes) actionnée par l'unité de pilotage A.
Afin d'optimiser le dégivrage de l'échangeur 5 ou 6, l'air ambiant servant au dégivrage peut être puisé par inversion du sens de rotation des ventilateurs 15,16 permettant une circulation de l'air du haut vers le bas, ou par convection naturelle. Comme visible sur la figure 2, une canalisation supplémentaire 2K pourvue d'une vanne 40A,40B (ou de persiennes) commandée par l'unité de pilotage A permet d'évacuer l'air ambiant, la vanne 4OA étant ouverte lorsque l'échangeur 5 est mode dégivrage et fermée lorsque l'échangeur est en mode vaporisation. Il est aussi possible d'ajouter une batterie de réchauffage de l'air (non représentée) disposée soit au dessus de l'échangeur thermique 5,6 lorsque l'air circule de haut en bas, soit au dessous de l'échangeur thermique 5,6 lorsque l'air circule de bas en haut, afin d'accélérer la phase de dégivrage. Toutes les canalisations supplémentaires 2H, 21, 2J et 2K fermées du circuit d'air 2 peuvent également être réalisées en tôle.
Le fonctionnement en alternance des échangeurs 5 et 6 permet de ne pas interrompre le fonctionnement du système de vaporisation même en présence de givre. En fonction du temps de cycle lié au dégivrage (lequel est lié à la température de l'air ambiant extérieur), le système de vaporisation selon l'invention peut comprendre deux échangeurs tels que 4 pour la déshumidification qui servent trois échangeurs de vaporisation tels que 5 et 6, deux échangeurs sur les trois pour la vaporisation du gaz fonctionnant toujours en même temps dans un mode de « vaporisation » tandis que le troisième fonctionne en mode de « dégivrage ». Le système de vaporisation peut encore comprendre trois échangeurs pour la déshumidification qui servent quatre échangeurs pour la vaporisation du gaz, trois échangeurs sur les quatre pour la vaporisation fonctionnant toujours en même temps dans un mode de « vaporisation » et le quatrième en mode de « dégivrage ». On peut aussi envisager un système de vaporisation fonctionnant avec un échangeur tel que 4 fournissant un air déshumidifié à plusieurs échangeurs en parallèles tels que 5 et 6.
On a représenté sur la figure 3 un exemple d'un échangeur thermique à air tel que 5, servant à la vaporisation du gaz naturel liquéfié (GNL) selon l'invention et fonctionnant ici en régime contre-courant au flux d'air comme cela est connu en tant que tel dans la technique. Le sens du flux d'air déshumidifié tiré de bas en haut à l'aide du ventilateur 15 est indiqué par les flèches F. Le gaz naturel liquéfié est injecté en haut de l'échangeur 5, à la température TO d'environ -1600C, dans des tubes 5B en acier enrichi en nickel réunis en faisceau horizontal, et ressort par le bas de l'échangeur 5 sous forme gazeuse à la température T1 d'environ -15°C. Les tubes 5B peuvent être agencés pour contenir plusieurs passes de circulation du gaz naturel liquéfié afin d'améliorer l'efficacité de l'échange de chaleur.
Dans cet échangeur 5, les tubes 5B dans la partie supérieure de l'échangeur sont munis d'ailettes externes 5D circulaires en aluminium pour augmenter la surface d'échange thermique et donc améliorer les échanges thermiques entre l'air et le gaz naturel. Il est possible au contraire que les tubes 5B qui sont situés dans la partie inférieure de l'échangeur selon la direction du flux d'air n'aient pas d'ailettes externes ce qui limite la formation de givre. Tous les tubes 5B peuvent être pourvus d'une surface interne en relief (non représentée) avec des ailettes internes ou des structures internes (dites surface structurée) afin d'améliorer l'échange thermique entre le gaz naturel et la paroi des tubes. Les tubes 5B peuvent aussi être des tubes à double paroi avec une partie annulaire autour d'un tube interne (non représentés), le gaz naturel sous forme liquide circulant à l'intérieur du tube interne et le gaz naturel vaporisé (sous forme gazeuse) circulant dans la partie annulaire. Ceci permet de limiter l'apparition de températures très négatives à la surface des ailettes externes 5D, ce qui limite la propagation du gel et limite les contraintes thermiques entre le tube 5B et les ailettes externes 5D.
On a représenté sur la figure 4 un exemple d'un échangeur thermique à air tel que 4, servant à la déshumidification de l'air ambiant. Il comprend un faisceau de tubes 4B en acier enrichi en nickel réunis en faisceau horizontal. Ces tubes 4B sont ici tous munis d'ailettes externes 4D en aluminium pour favoriser l'échange de chaleur mais aussi pour améliorer le drainage de l'eau de condensation. Cet échangeur 4 peut être agencé pour fonctionner en régime co-courant, comme cela est connu en tant que tel dans la technique. Le gaz naturel sous forme gazeuse (GN) est injecté en haut de l'échangeur 4, à la température T1 d'environ -15°C et ressort par le bas de l'échangeur 4 à la température T2 d'environ +2°C. Comme illustré par la flèche F sur la figure 4, le flux d'air est puisé par le ventilateur 14 du haut vers le bas de l'échangeur. Le fonctionnement de l'échangeur 4 en régime co- courant permet de conserver une température des parois des tubes de l'échangeur 4 toujours positive, même si dans ce cas l'efficacité thermique de l'échangeur 4 est légèrement plus faible par rapport à un échangeur fonctionnant à contre-courant. Les tubes 4B peuvent être des tubes à double paroi afin de conserver une température des parois de ces tubes positive, et donc empêcher la formation de givre sur ces parois, pour des températures T1 inférieures à -15°C du gaz naturel, jusqu'à -25°C.
Le système de vaporisation selon l'invention peut être couplé à un système de vaporisation d'un type différent tel que le SCV décrit plus haut, afin de réduire le coût d'exploitation. Par exemple, on peut faire fonctionner un système de vaporisation du type SCV pendant les 8 mois les plus froids de l'année (lorsque la température de l'air ambiant est inférieure à 100C) et un système de vaporisation selon l'invention pendant les 4 mois de l'année restants. On peut ainsi réduire le coût annuel d'exploitation de plus de 25% par rapport à un système de type SCV fonctionnant pendant les 12 mois de l'année.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour vaporiser du gaz naturel liquéfié selon lequel on utilise de l'air ambiant préalablement déshumidifié comme fluide d'échange direct de chaleur dans un premier échangeur thermique à air (5) pour réchauffer ledit gaz naturel liquéfié jusqu'à une certaine température (T1 ), caractérisé en ce que la déshumidification de l'air ambiant consiste en un abaissement de la température de l'air dans un second échangeur thermique à air (4) par un échange direct de chaleur avec ledit gaz naturel liquéfié préalablement réchauffé dans ledit premier échangeur thermique (5) au moins jusqu'à ladite certaine température (T1 ), ladite certaine température (T1 ) étant comprise entre environ -10 degrés Celsius et -25 degrés Celsius.
2. Système pour vaporiser du gaz naturel liquéfié, comprenant un premier échangeur thermique à air (5) pour réchauffer ledit gaz naturel liquéfié jusqu'à une certaine température (T1 ) par échange direct de chaleur avec de l'air ambiant préalablement déshumidifié, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second échangeur thermique à air (4) relié au premier échangeur thermique à air (5) en série d'une part à travers un circuit (1 ) dudit gaz naturel liquéfié qui conduit ledit gaz naturel liquéfié réchauffé à ladite certaine température (T1 ) d'une sortie du premier échangeur thermique (5) vers une entrée du second échangeur thermique (4) et d'autre part à travers une canalisation d'air (2) qui conduit l'air déshumidifié sortant du second échangeur thermique (4) vers une entrée d'air du premier échangeur thermique (5), un premier ventilateur (15) étant disposé au-dessus du premier échangeur thermique à air (5) pour tirer l'air vers le haut à travers le premier échangeur thermique à air (5) et un second ventilateur (14) étant disposé au-dessus du second échangeur thermique à air (4) pour puiser l'air vers le bas à travers le second échangeur thermique à air (4).
3. Système selon la revendication 2, comprenant au moins deux premiers échangeurs thermiques à air (5;6) parallèles reliés en série audit second échangeur thermique à air (4) à travers ledit circuit (1 ) de fluide et ladite canalisation d'air (2) et dans lequel il est prévu des vannes (10A,10B,20A,20B) dans ladite canalisation d'air (2) et dans ledit circuit (1 ) de fluide qui sont commandées par une unité de pilotage (A) pour faire circuler ledit fluide sélectivement entre le second échangeur thermique (4) et alternativement l'un et l'autre premier échangeur thermique (5;6) de façon à réaliser un cycle de dégivrage alternativement dans l'un et l'autre desdits premiers échangeurs.
4. Système selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel ladite canalisation d'air (2) est agencée pour conduire de l'air refroidi sortant d'un premier échangeur thermique (5;6) vers une entrée d'air du second échangeur thermique (4), et dans lequel il est prévu une autre vanne (30) dans ladite canalisation d'air (2) pour réguler le mélange entre l'air ambiant et l'air refroidi arrivant à l'entrée du second échangeur thermique (4).
5. Système selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les vannes (20A,20B,30,40A,40B) dans la canalisation d'air (2) sont conçues comme des Persiennes.
6. Système selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel chaque premier échangeur thermique à air (5 ;6) comporte des tubes horizontaux (5B,6B) superposés dans lequel circule ledit fluide avec des tubes en partie haute de l'échangeur thermique (5 ;6) pourvus d'ailettes externes (5D) et des tubes en partie basse de l'échangeur thermique (5 ;6) dépourvus d'ailettes externes, ces tubes horizontaux (5B,6B) étant en outre pourvus d'une surface interne en relief et/ou sont des tubes à double paroi.
7. Système selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel le second échangeur thermique (4) comporte des tubes horizontaux superposés (4B) dans lequel circule ledit fluide, ces tubes étant pourvus d'ailettes externes et/ou étant des tubes à double paroi.
8. Système selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel ledit fluide circule dans un premier échangeur (5 ;6) à contre courant du flux d'air traversant ledit premier échangeur (5 ;6) et dans lequel ledit fluide circule dans ledit second échangeur (4) de façon co-courante avec le flux d'air qui traverse ledit second échangeur thermique (4).
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