WO2014096593A1 - Debitmetre pour fluide diphasique utilisant un debitmetre massique et une vanne trois voies - Google Patents

Debitmetre pour fluide diphasique utilisant un debitmetre massique et une vanne trois voies Download PDF

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WO2014096593A1
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WO
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liquid
gas
separator
flow
phase
Prior art date
Application number
PCT/FR2013/052816
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English (en)
Inventor
Vincent ALATERRE
Didier Pathier
Original Assignee
L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Publication date
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    • G01F15/005—Valves

Definitions

  • the present invention relates to the field of flowmeters for two-phase gas / liquid fluids.
  • the flow measurement of a two-phase fluid composed of a liquid and a gas is a difficult operation when trying to measure a mass flow. Indeed, all the sensors measuring a flow are hampered when they are placed in the presence of a diphasic liquid whose density changes at any time. This is particularly valid for the flow measurement of cryogenic fluids such as liquid nitrogen.
  • Some currently available flowmeters are based on the measurement of fluid velocity. This is for example:
  • turbine flowmeters a turbine is installed in the moving fluid and the rotational speed of the turbine gives an image of the fluid velocity.
  • Ultrasonic flowmeters some use the Doppler effect (analysis of the frequency reflected by the particles of the fluid which gives an image of the velocity of the particle and therefore of the fluid) while others measure a difference in travel time of an ultrasonic wave from upstream to downstream and from downstream to upstream (image of the fluid velocity).
  • Electromagnetic flowmeters applicable only to fluids with sufficient electrical conductivity, use the principle of electromagnetic induction: An electromagnetic field is applied to the fluid and the electromotive force created (force proportional to the fluid flow) is measured. In the case of flow measurement of cryogenic fluids (non-conductive) such as liquid nitrogen, this principle is not applicable.
  • Vortex flowmeters are based on the phenomenon of vortex generation that is observed behind a non-profiled fixed body placed in a moving fluid (Karman effect). Measuring the pressure variations created by these vortices gives the vortex frequency, which is proportional to the velocity of the fluid when the fluid retains constant properties. When the density of fluide varies, the measurement is distorted.
  • thermometers are based on the increase in temperature created by a constant supply of energy.
  • a two temperature probe system measures the difference in temperature between the inflow and outflow of the flowmeter. Between these two probes, resistance brings a known amount of energy. When the heat capacity of the fluid in motion is known, the flow rate can be calculated from these measurements. However, this principle is not applicable to diphasic liquids whose thermal behavior (vaporization of liquid) is totally different from monophasic liquids. Only the Coriolis mass flowmeter gives an accurate measurement of the mass flow rate of a fluid.
  • the flow meter consists of a U or omega tube or curve in which the fluid flows.
  • the U is subjected to a lateral oscillation and the measurement of the phase shift of the vibrations between the two branches of the U gives an image of the mass flow.
  • its cost is quite high and when it is used at very low temperatures (liquid nitrogen at -196 ° C for example) and with a fluid whose density varies enormously and having a significant portion in the gas phase, there is need to strongly isolate the system (performance insulation such as vacuum insulation for example) and despite everything, the measurements are distorted.
  • the measurement of the flow rate of a two-phase liquid and in particular the measurement of the flow rate of a cryogenic fluid with an acceptable accuracy is not easy to achieve with the devices currently available on the market.
  • this system makes it possible to measure the flow of liquid with a relatively good precision without being disturbed by the gas rate, which is the aim sought. It should be noted in passing that for this system to function properly, it must be well insulated from heat inputs that could vaporize a part of the isolated liquid and thus disturb the level measurement.
  • the two-phase liquid first goes into a phase separator which separates the liquid phase from the gas phase;
  • the gas phase has been adjusted to a volume meter (turbine type for example) with a temperature compensation;
  • the liquefied phase is also directed towards a volumetric flowmeter (of the turbine type for example);
  • a flow meter is installed at the outlet of a cryogenic pump (high pressure side).
  • the liquid is for example pumped into a tank where it is at equilibrium and it is mounted in pressure by the pump almost without increasing the temperature.
  • the following piping and flowmeter can then create a pressure drop, this will not result in vaporizing the liquid provided that the pressure drop is significantly lower than the pressure increase created by the pump.
  • the present invention seeks to propose a new simple and reliable solution for measuring the flow of two-phase fluids gas / cryogenic liquid, to solve all or part of the technical problems mentioned above.
  • the solution proposed here can be summarized as follows, it being understood that the technique proposed below seeks to provide a solution that is as simple as possible for a reliable flow measurement of a cryogenic fluid in the following conditions:
  • the fluid can arrive at a variable pressure but generally low (typically between 1 and 6 bar), and under pressure and temperature conditions a priori not known.
  • the liquid phase may be at equilibrium (at saturation).
  • the fluid can be composed of a liquid phase and a gas phase (two-phase liquid).
  • the measuring device according to the invention is positionable in line, on the supply line of a cryogenic apparatus downstream consuming the cryogenic liquid such as a cryogenic tunnel, a churn etc.
  • the proposed scheme includes the following elements:
  • a pipeline supplies the system with the diphasic fluid whose flow rate must be measured.
  • the device comprises a phase separator, this phase separator may consist of a tank, where naturally the liquid phase of the fluid will accumulate in the lower part, while the fluid phase of the fluid will tend to rise to the top of the tank.
  • any other device for separating the liquid phase and the gas phase of the starting fluid for example a tube provided with baffles, or a tube comprising a porous material.
  • this gas / liquid separator may be equipped with a sensor for measuring the level of the liquid phase in the separator (the tank, for example).
  • the liquid phase of the fluid therefore has a tendency to descend and can exit through an outlet tube positioned at the bottom.
  • the gas phase of the fluid is naturally accumulated in the upper part of the gas / liquid separator and can exit through an outlet tube located at the top of the separator.
  • the liquid phase coming out of the bottom of the gas / liquid separator then passes into a mass flow meter with Coriolis effect. This makes it possible to measure the mass flow rate of the fluid (liquid) passing through the low branch of the apparatus. This also makes it possible to measure, if desired, the density of the liquid passing through this branch (this material allows access to these two data).
  • the gaseous phase that leaves the upper branch can advantageously pass through a gas flow meter.
  • This flow meter can be turbine type, vortex or any other technology, but this gas flow meter is only an advantageous option.
  • the flow measurement provided by this gas flowmeter can be compensated for temperature and pressure.
  • the two branches are then joined at a three-way valve and the fluid thus reconstituted (two-phase) leaves the three-way valve and thus the device.
  • this three-way valve is controlled according to one of the modes which we will explain better below, but the skilled person understands in view of what it precedes that it represents a kind of "mixing tap Which mixes the nitrogen gas and the liquid nitrogen which reach it, in proportions that can be dictated (and thus dictate what comes out of this valve in its third way).
  • the three-way valve must be able to react according to the rate of gas entering the upstream system (initial two-phase fluid). It is this which directs the flow passing in the apparatus rather in the low branch (liquid) or rather in the high branch (gas). For this, it is advantageous to measure the density of the liquid passing through the lower branch. This measurement is carried out as standard in Coriolis mass flow meters and it does not generate additional cost.
  • the liquid level in the separator decreases and g az fi ni to pass through with the iq u id e pa rla ch n ch e bass.
  • the density measurement decreases and becomes smaller than a set point.
  • the three-way valve opens to let mainly the gas flow in the upper branch and to close the passage to the liquid phase.
  • the flow measurement on the gas side therefore indicates a value and the liquid-side measurement is zero.
  • the liquid phase of the fluid accumulates in the separator, the liquid tends to descend into the lower branch and fill the mass flow meter. It then detects an increasing density. When the density approaches the setpoint, the three-way valve begins to close (reducing the flow and gas flow in the airflow) and increases the flow of the liquid (increase in flow and liquid flow in the lower branch). ).
  • the liquid and gas flow sensors then operate normally and the total flow is obtained by adding the two mass flow rates obtained.
  • the separator when the fluid arriving in the system is totally liquid or almost completely liquid, the separator is completely filled with liquid and the gas no longer passes at all through the lower branch.
  • the mass flowmeter measures a density higher than the set point and completely closes the three-way valve on the gas side, which then lets the fluid pass only through the lower branch.
  • the gas flow in the high branch is then zero whereas the flow in the lower branch is at its real value.
  • the three-way valve is controlled by a liquid level measurement information. in the gas / liquid separator.
  • the level rises in the separator which causes the closing of the three-way valve to orient the fluid in the lower branch of the circuit which is the goal.
  • the flow of the fluid then essentially passes through the low branch (liquid) of the circuit.
  • the gas flow flowing through the upper branch is very small (sometimes zero) and the separator is emptied by the liquid circuit (lower branch). This results in a stop of the level rise in the separator and a lowering of the level depending on the incoming fluid.
  • the installation of a phase separator usually consists of a tank of a large volume, several valves, valves and pipes. complex, globally complex and expensive.
  • the present invention therefore seeks to propose a new, simple and reliable solution for measuring the flow of two-phase gas / cryogenic liquid fluids, making it possible to solve all or part of the technical problems mentioned above.
  • the present invention thus relates to a flow meter for two-phase liquid / gas cryogenic fluids, comprising:
  • a liquid / gas phase separator preferably consisting of a tank, in the upper part of which the cryogenic fluid is admitted;
  • Coriolis located on a liquid line in fluid communication with the lower part of the separator; a gas channel, in fluid communication with the upper part of the separator;
  • a three-way valve positioned to be able to recover in two of its tracks on the one hand the downstream end of said gas pipe and on the other hand the downstream end of said liquid pipe.
  • the invention also relates to a method for measuring the flow rate of liquid / gas cryogenic two-phase fluids, using a flow meter which comprises:
  • a liquid / gas phase separator preferably consisting of a tank, in the upper part of which the two-phase cryogenic fluid is admitted;
  • a liquid flow sensor of the Coriolis effect mass flow meter type located on a liquid pipe in fluid communication with the lower part of the separator;
  • a three-way valve adapted to recover in two of its tracks on the one hand the downstream end of said gas pipe and on the other hand the downstream end of said liquid pipe,
  • the flow meter according to the invention may also adopt one or more of the following characteristics:
  • the flowmeter comprises a device for measuring the liquid level in the separator.
  • the flow meter comprises a data acquisition and processing system adapted to perform said acquisition, and the one or more comparison (s), and to order said feedback on the three-way valve.
  • the gas pipeline is provided, between the separator and the three-way valve to which it is connected, with a flow sensor of the gas phase
  • FIG. 1 is a partial diagrammatic view of a mode embodiment of a device for measuring flow rates of two-phase fluids according to the invention.
  • FIG. 2 explains the operating mode of the embodiment of FIG. 1 (in which only the liquid flow rate is counted and the regulation of the valve uses a density measurement).
  • FIG. 3 is a partial schematic view of another embodiment of a device for measuring two-phase fluid flow rates in accordance with the invention which implements a measurement of the liquid level in the separator (in which case only the flow rate liquid is counted and where the regulation of the valve is related to the level measurement).
  • FIG. 4 is a partial schematic view of another embodiment of a device for measuring two-phase fluid flow rates in accordance with the invention which implements a measurement of the gas flow at the top outlet of the separator (where the liquid flow and gas flow are recorded and valve control is related to combined density and level measurements).
  • a liquid density information as measured by the Coriolis flowmeter 2 is sent (channel A) to a system 4 for acquiring and processing data, which compares this datum with an ide density reference, and feedback if necessary (lane B) to modify the configuration of the 3-way valve (to open more or close more than one lane that leads to it).
  • the flow that is to be evaluated is here obtained by the single liquid flow (Q L ) provided by the Coriolis flowmeter (accuracy deemed sufficient).
  • FIG. 3 illustrates another embodiment of the invention, implementing a level sensor (5) for the liquid in the vessel 1, and here again it is understood that a liquid level information, as measured by the sensor 5 is sent (channel A) to a data acquisition and processing system 4, which compares this data with a liquid level setpoint, and feedbacks if necessary (channel B) to modify the configuration of the valve 3 ways (to open more or close more or other this way).
  • a liquid level information as measured by the sensor 5 is sent (channel A) to a data acquisition and processing system 4, which compares this data with a liquid level setpoint, and feedbacks if necessary (channel B) to modify the configuration of the valve 3 ways (to open more or close more or other this way).
  • the flow rate that is to be evaluated is here also obtained by the single liquid flow (Q L ) supplied by the Coriolis flowmeter (accuracy deemed sufficient).
  • FIG. 4 illustrates, for its part, an embodiment that improves that of FIG. 2 when higher accuracies are necessary, since there is the additional presence of a flowmeter 6 on the outgoing gas path from the top of the tank. before this gas reaches the three-way valve. And therefore the flow rate to be evaluated is obtained here by the sum of the liquid flow (Q L provided by the Coriolis flowmeter) and gaseous (Q G provided by the gas flow meter 6). It is also noted that in this configuration, it is a combination of the density (2 / A) and level (5) measurements that is taken into account by the computer 4 to order a feedback on the operation of the 3-way valve.
  • FIG. 5 then makes it possible to better visualize the operation of the three-way valve in the case of three scenarios of fluid arrivals on the valve.
  • the arrival “G” designates the arrival of the gas channel
  • the arrival “L” designates the arrival of the liquid channel from the Coriolis flowmeter
  • the "S” channel designates the exit of the valve.
  • FIG. 5 a the case of a low density measurement is illustrated, the incoming fluid comprises a large amount of gas, the system then orders the closure of the liquid path and the opening of the gas path.
  • FIG. 5 b the case of a mean density is illustrated, the system then orders the opening of the liquid channel and the opening of the gas channel, for example in proportions 50-50.
  • Figure 5 c) illustrates the case of a high density, the incoming fluid comprises a lot of liquid, the system then orders the closing of the gas path and the opening of the liquid path.

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Abstract

L'invention concerne un débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques gaz/liquide comprenant: - un séparateur (1) de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué d'une cuve, dans la partie supérieure de laquelle est admis le liquide cryogénique; - un capteur de débit liquide (2) de type débitmètre massique à effet Coriolis, situé sur une canalisation liquide (Ph L) en communication de fluide avec la partie basse du séparateur; - une canalisation gaz (Ph G), en communication de fluide avec la partie haute du séparateur; et - une vanne trois voies (3) apte à récupérer en deux de ses voies d'une part l'extrémité aval de ladite canalisation gaz et d'autre part l'extrémité aval de ladite canalisation liquide; la vanne trois voies étant pilotée par un régulateur qui reçoit une information de densité du fluide passant par la ramification liquide et/ou une information du niveau de liquide dans le séparateur, pour rétroagir en asservissant la position de la vanne trois voies et ainsi réguler les débits circulant dans les deux ramifications (liquide et gaz) du système.

Description

DEBITMETRE POUR FLUIDE DIPHASIQUE UTILISANT UN DEBITMETRE MASSIQUE ET UNE VANNE TROIS VOIES
La présente invention concerne le domaine des débitmètres pour fluides diphasiques gaz/liquide.
La mesure de débit d'un fluide diphasique composé d'un liquide et d'un gaz est une opération difficile lorsqu'on cherche à mesurer un débit massique. En effet, tous les capteurs mesurant un débit sont gênés lorsqu'ils sont mis en présence d'un liquide diphasique dont la densité change à tout moment. Ceci est en particulier valable pour la mesure de débit des fluides cryogéniques comme l'azote liquide.
Certains débitmètres disponibles actuellement sont basés sur la mesure de la vitesse du fluide. Il s'agit par exemple :
des débitmètres à turbine : une turbine est installée dans le fluide en mouvement et la vitesse de rotation de la turbine donne une image de la vitesse du fluide.
des débitmètres à tube de Pitot : deux tubes sont installés d an s l e fl u id e en mouvem ent à m esu rer. U n tu be est i n sta l l é perpendiculairement au débit et donne la pression statique, l'autre est installé parallèlement au débit et donne la pression dynamique totale. La différence de pression dynamique entre ces deux mesures permet de calculer le débit.
Des débitmètres à ultrasons : certains utilisent l'effet Doppler (analyse de la fréquence réfléchie par les particules du fluide qui donne une image de la vitesse de la particule et donc du fluide) alors que d'autres mesurent une différence de temps de parcours d'une onde ultrasonore de l'amont vers l'aval et de l'aval vers l'amont (image de la vitesse du fluide).
Dans tous ces cas, lorsque la densité du fluide varie continuellement, le passage du débit volumique au débit massique est délicat à réaliser précisément. D'autres systèmes utilisent la mesure de perte de charge (perte de pression) pour en déduire le débit. Il s'agit par exemple des débitmètres à orifice calibré qui mesurent la perte de charge en amont et en aval d'un orifice calibré placé dans le fluide en mouvement. La mesure de ces appareils est très perturbée lorsque le fluide n'a pas une densité constante et lorsque le taux de gaz augmente dans le liquide.
Les débitmètres électromagnétiques, applicables seulement aux fluides ayant une conductivité électrique suffisante utilisent le principe de l'induction électromagnétique : Un champ électromagnétique est appliqué au fluide et la force électromotrice créée (force proportionnelle au débit du flu ide) est mesurée. Dans le cas de la mesure de débit de fluides cryogéniques (non conducteur) tel que l'azote liquide, ce principe n'est pas applicable.
Les débitmètres à effet vortex sont basés sur le phénomène de génération de tourbillons que l'on constate derrière un corps fixe non profilé placé dans un fluide en mouvement (effet Karman). La mesure des variations de pression créées par ces tourbillons donne la fréquence des tourbillons, celle-ci étant proportionnelle à la vitesse du fluide lorsque le fluide garde des propriétés constantes. Lorsque la densité du flu ide varie, la mesure est faussée.
Les débitm ètres th erm iq ues sont eux basés su r l a mesu re de l'augmentation de température créée par un apport constant d'énergie. Un système à deux sondes de température mesure la différence de température entre le débit entrant et sortant du débitmètre. Entre ces deux sondes, une résistance apporte une quantité connue d'énergie. Lorsque l'on connaît la capacité calorifique du fluide en mouvement, le débit peut être calculé à partir de ces mesures. Cependant, ce principe n'est pas applicable aux liquides diphasiques dont le comportement thermique (vaporisation du l iquide) est totalement différent des liquides monophasiques. Seul le débitmètre massique à effet Coriolis donne une mesure précise du débit massique d'un fluide. Le débitmètre est constitué d'un tube en U ou oméga ou courbe dans lequel circule le fluide. Le U est soumis à une oscillation latérale et la mesure du déphasage des vibrations entre les deux branches du U donne une image du débit massique. Cependant, son coût est assez élevé et lorsqu'il est utilisé à des températures très basse (azote liquide à -196°C par exemple) et avec un fluide dont la densité varie énormément et comportant une partie importante en phase gazeuse, il y a nécessité d'isoler fortement le système (isolation performante telle qu'une isolation sous vide par exemple) et malgré tout, les mesures sont faussées.
Comme on peut le constater, la mesure du débit d'un liquide diphasique et en particulier la mesure du débit d'un fluide cryogénique avec une précision acceptable n'est pas facile à réal iser avec les appareils actuel lement disponibles sur le marché.
La l ittérature a alors proposé d 'autres types de sol utions, parm i lesquelles les systèmes basés sur le principe de la mesure du niveau d'un liquide s'écoulant dans un canal juste avant une restriction de la section de passage. Ce système, décrit dans le document US- 5 679 905, fonctionne en substance comme suit : le fluide diphasique est d'abord séparé en une phase gazeuse qui n'est pas mesurée et une phase liquide dont le débit est mesuré. Ce liquide passe dans un canal qui présente une réduction de section en sa sortie. Plus le débit est important, plus le niveau de liquide dans le canal est important et une mesure de niveau dans ce canal permet donc de déduire le débit instantané. Comme on le constate, ce système ne prend pas en compte le débit gazeux qui dans certaines applications est négligeable. Par contre, ce système permet de mesurer avec une précision relativement bonne le débit de liquide sans être perturbé par le taux de gaz ce qui est le but recherché. On remarquera au passage que pour que ce système fonctionne correctement, il doit être bien isolé des entrées de chaleur qui pourraient vaporiser une partie du liquide isolé et ainsi perturber la mesure de niveau.
On remarquera aussi que pour que le système fonctionne, il doit y avoir l a présence d e deux phases d an s l e d éb itmètre ce q u i i nterd it son fonctionnement avec un liquide sous refroidi (liquide relativement franc sans phase gazeuse).
Da ns l e cas où la mesure des débits de liquide et de gaz est nécessaire, on utilise parfois un système qui reprend le même principe de séparation des phases avant la mesure de débit, selon le fonctionnement qui suit :
Le liquide diphasique passe d'abord dans un séparateur de phase qui sépare la phase liquide de la phase gazeuse ;
- La ph ase g azeu se est d i rig ée vers u n d éb itmètre volumique (de type turbine par exemple) avec une compensation en température ;
La phase l iqu ide est aussi d irigée vers un débitmètre volumique (de type turbine par exemple) ;
- Ces deux mesures de débit sont ensuite converties en mesure de masse et ajoutées.
A priori, ce dispositif est plus coûteux que le précédent, on peut penser qu'il est très précis. Dans la pratique, on constate que la mesure du débit liquide est entachée d'erreurs qui fluctuent suivant les conditions de pression et de température du liquide entrant dans le débitmètre. Ces erreurs de mesure sont d ues à la présence de gaz dans la phase l iq u ide q u i traverse le débitmètre. En effet, lorsque la liquide quitte le séparateur de phase pour aller vers le débitmètre, une partie de liquide se vaporise soit à cause des entrées de chaleur soit à cause de la chute de pression due à une remontée du liquide soit à cause d'une chute de pression due à la perte de charge créée par le débitmètre lui-même. Enfin, pour mesurer le débit d'un liquide cryogénique, on peut aussi s'affranchir des problèmes cités ci-dessus en créant des conditions de pression et de température différentes de la pression d'équilibre (limite d'ébullition). Dans ce domaine, la méthode la plus couramment utilisée est l'augmentation de la pression du l iqu ide. Dans la pratique, on installe par exemple un débitmètre en sortie d'une pompe cryogénique (coté haute pression). Dans ce cas, le liquide est par exemple pompé dans une cuve ou il est à l'équilibre et il est monté en pression pa r la pom pe presq ue sans aug mentation de température. Les tuyauteries et le débitmètre qui suivent peuvent alors créer une perte de charge, cela n'aura pas pour conséquence de vaporiser le liquide pourvu que la perte de charge soit nettement inférieure à l'augmentation de pression créée par la pompe. Dans ce cas, on peut util iser un débitmètre classique type vortex, turbine ou autre dans la mesure où il supporte les basses températures. Cette technique est par exemple parfaitement adaptée à la mesure du débit des camions de livraison d'azote liquide. Elle est fiable et d'un cout acceptable dans la mesure où la pompe cryogénique est requise pour d'autres raisons.
En revanche, lorsque qu'il faut mesurer le débit d'azote liquide à un point où il n'y a pas de pompe cryogénique, alors cette technique n'est plus intéressante.
La présente invention s'attache alors à proposer une nouvelle solution simple et fiable de mesure du débit de fluides diphasiques gaz/liquide cryogénique, permettant de solutionner tout ou partie des problèmes techniques évoqués ci-dessus.
Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit la solution proposée ici peut se résumer ainsi, étant entendu que la technique proposée ci-dessous cherche à apporter une solution aussi simple que possible pour une mesure fiable de débit d'un fluide cryogénique dans les conditions suivantes : Le fluide peut arriver à une pression variable mais généralement faible (typiquement entre 1 et 6 bars), et dans des conditions de pression et température à priori non connues. En particulier, la phase liquide peut être à l'équilibre (à la saturation).
Le flu ide peut être composé d'une phase l iquide et d'une phase gazeuse (liquide diphasique).
Aucun dispositif permettant d'augmenter la pression (pompe) n'est requis (ni disponible) sur l'installation.
Le dispositif de mesure selon l'invention est positionnable en ligne, sur la canalisation d'alimentation d'un appareil cryogénique en aval consommant le liquide cryogénique tel un tunnel cryogénique, une baratte etc ..
Le dispositif proposé comprend les éléments suivants :
- Une canalisation al imente l e système avec le fl u ide diphasique dont le débit doit être mesuré.
Le dispositif comprend un séparateur de phases, ce séparateur de phase peut être constitué d'une cuve, où naturellement la phase liquide du fluide va s'accumuler dans la partie basse, tandis que la phase gaz du fluide va avoir tendance à s'élever vers le haut de la cuve.
Mais on peut envisager en lieu et place d'une cuve tout autre dispositif permettant de séparer la phase liquide et la phase gazeuse du fluide de départ : par exemple un tube muni de chicanes, ou encore un tube comportant une matière poreuse.
Selon une des mises en œuvre de l'invention, ce séparateur gaz/liquide peut être équipé d'un capteur de mesure du niveau de la phase liquide dans le séparateur (la cuve par exemple).
La phase liquide du fluide a donc tendance à descendre et peut sortir par un tube de sortie positionné en partie basse. La phase gazeuse du fl u ide se trouve natu rel lement accumulée dans la partie haute du séparateur gaz / liquide et peut sortir par un tube de sortie situé en partie haute du séparateur.
La phase liquide qui sort par le bas du séparateur gaz / liquide passe alors dans un débitmètre massique à effet Coriolis. Ceci permet de mesurer le débit massique du fluide (liquide) passant dans la ramification basse de l'appareil. Cela permet aussi de mesurer, si on le désire, la densité du liquide passant par cette ramification (ce matériel permet l'accès à ces deux données).
- La phase gazeuse qui sort par la ramification haute peut avantageusement transiter par un débitmètre à gaz. Ce débitmètre peut être de type à turbine, à effet vortex ou être de toute autre technologie, mais ce débitmètre à gaz n'est qu'une option avantageuse. Pour obtenir un débit massique comparable à celui donné par le débitmètre à effet Coriolis, la mesure de débit fournie par ce débitmètre gaz pourra être compensée en température et en pression.
Les deux ramifications sont ensuite réunies au niveau d'une vanne trois voies et le fluide ainsi reconstitué (diphasique) sort de la vanne trois voies et ainsi du dispositif.
- Selon l'invention, cette vanne trois voies est pilotée selon l'un des modes que nous expliciterons mieux ci-dessous, mais l'homme du métier comprend au vu de ce qu i précède qu'elle représente une sorte de « robinet mitigeur » qui mélange l'azote gazeux et l'azote liquide qui lui parviennent, dans des proportions que l'on peut dicter (et ainsi dicter ce qui sort de cette vanne en sa troisième voie).
Les avantages d'une telle configuration peuvent être résumés ainsi :
- elle permet l'utilisation de l'information de densité mesurée par le débitmètre massique à effet Coriolis ou l'utilisation d'une mesure de niveau dans le séparateur gaz/liquide quand ce capteur de niveau est présent, pour asservir la position de la vanne trois voies et ainsi réguler les débits circulant dans les deux ramifications (liquide et gaz) du système. On réalise ainsi un séparateur de phase sans autre élément qu'une vanne trois voies pilotée par un régulateur qui traite l'information de densité du flu ide passant par la ramification basse (ramification liquide) et/ou une information du niveau de liquide dans le séparateur.
- on a déjà mention né plus haut le fa it q ue dans le cadre de la problématique de mesure de débits d'un fluide diphasique, la présence de gaz dans le liquide perturbe tous les appareils de mesure connus aujourd'hui sur le marché. Il est alors indispensable de réaliser une séparation de phase efficace et de mesurer lorsque c'est nécessaire les deux phases indépendamment, ce qui peut se révéler complexe en matériels et coûteux. Le système proposé ici, mettant en œuvre un séparateur de phases très simple et peu coûteux, ainsi qu'un débitmètre massique à effet Coriolis, où les débits issus du séparateur sont régulés par une vanne trois voies, assure cette fonction de séparation des deux phases.
- Pour que le système fonctionne correctement, la vanne trois voies doit pourvoir réagir en fonction du taux de gaz entrant dans le système en amont (fluide diphasique initial). C'est elle qui oriente le flux passant dans l'appareil plutôt dans la branche basse (liquide) ou plutôt dans la branche haute (gaz). Pour cela, on réalise avantageusement la mesure de la densité du liquide passant par la branche basse. Cette mesure est réalisée de manière standard dans les débitmètres massiques à effet Coriolis et elle n'engendre pas de coût supplémentaire.
Illustrons ci-dessous quelques scénarios mettant en œuvre cette mesure de densité pour mieux comprendre l'invention :
- Lorsque le fluide entrant dans le système est très riche en gaz et pauvre en liquide, le niveau de liquide dans le séparateur baisse et du g az fi n i pa r passer avec l e l iq u id e pa r l a bra n ch e basse . En conséquence, la mesure de densité diminue et devient plus faible qu'une consigne. La vanne trois voies s'ouvre pour laisser principalement passer le flux gazeux dans la branche haute et pour fermer le passage à la phase liquide. La mesure de débit coté gaz indique donc une valeur et la mesure coté liquide est nulle. Avec le temps et avec le débit de fluide continuant à passer dans l'appareil, la fraction liquide contenue dans le fluide va s'accumuler dans le séparateur, pour atteindre la situation qui suit.
- Lorsque la phase liquide du fluide s'accumule dans le séparateur, le liquide a tendance à descendre dans la branche basse et à remplir le débitmètre massique. Celui-ci détecte alors une densité en augmentation. Lorsque la densité se rapproche de la consigne, la vanne trois voies commence à se fermer (réduisant le passage et le débit gaz dans l a bra nch e h a ute) et augmente le passage du liquide (augmentation du passage et du débit liquide dans la branche basse).
Les capteurs de débit liquide et gaz fonctionnent alors normalement et le débit total est obtenu en add itionnant les deux débits massiques obtenus.
- Dans un cas extrême, lorsque le fluide arrivant dans le système est totalement liquide ou quasi totalement liquide, le séparateur est totalement rempl i de liquide et le gaz ne passe plus du tout par la branche basse. Le débitmètre massique mesure alors une densité supérieure à la consigne et ferme totalement la vanne trois voies coté gaz qui ne laisse alors passer le fluide que par la branche basse. Le débit gaz dans la branche haute est alors nul alors que le débit dans la branche basse est à sa valeur réelle.
- si ce qui précède décrit l'utilisation avantageuse d'une mesure de densité déterminée par le débitmètre massique, selon un autre mode de mise en œuvre de l'invention, la vanne trois voies est pilotée par une information de mesure du niveau de liquide dans le séparateur gaz/liquide.
A titre illustratif de l'utilisation d'une telle mesure de niveau dans le séparateur on peut détailler les scénarios suivants :
- Lorsque le liquide diphasique entrant dans le système comporte beaucoup de gaz, le niveau de liquide dans le séparateur baisse ce qui entra ine u ne ouverture de la vanne 3 voies pour orienter le flux majoritairement dans la branche haute du système. Le débit du fluide passe essentiellement par la branche haute (gaz) du circuit. Le débit liquide circulant par la branche basse est alors très réduit (nul parfois) ce qui provoque l'arrêt de la baisse de niveau dans le séparateur et la remonté de ce niveau en fonction du fluide entrant.
lorsque la proportion de l iqu ide augmente dans le flu ide diphasique entrant, le niveau monte dans le séparateur ce qui entraine la fermeture de la vanne trois voies pour orienter le fluide dans la branche basse du circuit ce qui est le but recherché. Le débit du fluide passe alors essentiellement par la branche basse (liquide) du circuit. Le débit gaz circulant par la branche haute est très réduit (nul parfois) et le séparateur se vide par le circuit liquide (branche basse). Ceci à pour conséquence un arrêt de la montée du niveau dans le séparateur et une descente du niveau en fonction du fluide entrant. En résumé, grâce à l'une ou l'autre de ces techniques de pilotage, on évite l'installation d'un séparateur de phase composé habituellement d'une cuve d'un volume conséquent, de plusieurs vannes, de soupapes et de tuyauteries complexes, ensemble globalement complexe et coûteux. La présente invention s'attache alors à proposer une nouvelle solution sim ple et fiable de mesure du débit de fluides diphasiques gaz/liquide cryogénique, permettant de solutionner tout ou partie des problèmes techniques évoqués ci-dessus. La présente invention concerne alors un débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, comprenant :
- un séparateur de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué d'une cuve, dans la partie su périeure de laq uel le est admis le fluide cryogénique;
- un capteur de débit liquide de type débitmètre massique à effet
Coriolis, situé sur une canalisation liquide en communication de fluide avec la partie basse du séparateur ; - une canalisation gaz, en communication de fluide avec la partie haute du séparateur;
- une vanne trois voies positionnée pour pouvoir récupérer en deux de ses voies d'une part l'extrémité aval de ladite canalisation gaz et d'autre part l'extrémité aval de ladite canalisation liquide.
L'invention concerne également une méthode de mesure du débit de fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, utilisant un débitmètre qui comprend :
- un séparateur de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué d'une cuve, dans la partie su périeure de laq uel le est admis le fluide cryogénique diphasique;
- un capteur de débit liquide de type débitmètre massique à effet Coriolis, situé sur une canalisation liquide en communication de fluide avec la partie basse du séparateur ;
- une canalisation gaz, en communication de fluide avec la partie haute du séparateur;
- une vanne trois voies apte à récupérer en deux de ses voies d'une part l'extrémité aval de ladite canalisation gaz et d'autre part l'extrémité aval de ladite canalisation liquide,
et qui comprend la mise en œuvre des mesures suivantes :
i) on procède à l'acquisition de l'une au moins des données suivantes :
- une mesure de densité du liquide transitant par le dit débitmètre à effet Coriolis, mesure de densité délivrée par ce débitmètre;
- une mesure de niveau de liquide dans ledit séparateur;
j) on procède à une comparaison de l'une ou de chacune de ces données respectivement à une consigne de densité et à une consigne de niveau de liquide dans le séparateur,
k) on procède, selon le résultat de cette comparaison, à une rétroaction sur le fonctionnement de la vanne trois voies pour dicter un ratio des deux fluides arrivant respectivement dans les branches liquide et gaz de la vanne, et ainsi dicter la composition du mélange sortant en sa troisième voie. Le débitmètre conforme à l'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le débitmètre comprend un dispositif de mesure du niveau de liquide dans le séparateur.
- le débitmètre comprend un système d'acquisition et de traitement de données apte à effectuer ladite acquisition, et la ou lesdites comparaison(s), ainsi qu'à ordonner ladite rétroaction sur la vanne trois voies.
- la canalisation gaz est munie, entre le séparateur et la vanne trois voies à laquelle elle se raccorde, d'un capteur de débit de la phase gaz
(débitmètre gaz) circulant dans cette canalisation gaz.
- le débit de fluide diphasique que l'on cherche à évaluer est évalué de la façon suivante :
- soit par le seul débit mesuré par le débitmètre Coriolis (on sait en effet que dans de nombreux cas cette seule mesure sera suffisante, suffisamment précise, puisque le débitmètre Coriolis voit passer tout le liquide du fluide diphasique c'est-à-dire par exemple 97% du débit global dans le cas d'un fluide comportant 3% en masse de gaz) ;
- soit, quand on veut accéder à une précision supérieure, par la prise en compte d'une part du débit liquide mesuré par le débitmètre
Coriolis et d'autre part du débit mesuré par ledit débitmètre gaz présent sur la canalisation gaz, le débit final que l'on souhaite évaluer étant obtenu par la somme des deux débits précédents (Coriolis et gaz). D'autres caractéristiq ues et avantages de la présente i nvention apparaîtront plus clairement dans la description suivante, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés pour lesquels: la figure 1 est une vue schématique partielle d'un mode de réalisation d'un dispositif de mesure de débits de fluides diphasiques conforme à l'invention. la figure 2 explicite le mode de fonctionnement du mode de réalisation de la figure 1 (cas où seul le débit liquide est comptabilisé et où la régulation de la vanne utilise une mesure de densité).
la figure 3 est une vue schématique partielle d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de mesure de débits de fluides diphasiques conforme à l'invention qui met en œuvre une mesure du niveau de liquide dans le séparateur (cas où seul le débit liquide est comptabilisé et où la régulation de la vanne est liée à la mesure de niveau).
la figure 4 est une vue schématique partielle d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de mesure de débits de fluides diphasiques conforme à l'invention qui met en œuvre une mesure du débit de gaz en sortie haute du séparateur (cas où le débit liquide et le débit gaz sont comptabilisés et où la régulation de la vanne est liée aux mesures de densité et de n iveau combinées).
- la figure 5 explicite le fonctionnement de la vanne trois voies.
On reconnaît sur la figure 1 les éléments suivants :
- l'arrivée de fluide diphasique dans le système (« E Fluide Diph »), qui entre dans la partie haute du séparateur 1 , qui est ici constitué d'une simple cuve ;
- à la partie basse du séparateur est connectée une canalisation liquide (« Ph L ») qui est munie d'un débitmètre massique à effet Coriolis (2) ;
- à la partie haute du séparateur est connectée une canalisation gaz (« Ph G) ;
- on reconnaît la présence d'une vanne trois voies (3) : en une des voies abouti la canalisation gaz, en une seconde des voies abouti la canalisation liquide issue du débitmètre Coriolis 2, la troisième voie, voie de sortie (« S Fluide Diph ») combinant l'ensemble de ces deux apports (mélange) pour le diriger par exemple vers un poste aval util isateur d'un tel flu ide (tunnel cryogénique ou autre par exemple). Et la figure 2 permet de mieux visualiser les informations et rétroactions pouvant intervenir dans le mode de la figure 1 :
- une information de densité du liquide, telle que mesurée par le débitmètre Coriolis 2 est envoyée (voie A) vers un système 4 d'acquisition et de traitement de données, qui compare cette donnée avec une consigne de densité de l iqu ide, et rétroag it si nécessaire (voie B) pour mod ifier la configuration de la vanne 3 voies (pour ouvrir davantage ou fermer d'avantage telle ou telle voie y aboutissant).
- le débit que l'on cherche à évaluer est ici obtenu par le seul débit liquide (QL) fourni par le débitmètre Coriolis (précision jugée suffisante).
La figure 3 illustre un autre mode de réalisation de l'invention, mettant en oeuvre un capteur de niveau (5) du liquide dans la cuve 1 , et ici encore on comprend qu'une information de niveau du liquide, telle que mesurée par le capteur 5 est envoyée (voie A) vers un système 4 d'acquisition et de traitement de données, qu i compare cette donnée avec une consigne de n iveau de liquide, et rétroagit si nécessaire (voie B) pour modifier la configuration de la vanne 3 voies (pour ouvrir davantage ou fermer d'avantage telle ou telle voie y aboutissant).
Le débit que l'on cherche à évaluer est ici aussi obtenu par le seul débit liquide (QL) fourni par le débitmètre Coriolis (précision jugée suffisante).
La figure 4 illustre pour sa part un mode de réalisation perfectionnant celui de la figure 2 lorsque des précisions plus élevées sont nécessaires, puisque l'on y note la présence additionnelle d'un débitmètre 6 sur la voie gaz sortant par le haut de la cuve, avant que cette vois gaz n'atteigne la vanne trois voies. Et donc le débit qu'il faut évaluer est ici obtenu par la somme des débits liquide (QL fourni par le débitmètre Coriolis) et gazeux (QG fourni par le débitmètre gazeux 6). On note également que dans cette configuration, c'est une combinaison des mesures de densité (2/A) et de niveau (5) qui est prise en compte par le calculateur 4 pour ordonner une rétroaction sur le fonctionnement de la vanne 3 voies. La figure 5 permet alors de mieux visualiser le fonctionnement de la vanne trois voies dans le cas de trois scénarios d'arrivées de fluides sur la vanne.
L'arrivée « G » désigne l'arrivée de la voie gaz, l'arrivée « L » désigne l'arrivée de la voie liquide en provenant du débitmètre Coriolis, et la voie « S » désigne la sortie de la vanne.
Ainsi en figure 5 a) on a illustré le cas d'une mesure de densité basse, le fluide entrant comprend beaucoup de gaz, le système ordonne alors la fermeture de la voie liquide et l'ouverture de la voie gaz.
En figure 5 b) on a illustré le cas d'une densité moyenne, le système ordonne alors l'ouverture de la voie liquide et l'ouverture de la voie gaz, par exemple en proportions 50-50.
Et la figure 5 c) illustre le cas d'une densité élevée, le fluide entrant comprend beaucoup de liquide, le système ordonne alors la fermeture de la voie gaz et l'ouverture de la voie liquide.

Claims

Revendications
1. Débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, comprenant :
- un séparateur (1 ) de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué d'une cuve, dans la partie su périeure de laq uel le est admis le fluide cryogénique;
- un capteur de débit liquide (2) de type débitmètre massique à effet Coriolis, situé sur une canalisation liquide (Ph L) en communication de fluide avec la partie basse du séparateur ;
- une canalisation gaz (Ph G), en communication de fluide avec la partie haute du séparateur;
- une vanne trois voies (3) apte à récupérer en deux de ses voies d'une part l'extrémité aval de ladite canalisation gaz et d'autre part l'extrémité aval de ladite canalisation liquide.
2. Débitmètre selon la revendication 1 , se caractérisant en ce qu'il comprend un dispositif de mesure (5) du niveau de liquide dans le séparateur.
3. Débitmètre selon la revendication 1 ou 2, se caractérisant en ce que la canalisation gaz est munie, entre le séparateur et la vanne trois voies à laquelle elle se raccorde, d'un capteur de débit (6) de la phase gaz circulant dans cette canalisation.
4. Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, se caractérisant en ce qu'il comprend un système d'acquisition et de traitement de données, apte :
i) à procéder à l'acquisition de l'une ou chacune des données suivantes
- une mesure de densité du liquide délivrée par le dit débitmètre à effet Coriolis;
- une mesure de niveau de liquide dans ledit séparateur; j) à procéder à une comparaison de l'une ou de chacune de ces données respectivement à une consigne de densité et à une consigne de niveau de liquide dans le séparateur,
k) et à procéder, selon le résultat de cette comparaison, à une rétroaction sur le fonctionnement de la vanne trois voies pour dicter un ratio des deux fluides arrivant respectivement dans les branches liquide et gaz de la vanne, et ainsi dicter la composition du mélange sortant en sa troisième voie.
5. Méthode de mesure du débit de fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, utilisant un débitmètre qui comprend :
- un séparateur de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué d'une cuve, dans la partie supérieure de laquelle est admis le fluide cryogénique diphasique;
- un capteur de débit liquide de type débitmètre massique à effet
Coriolis, situé sur une canalisation liquide en communication de fluide avec la partie basse du séparateur ;
- une canalisation gaz, en communication de fluide avec la partie haute du séparateur;
- une vanne trois voies apte à récupérer en deux de ses voies d'une part l'extrémité aval de ladite canalisation gaz et d'autre part l'extrémité aval de ladite canalisation liquide,
et qui comprend la mise en œuvre des mesures suivantes :
i) on procède à l'acquisition de l'une ou chacune des données suivantes :
- une mesure de densité du liquide délivrée par le dit débitmètre à effet Coriolis;
- une mesure de niveau de liquide dans ledit séparateur;
j) on procède à une comparaison de l'une ou de chacune de ces données respectivement à une consigne de densité et à une consigne de niveau de liquide dans le séparateur, k) on procède, selon le résultat de cette comparaison, à une rétroaction sur la configuration de la vanne trois voies pour dicter un ratio des deux fluides arrivant respectivement dans les branches liquide et gaz de la vanne, et ainsi dicter la composition du mélange sortant en sa troisième voie.
6. Méthode selon la revendication 5, se caractérisant en ce que la canalisation gaz est munie, entre le séparateur et la vanne trois voies à laquelle elle se raccorde, d'un capteur de débit de la phase gaz circulant dans cette canalisation gaz et en ce que le débit de fluide diphasique que l'on cherche à évaluer est évalué de la façon suivante :
- soit par le seul débit mesuré par le débitmètre Coriolis ;
- soit par la prise en compte d'une part du débit mesuré par le débitmètre Coriolis et d'autre part du débit mesuré par ledit débitmètre gaz présent sur la canalisation gaz, le débit que l'on souhaite évaluer étant obtenu par la somme des deux débits précédents.
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