WO2021019147A1 - Procédé de production d'énergie électrique utilisant plusieurs cycles de rankine combinés - Google Patents

Procédé de production d'énergie électrique utilisant plusieurs cycles de rankine combinés Download PDF

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WO2021019147A1
WO2021019147A1 PCT/FR2020/051304 FR2020051304W WO2021019147A1 WO 2021019147 A1 WO2021019147 A1 WO 2021019147A1 FR 2020051304 W FR2020051304 W FR 2020051304W WO 2021019147 A1 WO2021019147 A1 WO 2021019147A1
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passage
working fluid
exchanger
stream
cold
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PCT/FR2020/051304
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Patrick Le Bot
Emilien REDON
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L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether

Definitions

  • the present invention relates to a method of producing electrical energy using a combination of several efficiency-enhanced Rankine cycles.
  • a stream of cryogenic liquid such as liquefied natural gas
  • it can be used as a source of Rankine cycle cold, and the method according to the invention can ensure regasification.
  • said stream of hydrocarbons with upgrading of its refrigeration content.
  • the liquefied natural gas (LNG) must be regasified, or in other words revaporized, at a pressure of the order of 10 to 90 bar depending on the network.
  • This flashback takes place in LNG terminals, generally at room temperature by exchanging heat with seawater, possibly seawater heated with natural gas.
  • the refrigeration content of the liquefied natural gas is then in no way valued.
  • a known method is based on a direct expansion of natural gas. Liquefied natural gas is pumped at a pressure greater than that of the distribution network, vaporized by heat exchange with a hot source such as sea water, then expanded to network pressure in an expansion turbine associated with an electric generator.
  • thermodynamic cycles using an intermediate fluid, or working fluid.
  • a working fluid is vaporized under pressure against a hot source such as sea water in a first heat exchanger, then expanded in a turbine coupled to an electric generator. .
  • the working fluid expanded is then condensed in a second exchanger against LNG which is used as the cold source of the cycle. This results in a low pressure liquid working fluid which is pumped and returned at high pressure to the first exchanger, thus closing the cycle.
  • the Rankine cycle can operate with water as the working fluid for applications such as geothermal heat recovery, the use of organic fluids evaporating at low temperature makes it possible to exploit cold sources at low temperature. low temperature. This is referred to as the organic Rankine cycle or ORC cycle (for Organic Rankine Cycle).
  • ORC cycles are conventionally industrialized using LNG as a cold source and sea water as a hot source, but they have relatively low energy yields, of the order of 20 kWh per ton of vaporized LNG, that is, i.e. 0.015 kWh / Nm 3 .
  • conventional ORC cycles using propane as working fluid are limited by the low temperature at which they can work, the temperature of the hot source always being that of sea water, given the properties of propane. .
  • document US-A-2015/0075164 discloses a combination of several cycles in which a hot source supplies the vaporization exchangers of each cycle in series and a cold source supplies the condensation exchangers of each cycle in parallel.
  • document US-A-2009/0100845 is a combination of several cycles in which LNG is used as a cold source in the condensation exchanger of the cycles and in which the same working fluid condenses at several pressure levels. against the cold source, depending on temperature levels.
  • the arrangements according to the prior art are not entirely satisfactory for various reasons.
  • US-A-2015/0075164 is suitable for recovering calories contained in a hot source, which gives up its heat to the working fluid and the temperature of which therefore decreases as successive passes through the heat recovery exchangers. .
  • This solution does not solve the problem of recovering cold from a cold source.
  • US 2009/0100845 uses a single working fluid.
  • the more the cold source heats up the higher the condensation pressure. Expansion in the associated turbine therefore generates less power.
  • the object of the present invention is to resolve all or part of the above-mentioned problems, in particular by proposing a method for generating electricity in which the recovery of cold is improved and the energy efficiency further increased compared to the prior art. .
  • the solution according to the invention is then a method for producing electrical energy implementing at least a first Rankine cycle and a second Rankine cycle, said cycles being operated in at least one heat exchange device comprising several passages. configured for the flow of fluids to be placed in a heat exchange relationship, said first Rankine cycle comprising the following steps:
  • step b) outlet of the first working fluid from step a) from the first passage and expansion to a first low pressure lower than the first high pressure, in a first expansion member cooperating with a first electric generator so as to produce electrical energy,
  • step c) introduction of the first working fluid expanded in step b) in at least a third passage and condensation of at least part of said first working fluid against at least a first cold stream flowing in at least a fourth passage in relation heat exchange with at least said third passage, d) outlet of the first working fluid at least partially condensed in step c) from the third passage, raising the pressure of said first working fluid to the first high pressure ( Ph1) and reintroduction in the first passage, and the second Rankine cycle comprising the following steps:
  • step f) outlet of the second working fluid at least partially vaporized in step e) from the fifth passage (5) and expansion to a second low pressure lower than the second high pressure, in a second expansion member cooperating with a second electric generator to produce electric energy, g) introduction of the second working fluid relaxed in step f) in at least a seventh passage and condensation of at least part of said second working fluid against at least a second cold stream flowing in at least an eighth passage in relation heat exchange with at least the seventh passage,
  • the invention may include one or more of the following characteristics:
  • the first cold stream is introduced into said at least a fourth passage at a temperature below -100 ° C.
  • step c) the first working fluid flows against the current with the first cold flow and / or in stage g), the second working fluid flows against the flow of the second cold flow.
  • the first cold stream is either reheated in the fourth passage by heat exchange with the first fluid) and the second cold stream is totally vaporized in the eighth passage by heat exchange with the second fluid, or partially vaporized in the fourth passage by exchange of heat with the first fluid and the second cold stream is at least partially vaporized in the eighth passage by heat exchange with the second fluid, i.e. only heated in the fourth passage and the second cold stream is at least partially vaporized in the eighth passage .
  • the first Rankine cycle and the second Rankine cycle are organic cycles, the first working fluid and the second working fluid respectively comprising a first mixture of hydrocarbons and a second mixture of hydrocarbons, preferably the first and the second mixture of hydrocarbons each contain at least two hydrocarbons chosen from methane, ethane, propane, butane, ethylene, propylene, butene, isobutane, optionally added with at least one additional component chosen from nitrogen, argon, helium, carbon dioxide, neon.
  • the first Rankine cycle and the second Rankine cycle are organic cycles, the first working fluid and the second working fluid being pure substances consisting respectively of a first hydrocarbon and a second hydrocarbon.
  • the second cold stream exiting the eighth passage is introduced into at least a ninth passage to be warmed there against a third hot current flowing in at least a twelfth passage in heat exchange relationship with the ninth passage.
  • the first hot stream, the second hot stream and / or the third stream are formed of sea water, preferably sea water introduced into the second passage, the sixth passage and / or the twelfth passage at a strictly temperature greater than 0 ° C, preferably between 10 and 30 ° C, the sea water having optionally undergone a reheating step before introduction into said passages.
  • the first high pressure is greater than the first low pressure of the first working fluid by a multiplying factor of between 2.5 and 15 and / or the second high pressure is greater than the second low pressure of the second working fluid by a multiplying factor between 2.5 and 15, the first and / or second high pressures are between 10 and 40 bar and / or the first and / or second low pressures are between 5 and 15 bar.
  • step d) the first working fluid leaving the third passage is introduced into at least a tenth passage in heat exchange relationship with the third and / or fourth passages, before being reintroduced into the first passage and / or, in step h), the second working fluid leaving the seventh passage is introduced into at least an eleventh passage in heat exchange relationship with the seventh and / or eighth passages, before being reintroduced into the fifth passage .
  • the first cold stream is a stream of liquefied hydrocarbons such as liquefied natural gas or a stream of cryogenic liquid selected from: a stream of liquefied nitrogen, a stream of liquefied oxygen, a stream of liquefied hydrogen.
  • a stream of liquefied hydrocarbons such as liquefied natural gas or a stream of cryogenic liquid selected from: a stream of liquefied nitrogen, a stream of liquefied oxygen, a stream of liquefied hydrogen.
  • the first cold stream is a stream of liquefied hydrocarbons, such as liquefied natural gas, introduced completely liquefied in the fourth passage at a temperature between -140 and -170 ° C and the second cold stream leaves the eighth passage and / or the ninth pass totally vaporized at a temperature between 5 and
  • the first working fluid is introduced into the first passage at a first temperature T1 and the second working fluid is introduced into the fifth passage at a second temperature T2 greater than the first temperature T1 with, preferably, T1 between -1 10 and -70 ° C and T2 between -60 and -30 ° C.
  • the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth, ninth, tenth, eleventh and / or twelfth passages form part of at least one heat exchanger of the brazed plate type, said exchanger comprising a stack of several plates parallel and spaced with respect to each other so as to define between them series of several passages within said exchanger.
  • the first and second passages are part of a first heat exchanger
  • the third and fourth passages with possibly the tenth passages are part of a second heat exchanger
  • the fifth and sixth passages are part of a third heat exchanger
  • the seventh and eighth passages with possibly the eleventh passages form part of a fourth exchanger, said exchangers forming physically distinct entities.
  • the first and second passages, the fifth and sixth passages and possibly the ninth passages form part of the same heat exchanger, the first working fluid being introduced from a first inlet located at a cold end of said exchanger and having the lowest temperature of the exchanger, the second hot stream being introduced from a second inlet located at a hot end of said exchanger and having the highest temperature of the exchanger up to a second outlet arranged at the cold end of the exchanger and the second working fluid coming from the seventh passages being introduced into the exchanger by a third inlet arranged at a first intermediate level of the exchanger located between the cold end and the hot end, the second cold stream possibly being introduced into the exchanger by a fourth inlet arranged at a second intermediate level located between the first intermediate level and the hot end of the exchanger.
  • the third, fourth, seventh and eighth passages are part of the same other exchanger, the first cold stream being introduced from a fifth inlet located at a cold end of said other exchanger and having the lowest temperature of the exchanger, the second working fluid expanded in step f) being introduced into the other exchanger from a sixth inlet located at a hot end of the other exchanger and having the highest temperature of the other exchanger, the first working fluid expanded in step b) being introduced into the other exchanger from a seventh inlet arranged at a third intermediate level located between the cold end and the hot end of the other exchanger.
  • the first cold stream is a stream of cryogenic liquid introduced into the fourth passage at a temperature below -180 ° C, preferably between -180 and -253 ° C.
  • the first, second and / or third generators are combined one and the same electric generator, the first expansion member, the second expansion member and / or the third expansion member being coupled to this same electric generator so that said electric generator generates electrical energy simultaneously from the first cycle, the second Rankine cycle and / or the third Rankine cycle.
  • the method implements a third Rankine cycle comprising the following steps: i) introduction at a third high pressure of a third working fluid in at least a thirteenth passage and vaporization of at least a part of said third working fluid against at least a fourth hot stream,
  • step i) outlet of the third working fluid at least partially vaporized in step i) from at least a thirteenth passage and expansion to a third low pressure lower than the third high pressure, in a third expansion member cooperating with a third electric generator to produce electric energy,
  • step f) introduction of the third working fluid expanded in step f) into the second passage, so as to form at least in part the first hot stream of the first Rankine cycle, and condensation of at least part of said third fluid working against at least the first working fluid which vaporizes in the first passage,
  • the invention relates to an installation for producing electrical energy comprising means for implementing a first Rankine cycle and a second Rankine cycle comprising at least one heat exchange device comprising several passages configured for the flow of fluids to be placed in a heat exchange relationship, the means for implementing the first Rankine cycle comprising:
  • a first expansion member arranged downstream of said first passage and configured to reduce the pressure of the first working fluid leaving the first passage from a first high pressure to a first low pressure
  • a first pressure-lifting member arranged downstream of said third passage and configured to increase the pressure of the first working fluid leaving the third from the first low pressure to the first high pressure
  • a second expansion member arranged downstream of said fifth passage and configured to reduce the pressure of the second working fluid leaving the fifth passage from a second high pressure to a second low pressure
  • a second pressure-lifting member arranged downstream of said seventh passage and configured to increase the pressure of the second working fluid leaving the seventh passage from the second low pressure to the second high pressure
  • the eighth passage being arranged downstream of the fourth passage and placed in fluid communication with the fourth passage and so that the first cold stream leaving the fourth passage forms the second cold stream introduced into the eighth passage.
  • said installation may further comprise at least a tenth passage in heat exchange relationship with the third and / or fourth passages, said tenth passage being configured so that the first working fluid leaving the third passage is introduced into the at least a tenth pass before being reintroduced into the first pass.
  • said installation may comprise at least an eleventh passage in heat exchange relation with the seventh and / or eighth passages, said eleventh passage being configured so that the second working fluid leaving the seventh passage is introduced into the at least an eleventh pass before being reintroduced into the fifth pass.
  • the expression “natural gas” refers to any composition containing hydrocarbons including at least methane.
  • Fig. 1 schematically shows a method for generating electrical energy according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 2 schematically shows a method of generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows schematically a method for generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows schematically a method for generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 5 shows schematically a method of generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows schematically a method of generating electrical energy according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 7 shows process exchange diagrams according to embodiments of the invention.
  • Fig. 1 shows schematically a process for producing electricity by recovering cold from hydrocarbon streams F2, F1 used as cold streams, i. e. cold springs, in a combination of a first and second Rankine cycle.
  • Rankine cycles are implemented in at least one heat exchange device, which can be any device comprising passages suitable for the flow of several fluids and allowing direct or indirect heat exchange between said fluids.
  • a method according to the invention can comprise a number greater than two Rankine cycles combined according to the same principles as those set out below in the case of two Rankine cycles.
  • the cold streams F2, F1 can be natural gas.
  • the various fluids of the process circulate in one or more heat exchangers of the brazed plate and fin type, advantageously formed of aluminum.
  • These exchangers make it possible to work under low temperature differences and with reduced pressure drops, which improves the energy performance of the liquefaction process described above.
  • Plate heat exchangers also offer the advantage of obtaining very compact devices offering a large exchange surface in a limited volume.
  • These exchangers comprise a stack of plates which extend in two dimensions, length and width, thus constituting a stack of several series of passages, some being intended for the circulation of a circulating fluid, in this case the working fluid. cycle, others being intended for the circulation of a refrigerant, in this case cryogenic liquid such as liquefied natural gas to be vaporized.
  • Heat exchange structures such as heat exchange waves or fins, are generally arranged in the passages of the exchanger. These structures include fins that extend between the plates of the exchanger and increase the heat exchange surface of the exchanger.
  • heat exchangers can however be used, such as plate heat exchangers, shell and tube heat exchangers, or “core in kettle” type assemblies. That is to say plate or plate and fin exchangers embedded in a shell in which the refrigerant vaporizes.
  • the passages can be formed by the spaces in, around and between the tubes.
  • Fig. 1 shows schematically an embodiment in which a first Rankine cycle is implemented by means of a first exchanger E1 and a second exchanger E2.
  • the exchangers E1, E2 each comprise a stack of several plates (not visible) arranged parallel one above the other with spacing in a so-called stacking direction, which is orthogonal to the plates.
  • a passage is formed between two adjacent plates.
  • the gap between two successive plates is small compared to the length and width of each successive plate, so that each passage of the exchanger has a parallelepipedal and flat shape.
  • the passages intended for the circulation of the same fluid form a series of passages.
  • Each exchanger comprises several series of passages configured to channel the different fluids of the process parallel to an overall direction of flow z, the passages of a series being arranged, in whole or in part, alternately and / or adjacent to all or part of passages from another series.
  • the sealing of the passages along the edges of the plates is generally ensured by lateral and longitudinal sealing bars fixed to the plates.
  • the side sealing bars do not completely close the passages but leave inlet and outlet openings for the introduction and discharge of fluids.
  • These inlet and outlet openings are joined by collectors, generally of semi-tubular shape, ensuring a homogeneous distribution and recovery of the fluid over all the passages of the same series.
  • the first exchanger E1 acts as a vaporizer in the first Rankine cycle.
  • a first working fluid W1 circulates in at least a first passage 1 from an inlet 1a to an outlet 1b.
  • a first hot stream is introduced into the first exchanger from an inlet 21 to an outlet 22.
  • the first working fluid W1 is heated, vaporized at least partially by heat exchange with the first hot stream C1.
  • the first vaporized working fluid W1 is expanded in a first expansion member, preferably a turbine, coupled to a first electrical generator G converting the kinetic energy produced by the expanded fluid into electrical energy.
  • a first expansion member preferably a turbine
  • the first working fluid W1 enters the second heat exchanger E2 from an inlet 31 to an outlet 32 of at least a third passage 3.
  • the first working fluid W1 is placed in a heat exchange relationship with a first cold stream F1 flowing in at least a fourth passage 4 of the second exchanger E2 from an inlet 41 to an outlet 42.
  • the first fluid from W1 work is condensed by heating the first cold stream F1 and leaves in the liquid state through the outlet 32 to be then returned to the first exchanger E1, after pressurization by a pressure-lifting member such as a pump, which closes the first cycle .
  • first working fluid W1 resulting from the expansion in the first expansion member can optionally be in the two-phase state and be introduced with or without separation of the liquid and gas phases upstream of the second exchanger E2.
  • hot stream or “cold stream” is meant a stream formed from one or more fluids providing a source of heat or cold by heat exchange with another fluid.
  • a second Rankine cycle is implemented and uses a second working fluid W2, preferably of different composition from that of the first working fluid W1.
  • the second working fluid W2 is introduced into a third exchanger E3 through an inlet 51 to an outlet 52 and circulates in at least a fifth passage 5 in which it is reheated, vaporized at least partially by heat exchange with a second stream.
  • hot C2 circulating in at least a sixth passage 6 between an inlet 61 and an outlet 62.
  • the second working fluid W2 is expanded according to the same principles as the first cycle and introduced, optionally in the two-phase state and optionally with phase separation, into a fourth heat exchanger E4 from an inlet 71 to a outlet 72 of at least a seventh passage 7 in which it is condensed by heating a second cold stream F2 circulating in at least an eighth passage 8.
  • the fourth exchanger E4 forms the condenser of the second cycle.
  • the second working fluid W2 from outlet 72 in the liquid state is pumped and reintroduced through inlet 51 of passages 5, which closes the second cycle.
  • Fig. 1 in particular shows an advantageous embodiment in which the first working fluid W1 condensed out of passage 3 is reintroduced into second exchanger E2 to circulate therein at least a tenth passage 10, before being reintroduced into first passage 1.
  • This configuration is preferred when the first working fluid W1 is not a pure substance but a mixture of several constituents, because it offers the advantage of further heating the temperature at which the first working fluid W1 leaves the second exchanger E2.
  • the second working fluid W2 condensed out of the passages 7 can also be reintroduced into at least an eleventh passage 11 of the fourth exchanger E4, before being reintroduced into the fifth passage 5 of the third exchanger.
  • Either of the first and second condensed working fluids may be subject to such re-introductions.
  • the reintroduction of the condensed fluid (s) into the exchanger (s) concerned makes it possible to heat them and to maximize their outlet temperature at the hot end and therefore the production of electricity during their expansion.
  • a reintroduction is carried out for each of the working fluids, which makes the process even more favorable in terms of energy.
  • This principle of additional passes in the condensation exchanger (s) is applicable to the other embodiments described in the present application.
  • the first cold stream F1 of the first Rankine cycle is formed by the second cold stream F2 issuing from the second Rankine cycle, that is to say that the same cold current supplies the cycles in series, in which it is vaporized and gradually heated against the second and first working fluids W2, W1, that is to say by heat exchange with said fluids.
  • F2 can therefore possibly be in the two-phase state.
  • Such an arrangement makes it possible to regasify the cold stream while ensuring more efficient recovery of the cold over the entire temperature gradient between the inlet temperature of the cold stream F1 in passage 4 and the temperature of the cold stream F2 at the outlet of the cold stream.
  • eighth passage 8 In fact, the recovery of the frigories of the cold stream is carried out separately on portions of passages 4, 8 where it has different temperature levels. It is then possible to best adapt the characteristics of each of the first and second working fluids, so that they exhibit boiling temperatures adapted to these temperature levels, to the high and low pressure levels that will be encountered. chosen for each of the two cycles.
  • a very large degree of freedom is thus available to increase the energy efficiency of the process, in particular by adjusting the temperatures, the pressures and / or the compositions of the working fluids as a function of the characteristics of the cold stream F1 to be heated, in particular its pressure. , its temperature, its composition ...
  • first cold stream F1 can be vaporized in whole or in part and / or reheated in the first Rankine cycle (passage 4) by heat exchange with the first fluid W1.
  • the second cold stream F2 can be vaporized in whole or in part in the second Rankine cycle (passage 8) by heat exchange with the second fluid W2.
  • the first cold stream F1 is only reheated in the at least one fourth passage 4 and it is the second cold stream F2 which is vaporized in the eighth passage 8.
  • the first cycle has for cold source only the sensible heat of de-subcooling of the first stream.
  • the first cold stream F1 is partially vaporized in the at least one fourth passage 4.
  • the cold source of the first cycle is the sensible heat of de-subcooling of the first stream and part of the latent heat of vaporization of the first cold current.
  • the first cold stream F1 is vaporized only in the at least one fourth passage 4, i. e. comes out completely vaporized from the fourth passage 4.
  • the cold source of the first cycle is the sensible heat of de-subcooling of the first stream and all the latent heat of vaporization of the first cold stream, possibly with a sensible heat for reheating the first vaporized stream.
  • the first cold stream F1 can also be partially vaporized in the fourth passage 4 and the second cold stream F2 can be partially vaporized in the eighth passage 8.
  • the second cold stream F2 exiting at 82 from the eighth passage 8 is introduced into at least a ninth passage 9 of a fifth exchanger E5, in order to continue its heating there against a third hot stream C3.
  • This is advantageous in cases where the temperature obtained at the outlet 82 of the exchanger E4 is too low and incompatible with the material forming the pipes of the natural gas distribution network.
  • the cold stream F2 recovered at the end of the outlets 82 or 92 supplies at least one pipe of a fluid distribution network (at 100 in FIG. 1), in particular a hydrocarbon distribution network. such as natural gas.
  • a fluid distribution network such as natural gas.
  • the inlets and outlets of the condensation passages 3, 7 are arranged so that the first and second working fluids W1, W2 circulate, during steps c) and g), against the current with the first and second cold currents F1, F2 respectively.
  • the hot streams C1, C2 of the cycles circulate against the current of the vaporized working fluids in each cycle.
  • the third current C3 circulates against the current of the cold current F2 possibly circulating in the passages 9.
  • Fig. 1 and Fig. 2 illustrate configurations in which the Rankine cycles are operated in exchangers forming physical entities distinct from each other, ie each forming at least one distinct stack of plates and passages.
  • FIG. 3 shows an embodiment in which the first exchanger E1 and the third exchanger E3, possibly with the fifth exchanger E5, form the same common exchanger E.
  • passages 1, 2, 5, 6 and 9 are part of the same exchanger E.
  • the first working fluid W1 is introduced from a first inlet 1 a located at a cold end of said exchanger E and having the lowest temperature of exchanger E.
  • the second hot stream C2 is introduced from from a second inlet 61 located at a hot end of said exchanger E, the second inlet 61 having the highest temperature of exchanger E, to a second outlet 22 arranged at the cold end of exchanger E.
  • cold end is meant the point of entry into an exchanger where a fluid is introduced at the lowest temperature of all the temperatures of the exchanger.
  • hot end is meant the point of entry into an exchanger where a fluid is introduced at the highest temperature of all the temperatures of this exchanger.
  • the second working fluid W2 from the passages 7, either directly or via the additional passages 11, is introduced into the exchanger E by a third inlet 51 arranged at a first intermediate level located in the direction of flow z, between the cold end and the hot end of exchanger E.
  • the second cold stream F2 can optionally be introduced into the exchanger E via a fourth inlet 91 arranged at a second intermediate level located between the first intermediate level and the hot end of the exchanger E.
  • each passage of said series forms an extension of a corresponding passage of the other series, and therefore one and the same passage of the exchanger E formed between two same plates.
  • the passages 2 of the second series are formed between the same plates of the exchanger E and are arranged in the continuity of the passages 6 of the sixth series.
  • a passage 2 and a passage 6 thus forming one and the same passage of the exchanger E delimited between two same plates of the exchanger E and in which the hot stream C2 circulates from the inlet 61 to the outlet 22.
  • passages from one series and passages from another series in which different fluids circulate are superimposed within a single stack, adjacent or not. This is the case of passages 5, 1, or even 9, in Fig. 1.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the second exchanger E2 and the fourth exchanger E4 form the same common exchanger E ′.
  • the first and third exchangers E1, E3 form the same exchanger E but could just as easily remain separate.
  • the passages 4 and 8 for the circulation of the cold current F1 are arranged in continuity with one another.
  • the first cold stream F1 is introduced from a fifth inlet 41 located at a cold end of the other exchanger E ’and at which the temperature is the lowest of exchanger E’.
  • the second working fluid W2 expanded in step f) is introduced, optionally in the two-phase state, into the other exchanger E 'from a sixth inlet 71 located at a hot end of the other.
  • exchanger E 'and having the highest temperature of the other exchanger E', the first working fluid W1 expanded in step b) being introduced, optionally in the two-phase state, from a seventh inlet 31 arranged at a third intermediate level located between the cold end and the hot end of the other exchanger E '.
  • the second working fluid W2 leaves the other exchanger E 'via a third outlet 72 arranged at a fourth intermediate level located, in the general direction of flow z for the cold stream, between the third intermediate level and the hot end of exchanger E '.
  • the two cycles of electricity generation have a generally simultaneous operating mode.
  • the cold stream F2, F1 is formed from a stream of hydrocarbons, in particular natural gas, preferably comprising, in molar fraction, at least 60% methane (CFU), preferably at least 80%.
  • the natural gas can optionally comprise ethane (C2H6), propane (C3H8), butane (nC 4 Hio) or isobutane (1C4H 10), nitrogen, preferably in contents between 0 and 10% (mol%). Thanks to the process of the invention, the necessary regasification is carried out before injecting the natural gas into the distribution network, while upgrading the frigories of the liquefied natural gas.
  • Cold currents of another nature can advantageously feed the process according to the invention to be vaporized before use.
  • cryogenic liquid for example liquid oxygen, liquid nitrogen, or even liquid hydrogen can be used.
  • the vaporization of such liquids can help ensure a continuous supply of gas when a production plant is shut down and save some of the energy spent on building up liquid stocks.
  • the vaporization temperatures of these constituents being much lower than those of natural gas, it may be advantageous to implement a process combining 3 Rankine cycles, or even more, in the continuity of one of the preceding descriptions.
  • the first working fluid W1 and the second working fluid W2 are organic fluids, that is to say fluids comprising one or more organic components such as hydrocarbons.
  • Rankine cycles of the process according to the invention are not organic cycles.
  • the working fluid of the cycle working at the lowest temperature may include one or more components such as hydrogen, nitrogen, argon, helium, neon in addition to or substitution of all or part of the organic components. It will thus be possible to envisage working with working fluids free of organic components.
  • first fluid W1 and / or the second fluid W2 it is possible to use pure substances of a different nature to form the first fluid W1 and / or the second fluid W2.
  • ethylene can be used as the first working fluid W1 and ethane as the second working fluid W2.
  • This choice is explained by the properties physics of these constituents which exhibit saturated vapor pressures for the temperature range swept by the LNG vaporization compatible with good mechanical strength of brazed aluminum exchangers and expansion turbine components.
  • ORC cycles allows the design of compact and efficient systems.
  • working fluids of different compositions are preferably used in the different Rankine cycles but it should be noted that it is still possible to envisage using working fluids of the same composition, by then adjusting the pressures in an appropriate manner. operating procedures of these fluids. This is possible for relatively small temperature differences between the cold and hot currents of the cycles, for example when the second cold stream is a liquefied gas at very high pressure and the first hot stream is sea water at a sufficiently low temperature. .
  • mixed working fluids comprising respectively a first mixture of hydrocarbons and a second mixture of hydrocarbons, preferably the first and the second mixture of hydrocarbons each contain at least two hydrocarbons chosen from methane. , ethylene (C2H4), propane, ethane, butane or isobutane, butene, propylene.
  • the first working fluid W1 and the second working fluid W2 can optionally comprise at least one additional component chosen from hydrogen, nitrogen, argon, helium, neon, in addition to or substitution of the organic components, and this in particular if the cryogenic liquid to be vaporized has a lower boiling point than that of methane.
  • mixed working fluids makes it possible to reduce the energy losses linked to the irreversibility of heat exchanges between cold and hot fluids by reducing the temperature differences between the cold currents and the working fluids at each point depending on the length of the the exchanger.
  • the compositions, pressures before and after expansion and / or temperatures of each fluid can be adapted to ensure the best possible energy recovery.
  • the working fluids are mixed, ie are mixtures, they leave the liquid exchanger (s) at very low temperature and that it is then advantageous to re-introduce the condensed fluids into the fluid (s). heat exchangers concerned in order to heat them and maximize their outlet temperature at the hot end and therefore the production of electricity during their expansion in the turbine.
  • the proportions in mole fractions (%) of the components of the first mixture of hydrocarbons can be (mole%):
  • Methane 20 to 60%, preferably 30 to 50%
  • Propane 0 to 20%, preferably 0 to 10%
  • Ethylene 20 to 70%, preferably 30 to 60%
  • the proportions in mole fractions (%) of the components of the second mixture of hydrocarbons can be:
  • Methane 0 to 20%, preferably 0 to 10%
  • Propane 20 to 60%, preferably 30 to 50%
  • Ethylene 20 to 60%, preferably 30 to 50%
  • Isobutane 0 to 20%, preferably 0 to 10%
  • the first hot stream C1, the second hot stream C2 and / or the third hot stream C3, are formed from sea water, preferably at an inlet temperature in the exchanger greater than 0 ° C, of preferably between 10 and 30 ° C.
  • first hot stream C1, the second hot stream C2 and or the third hot stream C3 can optionally come from the same hot source of fluid supplying in series the second passage 2, the sixth passage 6 and / or the twelfth passage 12.
  • the first cold stream F1 is a stream of hydrocarbons introduced completely liquefied at inlet 41 at a temperature between -140 and -170 ° C.
  • the temperature of the fluid at the inlet 71 is preferably the order of its equilibrium temperature at the storage pressure.
  • the second cold stream F2 has a temperature of between -85 and -105 ° C at the outlet 42 of the second exchanger E2, a temperature of between -10 and -20 ° C at the outlet 82 of the fourth exchanger E4 (or of the exchanger E 'if applicable) and / or a temperature between 5 and 50 ° C at the outlet 92 of the fifth exchanger E5 (or of the exchanger E if applicable), to be introduced at this temperature into a distribution network 100.
  • the second cold stream F2 leaves completely vaporized through the outlet 82 or the outlet 92.
  • the second cold stream and the first cold stream have pressures of between 10 and 100 bar throughout the passages 4, 8, 9 in which they flow.
  • the first working fluid W1 has, after its condensation in the third passage 3, a first temperature T1.
  • the second working fluid W2 has, after its condensation in the seventh passage 7, a second temperature T2, with T2 greater than T1.
  • T2 is between - 60 and - 30 ° C and T1 between -1 10 and -70 ° C.
  • the first working fluid W1 leaves vaporized from the first passage 1 at a temperature of between 0 and - 30 ° C and / or the second working fluid W2 leaves vaporized from the fifth passage 5 at a temperature of between 5 and 25 ° vs.
  • the first working fluid W1 and the second working fluid W2 leave the third passage 3 and the seventh passage 7 respectively at first and second so-called low pressures Pb1, Pb2, and enter the first passage 1 and the fifth passage 5 respectively to the first and second so-called high pressures Ph1, Ph2.
  • the first and / or second high pressures Ph1, Ph2 are between 10 and 40 bar and / or the first and / or second low pressures Pb1, Pb2 are between 1 and 5 bar. More preferably, the first high pressure Ph1 is greater than the first low pressure Pb1 by a multiplying factor of between 2.5 and 15 and / or the second high pressure Ph2 is greater than the second low pressure Pb2 by a multiplying factor between 2.5 and 15.
  • These values and pressure ratios make it possible to adapt the process to the enthalpy curves of the fluids and to best adjust the equilibrium temperatures. The higher the pressure you work, the greater the amount of energy recovered. A multiplier factor of at least 2.5 can recover enough energy. In practice, the pressures are limited by the capacity of the trigger organs.
  • the method according to the invention can also implement at least a third Rankine cycle combined with the first Rankine cycle so that the third working fluid circulating in this third cycle at least partly forms the first current hot from the first Rankine cycle.
  • a third working fluid W3 is introduced at a third high pressure Ph3 into at least a thirteenth passage 13 of a sixth exchanger E6 and vaporization of at least part of said third working fluid W3 against at least a fourth stream hot C4 circulating in passages of exchanger E6 which are in heat exchange relation with passages 13.
  • the third working fluid W3 emerging at least partially vaporized from the passages 13 is expanded in a third expansion member to a third low pressure Pb3, Pb3 being less than Ph3, the factors and ranges provided above may apply.
  • the third expansion member is connected to a third electrical generator, which may optionally be common to the first and / or second cycles, so as to produce electrical energy.
  • the expanded third working fluid W3 is then introduced into the second passage 2 and condenses at least in part against at least the first working fluid W1 which vaporizes in the first passage 1.
  • the third working fluid W3 exiting the second passage 2 is reintroduced, after raising its pressure to the third high pressure Ph3, into the thirteenth passage 13, thus closing the third cycle.
  • This embodiment makes it possible to further increase the energy efficiency of the process and to reduce the temperature differences between the fluids and the irreversibilities associated with said differences, in order to recover as much energy as possible.
  • the third working fluid condensed out of passages 2 can also be reintroduced into exchanger E1, before being reintroduced into thirteenth passage 13 of the fifth exchanger (see Fig. 6). This is advantageous when the third working fluid is a mixture of several constituents, because this makes it possible to further heat the temperature at which the third working fluid W3 leaves the first exchanger E1.
  • the cold streams were natural gas comprising 90.5% methane, 7.3% ethane, 1.5% propane, 0.2% butane, 0.3% isobutane, 0.2% d 'nitrogen (mol%).
  • the exchanger configuration used was according to Fig. 2 and for simulation n ° 3, the exchanger configuration used was according to Fig. 1.
  • the only working fluid was propane.
  • the pressure of the working fluid W1 was 7.5 bar at the inlet of the vaporization exchanger and 1.5 bar at the outlet 32 of the condensation exchanger.
  • the hot stream was seawater at a pressure of 5 bar and a temperature of 23 ° C at the inlet to the vaporization exchanger.
  • the first W1 working fluid was ethylene.
  • the second working fluid was ethane.
  • the pressure of the first working fluid W1 was 32 bar at the inlet 1 a and 2 bar at the outlet 32.
  • the pressure of the second working fluid W2 was 27 bar at the inlet 51 and 5.7 bar at outlet 72.
  • the natural gas pressure was 90 bar at inlet 41 and 89 bar at outlet 92.
  • the hot streams C1, C2, C3 was sea water at a pressure of 5 bar in inlet and outlet of passages 2, 6, 12. Table 1 shows the fluid temperatures calculated at the inlet or outlet of different passages.
  • the first working fluid W1 was a mixture of hydrocarbons comprising 53% ethylene, 41% methane, 6% propane (mol%).
  • the second working fluid W2 was a mixture of hydrocarbons comprising 46% ethylene, 38% propane, 8% methane, 8% isobutane (mol%).
  • the pressure of the first working fluid W1 was 31.0 bar at the inlet 101 and 1.8 bar at the outlet 92.
  • the pressure of the second working fluid W2 was 12.4 bar at the inlet 1 1 1 and 4.6 bar at the outlet 72.
  • the natural gas pressure was 90 bar at the inlet
  • the energy yield obtained was 0.016 kWh / Nm 3 .
  • the energy efficiency of the first Rankine cycle was 0.01 14 kWh / Nm 3 and the energy efficiency of the second Rankine cycle was 0.0049 kWh / Nm 3 , for a total efficiency of 0 , 01634 kWh / Nm 3 , representing a gain of around 2% compared to simulation n ° 1.
  • the energy efficiency of the first Rankine cycle was 0.016 kWh / Nm 3 and the energy efficiency of the second Rankine cycle was 0.01 1 kWh / Nm 3 , for a total efficiency of 0.027 kWh / Nm 3 , representing a gain of around 68% compared to simulation n ° 1.
  • the use of a first working fluid and a second mixed W2 working fluid makes it possible to significantly increase the performance of the process, thanks to the improvement of the exchange diagrams between the liquefied natural gas and the working fluids .
  • the schemes for reintroducing the working fluids into the exchange passages as described above also contribute to the greater energy efficiency of the process.
  • Fig. 7 shows a comparison of the exchange diagrams Heat exchanged (“heat flow”) - Temperature (AFI - T), or enthalpy curves, obtained on the one hand with a combination of cycles with pure working fluids according to simulation n ° 2 (in (a)) and on the other hand with a combination of cycles with mixed working fluids according to simulation n ° 3 (in (b)).
  • the diagrams shown are obtained for a flow rate of 3000 Nm 3 / h of treated LNG (ie approximately a 1/100 scale of an industrial unit).
  • Curves A, B, C, D illustrate the evolution of the quantity of heat exchanged as a function of temperature for all the refrigerants which heat up and / or vaporize in the processes, including LNG (curves A and C) and all the circulating fluids which cool and / or condense in the processes, including the first and second working fluids (curves B and D), for each of the two simulated configurations. It can be seen in Fig. 5 (b) that the average temperature difference is significantly reduced by the use of working fluids composed of a mixture of constituents, which explains the better efficiency of this cycle.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de production d'énergie électrique mettant en œuvre au moins un premier cycle de Rankine et un deuxième cycle de Rankine, ledit premier cycle de Rankine comprenant la vaporisation d'au moins une partie dudit premier fluide de travail (W1) contre au moins un premier courant chaud (C1), puis la détente du premier fluide de travail (W1) dans un premier organe de détente coopérant avec un premier générateur électrique de façon à produire de l'énergie électrique, la condensation d'au moins une partie dudit premier fluide de travail (W1) contre au moins un premier courant froid (F1), l'élévation de la pression dudit premier fluide de travail (W1) jusqu'à la première pression (Ph1) et fermeture du premier cycle, et le deuxième cycle de Rankine comprenant la vaporisation d'un deuxième fluide de travail (W2) contre au moins un deuxième courant chaud (C2), la détente du deuxième fluide de travail (W2) dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l'énergie électrique, la condensation d'au moins une partie dudit deuxième fluide de travail (W2) contre au moins un deuxième courant froid (F2), l'élévation de la pression dudit deuxième fluide de travail (W2) et fermeture du deuxième cycle. Selon l'invention, le premier courant froid (F1) du premier cycle forme le deuxième courant froid (F2) du deuxième cycle.

Description

Procédé de production d’énergie électrique utilisant plusieurs cycles de
Rankine combinés
La présente invention concerne un procédé de production d’énergie électrique mettant en œuvre une combinaison de plusieurs cycles de Rankine à rendement amélioré. Dans le cas où un courant de liquide cryogénique tel que le gaz naturel liquéfié est vaporisé pour être distribué dans des réseaux de distribution, il peut être utilisé comme source de froid des cycles de Rankine, et le procédé selon l’invention peut assurer la regazéification dudit courant d’hydrocarbures avec valorisation de son contenu frigorifique.
Il est d’usage que le gaz naturel issu de champs éloignés des lieux de consommation soit liquéfié avant d’être stocké à bord de navires spécialement adaptés, les méthaniers, pour être transporté sur de longues distances. En effet, le gaz naturel occupe, à l’état liquide, un volume plus petit pour une masse donnée et n’a pas besoin d’être stocké à une pression élevée.
Avant d’alimenter les réseaux de distribution, le gaz naturel liquéfié (GNL) doit être regazéifié, ou dit autrement revaporisé, à une pression de l’ordre de 10 à 90 bar selon les réseaux. Cette revaporisation s’effectue dans des terminaux méthaniers, généralement à température ambiante en échangeant de la chaleur avec de l’eau de mer, éventuellement de l’eau de mer chauffée au gaz naturel. Le contenu frigorifique du gaz naturel liquéfié n’est alors aucunement valorisé.
Il existe différentes méthodes pour générer de l’électricité à partir des frigories du gaz naturel liquéfié et ainsi valoriser son contenu énergétique.
Une méthode connue repose sur une expansion directe du gaz naturel. Le gaz naturel liquéfié est pompé à une pression supérieure à celle du réseau de distribution, vaporisé par échange de chaleur avec une source chaude telle que l’eau de mer, puis détendu jusqu’à la pression du réseau dans une turbine de détente associée à un générateur électrique.
D’autres méthodes reposent sur des cycles thermodynamiques utilisant un fluide intermédiaire, ou fluide de travail. Parmi ces méthodes, on connaît le cycle de Rankine, dans lequel un fluide de travail est vaporisé sous pression contre une source chaude telle que de l’eau de mer dans un premier échangeur de chaleur, puis détendu dans une turbine couplée à un générateur électrique. Le fluide de travail détendu est ensuite condensé dans un deuxième échangeur contre du GNL qui est utilisé comme source froide du cycle. Il en résulte un fluide de travail liquide à basse pression qui est pompé et reconduit à haute pression dans le premier échangeur, fermant ainsi le cycle.
Si le cycle de Rankine peut fonctionner avec de l’eau comme fluide de travail pour des applications telles que la récupération de chaleur d’origine géothermique, l’utilisation de fluides organiques s’évaporant à basse température permet d’exploiter des sources froides à faible température. On parle alors de cycle organique de Rankine ou cycle ORC (pour Organic Rankine Cycle).
Les cycles ORC sont classiquement industrialisés en utilisant le GNL comme source froide et de l’eau de mer comme source chaude, mais ils présentent des rendements énergétiques relativement faibles, de l’ordre de 20 kWh par tonne de GNL vaporisée, c’est-à-dire 0,015 kWh/Nm3. En particulier, les cycles ORC classiques utilisant du propane en tant que fluide de travail sont limités par la température basse à laquelle ils peuvent travailler, la température de la source chaude étant toujours celle de l’eau de mer compte-tenu des propriétés du propane.
Afin d’augmenter le rendement énergétique, il a été proposé de combiner plusieurs cycles fonctionnant avec plusieurs fluides de travail. Ainsi, on connaît du document US-A-2015/0075164 une combinaison de plusieurs cycles dans laquelle une source chaude alimente en série les échangeurs de vaporisation de chaque cycle et une source froide alimente en parallèle les échangeurs de condensation de chaque cycle. On connaît par ailleurs du document US-A-2009/0100845 une combinaison de plusieurs cycles dans laquelle du GNL est utilisé comme source froide dans l’échangeur de condensation des cycles et dans lesquels le même fluide de travail se condense à plusieurs niveaux de pressions contre la source froide, selon les niveaux de températures. Toutefois, les arrangements selon l’art antérieur ne donnent pas entière satisfaction pour différentes raisons.
Ainsi, US-A-2015/0075164 est adapté à une récupération de calories contenues dans une source chaude, qui cède sa chaleur au fluide de travail et dont la température diminue donc au fur et mesure des passages successifs dans les échangeurs de récupération de chaleur. Cette solution ne résout pas le problème de récupérer le froid d’une source froide.
Par ailleurs, US 2009/0100845 utilise un fluide de travail unique. Dans ce cas, plus la source froide se réchauffe, plus la pression de condensation est élevée. La détente dans la turbine associée génère donc moins de puissance. La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un procédé de génération d’électricité dans lequel la récupération de froid est améliorée et le rendement énergétique encore augmenté par rapport à l’art antérieur.
La solution selon l’invention est alors un procédé de production d’énergie électrique mettant en œuvre au moins un premier cycle de Rankine et un deuxième cycle de Rankine, lesdits cycles étant opérés dans au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, ledit premier cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :
a) introduction d’un premier fluide de travail ayant une première pression haute dans au moins un premier passage et vaporisation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail contre au moins un premier courant chaud circulant dans au moins un deuxième passage en relation d’échange thermique avec au moins ledit premier passage,
b) sortie du premier fluide de travail issu de l’étape a) du premier passage et détente jusqu’à une première pression basse inférieure à la première pression haute, dans un premier organe de détente coopérant avec un premier générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
c) introduction du premier fluide de travail détendu à l’étape b) dans au moins un troisième passage et condensation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail contre au moins un premier courant froid circulant dans au moins un quatrième passage en relation d’échange thermique avec au moins ledit troisième passage, d) sortie du premier fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape c) du troisième passage, élévation de la pression dudit premier fluide de travail jusqu’à la première pression haute (Ph1 ) et réintroduction dans le premier passage, et le deuxième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :
e) introduction d’un deuxième fluide de travail ayant une deuxième pression haute dans au moins un cinquième passage et vaporisation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail contre au moins un deuxième courant chaud circulant dans au moins un sixième passage (6) en relation d’échange thermique avec le cinquième passage,
f) sortie du deuxième fluide de travail au moins partiellement vaporisé à l’étape e) du cinquième passage (5) et détente jusqu’à une deuxième pression basse inférieure à la deuxième pression haute, dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique, g) introduction du deuxième fluide de travail détendu à l’étape f) dans au moins un septième passage et condensation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail contre au moins un deuxième courant froid circulant dans au moins un huitième passage en relation d’échange thermique avec au moins le septième passage,
h) sortie du deuxième fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape g) du septième passage, élévation de la pression dudit deuxième fluide de travail jusqu’à la deuxième pression haute et réintroduction dudit deuxième fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape g) dans le cinquième passage, caractérisé en ce que le premier courant froid sortant du quatrième passage après l’étape c) est introduit dans le huitième passage, le premier courant froid formant ainsi le deuxième courant froid du deuxième cycle de Rankine. Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
le premier courant froid est introduit dans ledit au moins un quatrième passage à une température inférieure à -100°C.
à l’étape c), le premier fluide de travail circule à contre-courant avec le premier courant froid et/ou à l’étape g), le deuxième fluide de travail circule à contre-courant avec le deuxième courant froid.
le premier courant froid est soit réchauffé dans le quatrième passage par échange de chaleur avec le premier fluide) et le deuxième courant froid est totalement vaporisé dans le huitième passage par échange de chaleur avec le deuxième fluide, soit vaporisé partiellement dans le quatrième passage par échange de chaleur avec le premier fluide et le deuxième courant froid est au moins partiellement vaporisé dans le huitième passage par échange de chaleur avec le deuxième fluide, soit seulement réchauffé dans le quatrième passage et le deuxième courant froid est au moins partiellement vaporisé dans le huitième passage.
le premier cycle de Rankine et le deuxième cycle de Rankine sont des cycles organiques, le premier fluide de travail et le deuxième fluide de travail comprenant respectivement un premier mélange d’hydrocarbures et un deuxième mélange d’hydrocarbures, de préférence le premier et le deuxième mélange d’hydrocarbures contiennent chacun au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’éthylène, le propylène, le butène, l’isobutane, éventuellement additionnés d’au moins un composant additionnel choisi parmi l'azote, l’argon, l’hélium, le dioxyde de carbone, le néon. le premier cycle de Rankine et le deuxième cycle de Rankine sont des cycles organiques, le premier fluide de travail et le deuxième fluide de travail étant des corps purs constitués respectivement d’un premier hydrocarbure et d’un deuxième hydrocarbure.
le deuxième courant froid sortant du huitième passage est introduit dans au moins un neuvième passage pour y être réchauffé contre un troisième courant chaud circulant dans au moins un douzième passage en relation d’échange thermique avec le neuvième passage.
le premier courant chaud, le deuxième courant chaud et/ou le troisième courant sont formés d’eau de mer, de préférence de l’eau de mer introduite dans le deuxième passage, le sixième passage et/ou le douzième passage à une température strictement supérieure à 0 °C, de préférence comprise entre 10 et 30 °C, l’eau de mer ayant éventuellement subi une étape de réchauffage avant introduction dans lesdits passages.
la première pression haute est supérieure à la première pression basse du premier fluide de travail d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15 et/ou la deuxième pression haute est supérieure à la deuxième pression basse du deuxième fluide de travail d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15, les première et/ou deuxième pressions hautes sont comprises entre 10 et 40 bar et/ou les première et/ou deuxième pressions basses sont comprises entre 5 et 15 bar.
à l’étape d), le premier fluide de travail sortant du troisième passage est introduit dans au moins un dixième passage en relation d’échange thermique avec les troisième et/ou quatrième passages, avant d’être réintroduit dans le premier passage et/ou, à l’étape h), le deuxième fluide de travail sortant du septième passage est introduit dans au moins un onzième passage en relation d'échange thermique avec les septième et/ou huitième passages, avant d’être réintroduit dans le cinquième passage.
le premier courant froid est un courant d’hydrocarbures liquéfié tel du gaz naturel liquéfié ou un courant de liquide cryogénique choisi parmi : un courant d’azote liquéfié, un courant d’oxygène liquéfié, un courant d’hydrogène liquéfié.
le premier courant froid est un courant d’hydrocarbures liquéfié, tel du gaz naturel liquéfié, introduit totalement liquéfié dans le quatrième passage à une température comprise entre -140 et -170°C et le deuxième courant froid sort du huitième passage et/ou du neuvième passage totalement vaporisé à une température comprise entre 5 et
50 °C.
le premier fluide de travail est introduit dans le premier passage à une première température T1 et le deuxième fluide de travail est introduit dans le cinquième passage à une deuxième température T2 supérieure à la première température T1 avec, de préférence, T1 comprise entre -1 10 et -70 °C et T2 comprise entre -60 et -30 °C.
les premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième, sixième, septième, huitième, neuvième, dixième, onzième et/ou douzième passages font partie d’au moins un échangeur de chaleur du type à plaques brasé, ledit échangeur comprenant un empilement de plusieurs plaques parallèles et espacées les unes par rapport aux autres de façon à délimiter entre elles des séries de plusieurs passages au sein dit échangeur.
les premier et deuxième passages font partie d’un premier échangeur de chaleur, les troisième et quatrième passages avec éventuellement les dixièmes passages font partie d’un deuxième échangeur de chaleur, les cinquième et sixième passages font partie d’un troisième échangeur de chaleur et les septième et huitième passages avec éventuellement les onzième passages font partie d’un quatrième échangeur, lesdits échangeurs formant des entités physiquement distinctes.
les premier et deuxième passages, les cinquième et sixième passages et éventuellement les neuvième passages font partie d’un même échangeur de chaleur, le premier fluide de travail étant introduit à partir d’une première entrée située à un bout froid dudit échangeur et présentant la température la plus basse de l’échangeur, le deuxième courant chaud étant introduit à partir d’une deuxième entrée située à un bout chaud dudit échangeur et présentant la température la plus haute de l’échangeur jusqu'à une deuxième sortie agencée au bout froid de l’échangeur et le deuxième fluide de travail issu des septième passages étant introduit dans l’échangeur par une troisième entrée agencée à un premier niveau intermédiaire de l’échangeur situé entre le bout froid et le bout chaud, le deuxième courant froid étant éventuellement introduit dans l’échangeur par une quatrième entrée agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout chaud de l’échangeur.
les troisième, quatrième, septième et huitième passages font partie d’un même autre échangeur, le premier courant froid étant introduit à partir d’une cinquième entrée située à un bout froid dudit autre échangeur et présentant la température la plus basse de l’échangeur, le deuxième fluide de travail détendu à l'étape f) étant introduit dans l’autre échangeur à partir d’une sixième entrée située à un bout chaud de l’autre échangeur et présentant la température la plus haute de l’autre échangeur, le premier fluide de travail détendu à l’étape b) étant introduit dans l’autre échangeur à partir d’une septième entrée agencée à un troisième niveau intermédiaire situé entre le bout froid et le bout chaud de l’autre échangeur.
le premier courant froid est un courant de liquide cryogénique introduit dans le quatrième passage à une température inférieure à -180 °C, de préférence comprise entre -180 et -253 °C.
les premier, deuxième et/ou troisième générateurs sont confondus un seul et même générateur électrique, le premier organe de détente, le deuxième organe de détente et/ou le troisième organe de détente étant couplés à ce même générateur électrique de sorte que ledit générateur électrique produit de l’énergie électrique simultanément à partir du premier cycle, du deuxième cycle de Rankine et/ou du troisième cycle de Rankine. le procédé met en œuvre un troisième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes : i) introduction à une troisième pression haute d’un troisième fluide de travail dans au moins un treizième passage et vaporisation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail contre au moins un quatrième courant chaud,
j) sortie du troisième fluide de travail au moins partiellement vaporisé à l’étape i) du au moins un treizième passage et détente jusqu’à une troisième pression basse inférieure à la troisième pression haute, dans un troisième organe de détente coopérant avec un troisième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
k) introduction du troisième fluide de travail détendu à l’étape f) dans le deuxième passage, de façon à former au moins en partie, le premier courant chaud du premier cycle de Rankine, et condensation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail contre au moins le premier fluide de travail qui se vaporise dans le premier passage,
L) sortie dudit troisième fluide de travail au moins partiellement condensé à l’étape k) du deuxième passage et réintroduction, après élévation de pression jusqu’à la troisième pression haute, dans le treizième passage. Selon un autre aspect, l’invention concerne une installation de production d’énergie électrique comprenant des moyens de mise en œuvre d’un premier cycle de Rankine et d’un deuxième cycle de Rankine comprenant au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, les moyens de mise en œuvre du premier cycle de Rankine comprenant :
- au moins un premier passage configuré pour l’écoulement d’un premier fluide de travail,
- au moins un deuxième passage configuré pour l’écoulement d’un premier courant chaud, ledit deuxième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit premier passage de sorte que, en fonctionnement, le premier fluide de travail introduit dans le premier passage est vaporisé en moins en partie contre le premier courant chaud,
- un premier organe de détente agencé en aval dudit premier passage et configuré pour réduire la pression du premier fluide de travail sortant du premier passage depuis une première pression haute jusqu'à une première pression basse,
un premier générateur électrique couplé au premier organe de détente,
- au moins un troisième passage agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail détendu par le premier organe de détente,
- au moins un quatrième passage configuré pour l’écoulement d’un premier courant froid, ledit quatrième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit troisième passage de sorte que, en fonctionnement, le premier fluide de travail introduit dans le troisième passage est condensé au moins en partie contre le premier courant froid,
- un premier organe élévateur de pression agencé en aval dudit troisième passage et configuré pour augmenter la pression du premier fluide de travail sortant du troisième depuis la première pression basse jusqu'à la première pression haute,
et les moyens de mise en œuvre du deuxième cycle de Rankine comprenant :
- au moins un cinquième passage configuré pour l’écoulement d’un deuxième fluide de travail,
- un deuxième organe de détente agencé en aval dudit cinquième passage et configuré pour réduire la pression du deuxième fluide de travail sortant du cinquième passage depuis une deuxième pression haute jusqu'à une deuxième pression basse,
- un deuxième générateur électrique couplé au deuxième organe de détente,
- au moins un septième passage agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail détendu par le deuxième organe de détente,
- au moins un huitième passage configuré pour l’écoulement d’un deuxième courant froid, ledit huitième passage étant en relation d’échange thermique avec ledit septième passage de sorte que, en fonctionnement, le deuxième fluide de travail circulant dans le septième passage est condensé au moins en partie contre le deuxième courant froid,
- un deuxième organe élévateur de pression agencé en aval dudit septième passage et configuré pour augmenter la pression du deuxième fluide de travail sortant du septième passage depuis la deuxième pression basse jusqu'à la deuxième pression haute,
- le huitième passage étant agencé en aval du quatrième passage et mis en communication fluidique avec le quatrième passage et de sorte que le premier courant froid sortant du quatrième passage forme le deuxième courant froid introduit dans le huitième passage.
En particulier, ladite installation peut comprendre en outre au moins un dixième passage en relation d’échange thermique avec les troisième et/ou quatrième passages, ledit dixième passage étant configuré de sorte que le premier fluide de travail sortant du troisième passage est introduit dans le au moins un dixième passage avant d’être réintroduit dans le premier passage. De façon alternative ou complémentaire, ladite installation peut comprendre au moins un onzième passage en relation d’échange thermique avec les septième et/ou huitième passages, ledit onzième passage étant configuré de sorte que le deuxième fluide de travail sortant du septième passage est introduit dans le au moins un onzième passage avant d’être réintroduit dans le cinquième passage. L'expression "gaz naturel" se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques. La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures ci-annexés, parmi lesquelles :
Fig. 1 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 2 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 3 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 4 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 5 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 6 schématise un procédé de génération d’énergie électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 7 représente des diagrammes d’échange de procédés selon des modes de réalisation de l’invention.
Fig. 1 schématise un procédé de production d’électricité par récupération de froid à partir de courants d’hydrocarbures F2, F1 utilisés comme courants froids, i. e. sources froides, dans une combinaison d’un premier et d’un deuxième cycle de Rankine. Les cycles de Rankine sont mis en œuvre dans au moins un dispositif d’échange de chaleur, qui peut être tout dispositif comprenant des passages adaptés à l’écoulement de plusieurs fluides et permettant des échanges de chaleur direct ou indirect entre lesdits fluides.
Etant entendu qu’un procédé selon l’invention peut comprendre un nombre supérieur à deux cycles de Rankine combinés selon les mêmes principes que ceux exposés ci-après dans le cas de deux cycles de Rankine.
En particulier, les courants froids F2, F1 peuvent être du gaz naturel.
Dans les modes de réalisation détaillés ci-après, les différents fluides du procédé circulent dans un ou plusieurs échangeurs de chaleur du type à plaques et ailettes brasé, avantageusement formés d’aluminium. Ces échangeurs permettent de travailler sous des écarts de températures faibles et avec des pertes de charges réduites, ce qui améliore les performances énergétiques du procédé de liquéfaction décrit ci-dessus. Les échangeurs à plaques offrent aussi l’avantage d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange dans un volume limité. Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de plusieurs séries de passages, les uns étant destinés à la circulation d'un fluide calorigène, en l’occurrence le fluide de travail du cycle, d’autres étant destinés à la circulation d’un fluide frigorigène, en l’occurrence le liquide cryogénique tel le gaz naturel liquéfié à vaporiser.
Des structures d’échange thermique, telles des ondes d’échange thermique ou ailettes, sont généralement disposées dans les passages de l’échangeur. Ces structures comprennent des ailettes qui s’étendent entre les plaques de l’échangeur et permettent d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur.
Notons que d’autres types d’échangeurs peuvent toutefois être utilisés, tels des échangeurs à plaques, des échangeurs à tube et à calandre (« shell and tube » en anglais), ou des assemblages de type « core in kettle », c’est-à-dire des échangeurs à plaques ou à plaques et ailettes noyés dans une calandre dans laquelle se vaporise le fluide frigorigène.
Notons que dans le cas où les échangeurs sont des échangeurs à tubes, les passages peuvent être formés par les espaces dans, autour et entre les tubes.
Fig. 1 schématise un mode de réalisation dans lequel un premier cycle de Rankine est mis en œuvre au moyen d’un premier échangeur E1 et d’un deuxième échangeur E2.
Avantageusement, les échangeurs E1 , E2 comprennent chacun un empilement de plusieurs plaques (non visibles) disposées parallèlement les unes au- dessus des autres avec espacement suivant une direction dite d’empilement, qui est orthogonale aux plaques. On obtient ainsi une pluralité de passages pour les fluides du procédé qui sont mis en relation d’échange de chaleur via les plaques. Un passage est formé entre deux plaques adjacentes. De préférence, l’écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur et la largeur de chaque plaque successive, de sorte que chaque passage de l’échangeur a une forme parallélépipédique et plate. Les passages destinés à la circulation d’un même fluide forment une série de passages. Chaque échangeur comprend plusieurs séries de passages configurés pour canaliser les différents fluides du procédé parallèlement à une direction globale d’écoulement z, les passages d’une série étant agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages d’une autre série.
L’étanchéité des passages le long des bords des plaques est généralement assurée par des barres d’étanchéité latérales et longitudinales fixées sur les plaques. Les barres d’étanchéité latérales n’obturent pas complètement les passages mais laissent des ouvertures d’entrée et de sortie servant à l’introduction et à l’évacuation des fluides. Ces ouvertures d'entrée et de sortie sont réunies par des collecteurs, généralement de forme semi-tubulaire, assurant une répartition et une récupération homogène du fluide sur l’ensemble des passages d’une même série. Dans la suite, on parlera d’un ou au moins un passage, étant entendu que le passage peut faire partie d’une série de plusieurs passages destinés à l’écoulement d’un même fluide.
Etant entendu que ces caractéristiques structurelles sont applicables en tout ou partie aux autres échangeurs décrits dans la présente demande.
Le premier échangeur E1 joue le rôle de vaporiseur dans le premier cycle de Rankine. Comme on le voit sur Fig. 1 , un premier fluide de travail W1 circule dans au moins un premier passage 1 à partir d’une entrée 1 a jusqu’à une sortie 1 b. Un premier courant chaud est introduit dans le premier échangeur à partir d’une entrée 21 jusqu’à une sortie 22. Le premier fluide de travail W1 est réchauffé, vaporisé au moins partiellement par échange de chaleur avec le premier courant chaud C1 .
Après sa sortie du premier échangeur E1 , le premier fluide de travail W1 vaporisé est détendu dans un premier organe de détente, de préférence une turbine, couplée à un premier générateur électrique G convertissant l’énergie cinétique produite par le fluide détendu en énergie électrique.
Après sa détente, le premier fluide de travail W1 entre dans le deuxième échangeur de chaleur E2 à partir d’une entrée 31 jusqu’à une sortie 32 d’au moins un troisième passage 3.
Le premier fluide de travail W1 est mis en relation d’échange thermique avec un premier courant froid F1 circulant dans au moins un quatrième passage 4 du deuxième échangeur E2 à partir d’une entrée 41 jusqu’à une sortie 42. Le premier fluide de travail W1 est condensé en réchauffant le premier courant froid F1 et sort à l’état liquide par la sortie 32 pour être ensuite reconduit dans le premier échangeur E1 , après pressurisation par un organe élévateur de pression tel une pompe, ce qui ferme le premier cycle.
Il est à noter que le premier fluide de travail W1 issu de la détente dans le premier organe de détente peut éventuellement être à l’état diphasique et être introduit avec ou sans séparation des phases liquide et gazeuse en amont du deuxième échangeur E2.
Par « courant chaud » ou « courant froid », on entend un courant formé d’un ou plusieurs fluides fournissant une source de chaleur ou de froid par échange de chaleur avec un autre fluide. En outre, un deuxième cycle de Rankine est mis en œuvre et utilise un deuxième fluide de travail W2, de préférence de composition différente de celle du premier fluide de travail W1 . Le deuxième fluide de travail W2 est introduit dans un troisième échangeur E3 par une entrée 51 jusqu’à une sortie 52 et circule dans au moins un cinquième passage 5 dans lesquels il est réchauffé, vaporisé au moins partiellement par échange de chaleur avec un deuxième courant chaud C2 circulant dans au moins un sixième passage 6 entre une entrée 61 et une sortie 62.
Le deuxième fluide de travail W2 est détendu selon les mêmes principes que le premier cycle et introduit, éventuellement à l’état diphasique et éventuellement avec séparation des phases, dans un quatrième échangeur de chaleur E4 à partir d’une entrée 71 jusqu’à une sortie 72 d’au moins un septième passage 7 dans lesquels il est condensé en réchauffant un deuxième courant froid F2 circulant dans au moins un huitième passage 8. Le quatrième échangeur E4 forme le condenseur du deuxième cycle. Le deuxième fluide de travail W2 issu de la sortie 72 à l’état liquide est pompé et réintroduit par l’entrée 51 des passages 5, ce qui referme le deuxième cycle.
Notons que Fig. 1 notamment représente un mode de réalisation avantageux dans lequel le premier fluide de travail W1 sortant condensé du passage 3 est réintroduit dans le deuxième échangeur E2 pour y circuler dans au moins un dixième passage 10, avant d’être réintroduit dans le premier passage 1 . Cette configuration est privilégiée quand le premier fluide de travail W1 n’est pas un corps pur mais un mélange de plusieurs constituants, car il offre l’avantage de réchauffer encore la température à laquelle le premier fluide de travail W1 sort du deuxième échangeur E2.
Selon le même principe, le deuxième fluide de travail W2 sortant condensé des passages 7 peut aussi être réintroduit dans au moins un onzième passage 1 1 du quatrième échangeur E4, avant d’être réintroduit dans le cinquième passage 5 du troisième échangeur.
L’un et/ou l’autre des premier et deuxième fluides de travail condensés peut faire l’objet de telles réintroductions. Comme déjà expliqué, la réintroduction du ou des fluides condensés dans le ou les échangeurs concernés permet de les réchauffer et de maximiser leur température de sortie au bout chaud et donc la production d’électricité lors de leur détente. Avantageusement, on procède à une réintroduction pour chacun des fluides de travail, ce qui rend le procédé encore plus favorable énergétiquement. Ce principe de passes supplémentaires dans le ou les échangeurs de condensation est applicable aux autres modes de réalisation décrits dans la présente demande.
De façon alternative, on pourra envisager d’introduire les premier et deuxième fluides de travail W1 , W2 directement dans les premier et troisième échangeurs respectivement, sans passe supplémentaire dans les deuxième et quatrième échangeurs (Fig. 2).
Selon l’invention, le premier courant froid F1 du premier cycle de Rankine est formé par le deuxième courant froid F2 issu du deuxième cycle de Rankine, c’est-à- dire qu’un même courant froid alimente en série les cycles, dans lesquels il est vaporisé et réchauffé progressivement contre les deuxième et premier fluides de travail W2, W1 , c’est-à-dire par échange de chaleur avec lesdits fluides. A ce titre, F2 peut donc éventuellement être à l’état diphasique.
Un tel arrangement permet de regazéifier le courant froid en assurant une récupération plus efficace du froid sur l’ensemble du gradient de température entre la température d’entrée du courant froid F1 dans le passage 4 et la température du courant froid F2 à la sortie du huitième passage 8. En effet, la récupération des frigories du courant froid s’effectue séparément sur des portions de passages 4, 8 où il présente des niveaux de températures différents. Il est alors possible d’adapter au mieux les caractéristiques de chacun des premiers et deuxième fluide de travail, afin qu’ils présentent des températures d’ébullition adaptées à ces niveaux de températures, aux niveaux de pressions hautes et basses que l’on aura choisies pour chacun des deux cycles. On dispose ainsi d’un très grand degré de liberté pour augmenter le rendement énergétique du procédé, notamment en ajustant les températures, les pressions et/ou les compositions des fluides de travail en fonction des caractéristiques du courant froid F1 à réchauffer, notamment sa pression, sa température, sa composition...
Notons que le premier courant froid F1 peut être vaporisé en tout ou partie et/ou réchauffé dans le premier cycle de Rankine (passage 4) par échange de chaleur avec le premier fluide W1 . Le deuxième courant froid F2 peut être vaporisé en tout ou partie dans le deuxième cycle de Rankine (passage 8) par échange de chaleur avec le deuxième fluide W2.
Selon une possibilité, le premier courant froid F1 est seulement réchauffé dans le au moins un quatrième passage 4 et c’est le deuxième courant froid F2 qui est vaporisé dans le huitième passage 8. Le premier cycle a pour source froide uniquement la chaleur sensible de dé-sous refroidissement du premier courant. Selon une autre possibilité, le premier courant froid F1 est partiellement vaporisé dans le au moins un quatrième passage 4. Le premier cycle a pour source froide la chaleur sensible de dé-sous refroidissement du premier courant et une partie de la chaleur latente de vaporisation du premier courant froid.
Selon une autre possibilité, le premier courant froid F1 est vaporisé uniquement dans le au moins un quatrième passage 4, i. e. sort totalement vaporisé du quatrième passage 4. Le premier cycle a pour source froide la chaleur sensible de dé-sous refroidissement du premier courant et toute la chaleur latente de vaporisation du premier courant froid, avec éventuellement une chaleur sensible de réchauffage du premier courant vaporisé.
Le premier courant froid F1 peut aussi être partiellement vaporisé dans le quatrième passage 4 et le deuxième courant froid F2 peut être partiellement vaporisé dans le huitième passage 8.
Avantageusement, le deuxième courant froid F2 sortant en 82 du huitième passage 8 est introduit dans au moins un neuvième passage 9 d’un cinquième échangeur E5, afin d’y poursuivre son réchauffement contre un troisième courant chaud C3. Ceci est avantageux dans les cas où la température obtenue en sortie 82 de l’échangeur E4 est trop basse et incompatible avec le matériau formant les canalisations du réseau de distribution du gaz naturel.
Selon la configuration adoptée, le courant froid F2 récupéré à l’issue des sorties 82 ou 92 alimente au moins une canalisation d’un réseau de distribution de fluide (en 100 sur Fig. 1 ), en particulier un réseau de distribution d’hydrocarbures tel que le gaz naturel.
De préférence, les entrées et sorties des passages 3, 7 de condensation sont agencées de sorte que le premier et deuxième fluides de travail W1 , W2 circulent, au cours des étapes c) et g), à contre-courant avec les premier et deuxième courants froids F1 , F2 respectivement. De préférence, les courants chauds C1 , C2 des cycles circulent à contre-courant des fluides de travail vaporisés dans chaque cycle. De préférence, le troisième courant C3 circule à contre-courant du courant froid F2 circulant éventuellement dans les passages 9.
Ces directions d’écoulement des fluides permettent de maximiser la température de sortie des fluides de travail W1 et W2, et donc de maximiser la puissance délivrée par les turbines durant la détente.
Fig. 1 et Fig. 2 illustrent des configurations dans lesquelles les cycles de Rankine sont opérés dans des échangeurs formant des entités physiquement distinctes les unes des autres, i. e. formant chacun au moins un empilement distinct de plaques et de passages.
Dans le cadre de l’invention, il est également possible d’agencer certains des passages de fluide au sein d’un même empilement. Cela est envisageable en particulier avec des échangeurs du type à plaques brasés et permet de réduire la complexité et les coûts de fabrication de l’installation mettant en œuvre plusieurs cycle de Rankine combinés.
Ainsi, Fig. 3 représente un mode de réalisation dans lequel le premier échangeur E1 et le troisième échangeur E3, avec éventuellement le cinquième échangeur E5, forment un même échangeur E commun. Dans le cas illustré, les passages 1 , 2, 5, 6 et 9 font partie du même échangeur E.
De préférence, le premier fluide de travail W1 est introduit à partir d’une première entrée 1 a située à un bout froid dudit échangeur E et présentant la température la plus basse de l’échangeur E. Le deuxième courant chaud C2 est introduit à partir d’une deuxième entrée 61 située à un bout chaud dudit échangeur E, la deuxième entrée 61 présentant la température la plus haute de l’échangeur E, jusqu’à une deuxième sortie 22 agencée au bout froid de l’échangeur E.
Par « bout froid », on entend le point d’entrée dans un échangeur où un fluide est introduit à la température la plus basse de toutes les températures de l’échangeur. Par « bout chaud », on entend le point d’entrée dans un échangeur où un fluide est introduit à la température la plus élevée de toutes les températures de cet échangeur.
Le deuxième fluide de travail W2 issu des passages 7, soit directement, soit via les passages 1 1 supplémentaires, est introduit dans l’échangeur E par une troisième entrée 51 agencée à un premier niveau intermédiaire situé, suivant la direction d’écoulement z, entre le bout froid et le bout chaud de l’échangeur E.
Le deuxième courant froid F2 peut éventuellement être introduit dans l’échangeur E par une quatrième entrée 91 agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout chaud de l’échangeur E.
En fait, lorsque l’on considère des passages d’une série et des passages d’une autre série dans lesquels un fluide circule en série, chaque passage de ladite série forme un prolongement d’un passage correspondant de l’autre série, et donc un seul et même passage de l’échangeur E formé entre deux mêmes plaques. Ainsi, selon Fig. 3, les passages 2 de la deuxième série sont formés entre les mêmes plaques de l’échangeur E et sont agencés dans la continuité des passages 6 de la sixième série. Un passage 2 et un passage 6 formant ainsi un seul et même passage de l’échangeur E délimité entre deux même plaques de l’échangeur E et dans lequel le courant chaud C2 circule depuis l’entrée 61 jusqu’à la sortie 22.
Lorsque l’on considère des passages d’une série et des passages d’une autre série dans lesquels des fluides différents circulent, ces passages sont superposés au sein d’un même empilement, de façon adjacente ou non. C’est le cas des passages 5, 1 , voire 9, sur Fig. 1 .
Fig. 4 représente un mode de réalisation dans lequel le deuxième échangeur E2 et le quatrième échangeur E4 forment un même échangeur E’ commun. Les premier et troisième échangeurs E1 , E3 forment un même échangeur E mais pourraient tout aussi bien rester distincts.
Les passages 4 et 8 pour la circulation du courant froid F1 sont agencés dans la continuité les uns des autres.
Comme on le voit sur Fig. 4, le premier courant froid F1 est introduit à partir d’une cinquième entrée 41 située à un bout froid de l’autre échangeur E’ et au niveau de laquelle la température est la plus basse de l’échangeur E’. De préférence, le deuxième fluide de travail W2 détendu à l’étape f) est introduit, éventuellement à l’état diphasique, dans l’autre échangeur E’ à partir d’une sixième entrée 71 située à un bout chaud de l’autre échangeur E’ et présentant la température la plus haute de l’autre échangeur E’, le premier fluide de travail W1 détendu à l’étape b) étant introduit, éventuellement à l’état diphasique, à partir d’une septième entrée 31 agencée à un troisième niveau intermédiaire situé entre le bout froid et le bout chaud de l’autre échangeur E’.
De préférence, le deuxième fluide de travail W2 sort de l’autre échangeur E’ par une troisième sortie 72 agencée à un quatrième niveau intermédiaire situé, suivant la direction générale d’écoulement z pour le courant froid, entre le troisième niveau intermédiaire et le bout chaud de l’échangeur E’.
Ces agencements d’entrées et sorties à des niveaux intermédiaires entre les bouts froid et chaud des échangeurs permettent de respecter un ordre croissant des températures d’entrée et sortie des différents fluides, depuis les bouts froids jusqu’au bouts chauds des échangeurs E et/ou E’
Notons qu’il est envisageable que le cinquième échangeur E5 des configurations selon Fig. 3 ou Fig. 4 soit conservé distinct de l’échangeur E.
Selon un mode de réalisation particulier, on peut utiliser un même générateur couplé à la fois au premier organe de détente du premier cycle et au deuxième organe de détente du deuxième cycle (non illustré). Ainsi, on économise un générateur et on simplifie l’installation. Cet agencement est possible car les deux cycles de génération d’électricité ont un mode de fonctionnement généralement simultané.
Avantageusement, le courant froid F2, F1 est formé d’un courant d’hydrocarbures, en particulier du gaz naturel, comprenant de préférence, en fraction molaire, au moins 60% de méthane (CFU), de préférence au moins 80%. Le gaz naturel peut éventuellement comprendre de l’éthane (C2H6), du propane (C3H8), du butane (nC4Hio) ou de l’isobutane (1C4H 10), de l’azote, de préférence dans des teneurs entre 0 et 10% (% molaire). Grâce au procédé de l’invention, on effectue la regazéification nécessaire avant d’injecter le gaz naturel dans le réseau de distribution, tout en valorisant les frigories du gaz naturel liquéfié.
Des courants froids d’autre nature peuvent avantageusement alimenter le procédé selon l’invention pour être revaporisés avant utilisation. En particulier, un liquide cryogénique, par exemple de l’oxygène liquide, de l’azote liquide, ou encore de l’hydrogène liquide peuvent être utilisés. La vaporisation de tels liquides peut permettre d’assurer une continuité de fourniture de gaz lorsqu’une usine de production est à l’arrêt et permettre d’économiser une partie de l’énergie dépensée pour la constitution des stocks de liquide. Les températures de vaporisation de ces constituants étant bien inférieures à celles du gaz naturel, il pourra être avantageux de mettre en œuvre un procédé combinant 3 cycles de Rankine, voire plus, dans la continuité d’une des descriptions précédentes.
De préférence, et lorsque le fluide à vaporiser est du GNL, le premier fluide de travail W1 et le deuxième fluide de travail W2 sont des fluides organiques, c’est-à- dire des fluides comprenant un ou plusieurs composants organiques tels des hydrocarbures.
Il est aussi envisageable que les cycles de Rankine du procédé selon l’invention ne soient pas des cycles organiques.
Avec des liquides cryogéniques à vaporiser ayant des constituants à plus bas point d’ébullition que le GNL, le fluide de travail du cycle travaillant à la plus basse température pourra comprendre un ou plusieurs composants tels que l’hydrogène, l'azote, l’argon, l’hélium, le néon en complément ou substitution de tout ou partie des composants organiques. On pourra ainsi envisager de travailler avec des fluides de travail exempts de composants organiques.
Selon une première possibilité, on pourra utiliser des corps purs de nature différente pour former le premier fluide W1 et/ou le deuxième fluide W2. En particulier, on pourra utiliser de l’ethylène comme premier fluide de travail W1 et de l’éthane comme deuxième fluide de travail W2. Ce choix s’explique par les propriétés physiques de ces constituants qui présentent des pressions de vapeur saturantes pour la gamme de température balayée par la vaporisation de GNL compatible avec une bonne tenue mécanique des échangeurs en aluminium brasé et des composants des turbines de détente. Ainsi, l’utilisation de tels composants dans les cycles ORC permet de concevoir des systèmes compacts et efficaces.
Dans le cadre de l'invention, on utilise préférentiellement des fluides de travail de compositions différentes dans les différents cycles de Rankine mais notons qu’il reste envisageable d’utiliser des fluides de travail de même composition, en ajustant alors de façon appropriée les pressions opératoires de ces fluides. Ceci est possible pour des écarts de températures relativement faibles entre les courants froids et chauds des cycles, par exemple lorsque le deuxième courant froid est un gaz liquéfié à très haute pression et le premier courant chaud est de l’eau de mer à température suffisamment basse.
Selon une autre possibilité, on pourra utiliser des fluides de travail mixtes comprenant respectivement un premier mélange d’hydrocarbures et un deuxième mélange d’hydrocarbures, de préférence le premier et le deuxième mélange d’hydrocarbures contiennent chacun au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthylène (C2H4), le propane, l’éthane, le butane ou l’isobutane, le butène, le propylène. Le premier fluide de travail W1 et le deuxième fluide de travail W2 peuvent éventuellement comprendre au moins un composant additionnel choisi parmi l’hydrogène, l'azote, l’argon, l’hélium, le néon, en complément ou substitution des composants organiques, et ce en particulier si le liquide cryogénique à vaporiser présente un point d’ébullition plus bas que celui du méthane.
L’utilisation de fluides de travail mixtes permet de diminuer les pertes énergétiques liées à l’irréversibilité des échanges de chaleurs entre fluides froids et chauds en réduisant les écarts de températures entre les courants froids et les fluides de travail en chaque point selon la longueur de l’échangeur. Les compositions, pressions avant et après détente et/ou températures de chaque fluide pourront être adaptées afin d’assurer la meilleure récupération d’énergie possible.
Notons que dans le cas où les fluides de travail sont mixtes, i.e. sont des mélanges, ceux-ci sortent du ou des échangeurs liquides à très basse température et qu’il est alors avantageux d’opérer une réintroduction des fluides condensés dans le ou les échangeurs concernés afin de les réchauffer et maximiser leur température de sortie au bout chaud et donc la production d’électricité lors de leur détente dans la turbine. En particulier, les proportions en fractions molaires (%) des composants du premier mélange d’hydrocarbures peuvent être (% molaire) :
Méthane : 20 à 60%, de préférence 30 à 50%
Propane : 0 à 20%, de préférence 0 à 10%
Ethylène : 20 à 70%, de préférence 30 à 60%
Les proportions en fractions molaires (%) des composants du deuxième mélange d’hydrocarbures peuvent être:
Méthane : 0 à 20%, de préférence 0 à 10%
Propane : 20 à 60%, de préférence 30 à 50%
Ethylène : 20 à 60%, de préférence 30 à 50%
Isobutane : 0 à 20%, de préférence 0 à 10%
De préférence, le premier courant chaud C1 , le deuxième courant chaud C2 et/ou le troisième courant chaud C3, sont formés d’eau de mer, de préférence à une température d’entrée dans l’échangeur supérieure à 0 °C, de préférence comprise entre 10 et 30 °C.
Notons que le premier courant chaud C1 , le deuxième courant chaud C2 et ou le troisième courant chaud C3 peuvent éventuellement être issus d’une même source chaude de fluide alimentant en série le deuxième passage 2, le sixième passage 6 et/ou le douzième passage 12.
De préférence, le premier courant froid F1 est un courant d’hydrocarbures introduit totalement liquéfié à l’entrée 41 à une température comprise entre -140 et -170 °C.
Dans le cas où le premier courant froid F1 est formé par un fluide liquide d’une autre nature, tel de l’oxygène, de l’azote, de l’hydrogène, la température du fluide à l’entrée 71 est de préférence de l’ordre de sa température d’équilibre à la pression de stockage.
De préférence, le deuxième courant froid F2 présente une température comprise entre -85 et -105°C à la sortie 42 du deuxième échangeur E2, une température comprise entre -10 et -20°C à la sortie 82 du quatrième échangeur E4 (ou de l’échangeur E’ le cas échéant) et/ou une température comprise entre 5 et 50°C à la sortie 92 du cinquième échangeur E5 (ou de l’échangeur E le cas échéant), pour être introduit à cette température dans un réseau de distribution 100. De préférence, le deuxième courant froid F2 sort totalement vaporisé par la sortie 82 ou la sortie 92.
De préférence, le deuxième courant froid et le premier courant froid présentent des pressions comprises entre 10 et 100 bar tout au long des passages 4, 8, 9 dans lesquels ils s’écoulent. De préférence, le premier fluide de travail W1 présente, après sa condensation dans le troisième passage 3, une première température T1 . Le deuxième fluide de travail W2 présente, après sa condensation dans le septième passage 7, une deuxième température T2, avec T2 supérieure à T1 . De préférence, T2 est comprise entre - 60 et - 30 °C et T1 comprise entre -1 10 et -70 °C.
De préférence, le premier fluide de travail W1 sort vaporisé du premier passage 1 à une température comprise entre 0 et - 30 °C et/ou le deuxième fluide de travail W2 sort vaporisé du cinquième passage 5 à une température comprise entre 5 et 25 °C.
De préférence, le premier fluide de travail W1 et le deuxième fluide de travail W2 sortent du troisième passage 3 et du septième passage 7 respectivement à des première et deuxième pressions dites basses Pb1 , Pb2, et entrent dans le premier passage 1 et dans le cinquième passage 5 respectivement à des première et deuxième pressions dites hautes Ph1 , Ph2.
De préférence, les première et/ou deuxième pressions hautes Ph1 , Ph2 sont comprises entre 10 et 40 bar et/ou les première et/ou deuxième pressions basses Pb1 , Pb2 sont comprises entre 1 et 5 bar. De préférence encore, la première pression haute Ph1 est supérieure à la première pression basse Pb1 d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15 et/ou la deuxième pression haute Ph2 est supérieure à la deuxième pression basse Pb2 d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15. Ces valeurs et rapports de pressions permettent d'adapter le procédé aux courbes enthalpiques des fluides et d’ajuster au mieux les températures d’équilibre. Plus on travaille à pression élevée, plus la quantité d’énergie récupérée est importante. Un facteur multiplicateur d’au moins 2,5 permet de récupérer une quantité d’énergie suffisamment intéressante. En pratique, les pressions sont limitées par la capacité des organes de détente.
Selon un mode de réalisation particulier, illustré par Fig. 5 et Fig. 6, le procédé selon l’invention peut en outre mettre en œuvre au moins un troisième cycle de Rankine combiné au premier cycle de Rankine de façon à ce que le troisième fluide de travail circulant dans ce troisième cycle forme au moins en partie le premier courant chaud du premier cycle de Rankine.
Plus précisément, comme on le voit sur Fig. 5 illustrant un cas particulier où les passages sont agencés au sein d’échangeurs distincts, un troisième fluide de travail W3 est introduit à une troisième pression haute Ph3 dans au moins un treizième passage 13 d’un sixième échangeur E6 et vaporisation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail W3 contre au moins un quatrième courant chaud C4 circulant dans des passages de l’échangeur E6 qui sont en relation d’échange thermique avec les passages 13.
Le troisième fluide de travail W3 sortant au moins partiellement vaporisé des passages 13 est détendu dans un troisième organe de détente jusqu’à une troisième pression basse Pb3, Pb3 étant inférieure à Ph3, les facteurs et plages fournies ci- dessus pouvant s'appliquer.
Le troisième organe de détente est relié à un troisième générateur électrique, qui peut éventuellement être commun au premier et/ou deuxième cycles, de façon à produire de l’énergie électrique.
Le troisième fluide de travail W3 détendu est ensuite introduit dans le deuxième passage 2 et se condense au moins en partie contre au moins le premier fluide de travail W1 qui se vaporise dans le premier passage 1 . Le troisième fluide de travail W3 sortant du deuxième passage 2 est réintroduit, après élévation de sa pression jusqu’à la troisième pression haute Ph3, dans le treizième passage 13, fermant ainsi le troisième cycle.
Ce mode de réalisation permet d’augmenter encore plus le rendement énergétique du procédé et de réduire les écarts de température entre les fluides et les irréversibilités liés auxdits écarts, afin de récupérer le plus d’énergie possible.
A noter que le troisième fluide de travail sortant condensé des passages 2 peut aussi être réintroduit dans l’échangeur E1 , avant d’être réintroduit dans le treizième passage 13 du cinquième échangeur (voir Fig. 6). Ceci est avantageux quand le troisième fluide de travail est un mélange de plusieurs constituants, car cela permet de réchauffer encore la température à laquelle le troisième fluide de travail W3 sort du premier échangeur E1 .
Sur le même modèle de combinaison entre le premier cycle et le troisième cycle de Rankine, on pourra aussi envisager de combiner encore un cycle de Rankine au troisième cycle de Rankine et/ou combiner un autre cycle de Rankine au deuxième cycle de Rankine (non illustré).
Afin de démontrer l’efficacité d’un procédé selon l’invention, des simulations ont été réalisées pour calculer les rendements énergétiques obtenus avec un cycle de Rankine simple (simulation n°1 ) selon l’art antérieur, et des combinaisons de cycles de Rankine selon des modes de réalisations de l’invention (simulations n°2 et n°3). En particulier, l’influence de la nature des fluides de travail utilisés dans une combinaison de cycle a été évaluée.
Les courants froids étaient du gaz naturel comprenant 90,5% de méthane, 7,3% d’éthane, 1 ,5% de propane, 0,2% de butane, 0,3% d’isobutane, 0,2% d’azote (% molaire). Pour la simulation n°2, la configuration d’échangeurs utilisée était selon Fig. 2 et pour la simulation n°3, la configuration d’échangeurs utilisée était selon Fig.1 . Simulation n°1 (hors invention):
L’unique fluide de travail était du propane. La pression du fluide de travail W1 était de 7,5 bar à l’entrée de l’échangeur de vaporisation et de 1 ,5 bar à la sortie 32 de l’échangeur de condensation. Le courant chaud était de l’eau de mer à une pression de 5 bar et une température de 23 °C à l’entrée de l’échangeur de vaporisation.
Simulation n°2 (invention):
Le premier fluide de travail W1 était de l’éthylène. Le deuxième fluide de travail était de l’éthane. La pression du premier fluide de travail W1 était de 32 bar à l’entrée 1 a et de 2 bar à la sortie 32. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 27 bar à l’entrée 51 et de 5,7 bar à la sortie 72. La pression du gaz naturel était de 90 bar à l’entrée 41 et de 89 bar à la sortie 92. Les courants chauds C1 , C2, C3 était de l’eau de mer à une pression de 5 bar en entrée et en sortie des passages 2, 6, 12. Tableau 1 indique les températures de fluides calculées en entrée ou sortie de différents passages.
Tableau 1
Figure imgf000025_0001
Simulation n°3 (invention)
Le premier fluide de travail W1 était un mélange d'hydrocarbures comprenant 53% d’éthylène, 41 % de méthane, 6% de propane (% molaire). Le deuxième fluide de travail W2 était un mélange d’hydrocarbures comprenant 46% d’éthylène, 38% de propane, 8% de méthane, 8% d’isobutane (% molaire). La pression du premier fluide de travail W1 était de 31 ,0 bar à l’entrée 101 et de 1 ,8 bar à la sortie 92. La pression du deuxième fluide de travail W2 était de 12,4 bar à l’entrée 1 1 1 et de 4,6 bar à la sortie 72. La pression du gaz naturel était de 90 bar à l’entrée
41 et de 89,5 bar à la sortie 82. Les courants chauds C1 , C2, C3 était de l’eau de mer à une pression de 5 bar en entrée et en sortie des passages 2. Tableau 2 indique les températures de fluides calculées en entrée ou sortie de différents passages. Tableau 2
Figure imgf000026_0001
Avec la simulation n°1 , le rendement énergétique obtenu était de 0,016 kWh/Nm3. Avec la simulation n°2, le rendement énergétique du premier cycle de Rankine était de 0,01 14 kWh/Nm3 et le rendement énergétique du deuxième cycle de Rankine était de 0,0049 kWh/Nm3, soit un rendement total de 0,01634 kWh/Nm3, représentant un gain de l’ordre de 2% par rapport à la simulation n°1 .
Avec la simulation n°3, le rendement énergétique du premier cycle de Rankine était de 0,016 kWh/Nm3 et le rendement énergétique du deuxième cycle de Rankine était de 0,01 1 kWh/Nm3, soit un rendement total de 0,027 kWh/Nm3, représentant un gain de l’ordre de 68% par rapport à la simulation n°1 . L’utilisation d’un premier fluide de travail et d’un deuxième fluide de travail W2 mixtes permet d’augmenter significativement les performances du procédé, grâce à l’amélioration des diagrammes d’échange entre le gaz naturel liquéfié et les fluides de travail. Les schémas de réintroduction des fluides de travail dans les passages d’échanges tels que décrit précédemment participent également à la plus grande efficacité énergétique du procédé.
Fig. 7 montre un comparatif des diagrammes d’échange Chaleur échangée (« heat flow ») - Température (AFI - T), ou courbes enthalpiques, obtenus d’une part avec une combinaison de cycles avec fluides de travail purs selon la simulation n°2 (en (a)) et d’autre part avec une combinaison de cycles avec fluides de travail mixtes selon la simulation n°3 (en (b)). Les diagrammes illustrés sont obtenus pour un débit de 3000 Nm3/h de GNL traité (soit environ une échelle 1/100 d’une unité industrielle). Les courbes A, B, C, D illustrent l’évolution de la quantité de chaleur échangée en fonction de la température pour l’ensemble des fluides frigorigènes qui se réchauffent et/ou se vaporisent dans les procédés, incluant le GNL (courbes A et C) et l’ensemble des fluides calorigènes qui se refroidissent et/ou se condensant dans les procédés, incluant les premier et deuxièmes fluides de travail (courbes B et D), et ce pour chacune des deux configurations simulées. On peut voir sur Fig. 5 (b) que l’écart moyen de température est significativement réduit par l’utilisation de fluides de travail composés d’un mélange de constituants, ce qui explique la meilleure efficacité de ce cycle.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D’autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l’homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple d’autres configurations d’injection et de d’extraction des fluides du ou des échangeurs, d’autre sens et directions d’écoulement des fluides, d’autres types de fluides... sont envisageables.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de production d’énergie électrique mettant en œuvre au moins un premier cycle de Rankine et un deuxième cycle de Rankine, lesdits cycles étant opérés dans au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, ledit premier cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes :
a) introduction d’un premier fluide de travail (W1 ) ayant une première pression haute (Ph1 ) dans au moins un premier passage (1 ) et vaporisation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail (W1 ) contre au moins un premier courant chaud (C1 ) circulant dans au moins un deuxième passage (2) en relation d’échange thermique avec au moins ledit premier passage (1 ),
b) sortie du premier fluide de travail (W1 ) issu de l’étape a) du premier passage (1 ) et détente jusqu’à une première pression basse (Pb1 ), Pb1 étant inférieure à Ph1 , dans un premier organe de détente coopérant avec un premier générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
cjintroduction du premier fluide de travail (W1 ) détendu à l’étape b) dans au moins un troisième passage (3) et condensation d’au moins une partie dudit premier fluide de travail (W1 ) contre au moins un premier courant froid (F1 ) circulant dans au moins un quatrième passage (4) en relation d’échange thermique avec au moins ledit troisième passage (3),
d)sortie du premier fluide de travail (W1 ) au moins partiellement condensé à l’étape c) du troisième passage (3), élévation de la pression dudit premier fluide de travail (W1 ) jusqu’à la première pression haute (Ph1 ) et réintroduction dans le premier passage (1 ), et le deuxième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes : e) introduction d’un deuxième fluide de travail (W2) ayant une deuxième pression haute (Ph2) dans au moins un cinquième passage (5) et vaporisation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail (W2) contre au moins un deuxième courant chaud (C2) circulant dans au moins un sixième passage (6) en relation d’échange thermique avec le cinquième passage (5),
f) sortie du deuxième fluide de travail (W2) au moins partiellement vaporisé à l’étape e) du cinquième passage (5) et détente jusqu’à une deuxième pression basse (Pb2), Pb2 étant inférieure à Ph2, dans un deuxième organe de détente coopérant avec un deuxième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique, g) introduction du deuxième fluide de travail (W2) détendu à l’étape f) dans au moins un septième passage (7) et condensation d’au moins une partie dudit deuxième fluide de travail (W2) contre au moins un deuxième courant froid (F2) circulant dans au moins un huitième passage (8) en relation d’échange thermique avec au moins le septième passage (7),
h) sortie du deuxième fluide de travail (W2) au moins partiellement condensé à l’étape g) du septième passage (7), élévation de la pression dudit deuxième fluide de travail (W2) jusqu’à la deuxième pression haute (Ph2) et réintroduction dudit deuxième fluide de travail (W2) au moins partiellement condensé à l’étape g) dans le cinquième passage (5),
caractérisé en ce que le premier courant froid (F1 ) sortant du quatrième passage (4) après l’étape c) est introduit dans le huitième passage (8), le premier courant froid (F1 ) formant ainsi le deuxième courant froid (F2) du deuxième cycle de Rankine.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le premier courant froid (F1 ) est introduit dans ledit au moins un quatrième passage (4) à une température inférieure à - 100°C.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape c), le premier fluide de travail (W1 ) circule à contre-courant avec le premier courant froid (F1 ) et/ou à l’étape g), le deuxième fluide de travail (W2) circule à contre- courant avec le deuxième courant froid (F2).
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier courant froid (F1 ) est soit :
- réchauffé dans le quatrième passage (4) par échange de chaleur avec le premier fluide (W1 ) et le deuxième courant froid (F2) est totalement vaporisé dans le huitième passage (8) par échange de chaleur avec le deuxième fluide (W2),
- vaporisé partiellement dans le quatrième passage (4) par échange de chaleur avec le premier fluide (W1 ) et le deuxième courant froid (F2) est au moins partiellement vaporisé dans le huitième passage (8) par échange de chaleur avec le deuxième fluide (W2),
- seulement réchauffé dans le quatrième passage (4) et le deuxième courant froid (F2) est au moins partiellement vaporisé dans le huitième passage (8).
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier cycle de Rankine et le deuxième cycle de Rankine sont des cycles organiques, le premier fluide de travail (W1 ) et le deuxième fluide de travail (W2) comprenant respectivement un premier mélange d’hydrocarbures et un deuxième mélange d’hydrocarbures, de préférence le premier et le deuxième mélange d’hydrocarbures contiennent chacun au moins deux hydrocarbures choisis parmi le méthane, l’éthane, le propane, le butane, l’éthylène, le propylène, le butène, l’isobutane, éventuellement additionnés d’au moins un composant additionnel choisi parmi l'azote, l’argon, l’hélium, le dioxyde de carbone, le néon.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier cycle de Rankine et le deuxième cycle de Rankine sont des cycles organiques, le premier fluide de travail (W1 ) et le deuxième fluide de travail (W2) étant des corps purs constitués respectivement d’un premier hydrocarbure et d’un deuxième hydrocarbure.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième courant froid (F2) sortant du huitième passage (8) est introduit dans au moins un neuvième passage (9) pour y être réchauffé contre un troisième courant chaud (C3) circulant dans au moins un douzième passage en relation d’échange thermique avec le neuvième passage (9).
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier courant chaud (C1 ), le deuxième courant chaud (C2) et/ou le troisième courant (C3) sont formés d’eau de mer, de préférence de l’eau de mer introduite dans le deuxième passage (2), le sixième passage (6) et/ou le douzième passage (12) à une température strictement supérieure à 0 °C, de préférence comprise entre 10 et 30 °C, l’eau de mer ayant éventuellement subi une étape de réchauffage avant introduction dans lesdits passages.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première pression haute (Ph1 ) est supérieure à la première pression basse (Pb1 ) du premier fluide de travail (W1 ) d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15 et/ou la deuxième pression haute (Ph2) est supérieure à la deuxième pression basse (Pb2) du deuxième fluide de travail (W2) d’un facteur multiplicateur compris entre 2,5 et 15, les première et/ou deuxième pressions hautes (Ph1 , Ph2) sont comprises entre 10 et 40 bar et/ou les première et/ou deuxième pressions basses (Pb1 , Pb2) sont comprises entre 5 et 15 bar.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape d), le premier fluide de travail (W1 ) sortant du troisième passage (3) est introduit dans au moins un dixième passage (10) en relation d’échange thermique avec les troisième et/ou quatrième passages (3, 4), avant d’être réintroduit dans le premier passage (1 ) et/ou, à l’étape h), le deuxième fluide de travail (W2) sortant du septième passage (7) est introduit dans au moins un onzième passage (1 1 ) en relation d’échange thermique avec les septième et/ou huitième passages (7, 8), avant d’être réintroduit dans le cinquième passage (5).
1 1 . Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier courant froid (F1 ) est un courant d’hydrocarbures liquéfié tel du gaz naturel liquéfié ou un courant de liquide cryogénique choisi parmi : un courant d’azote liquéfié, un courant d’oxygène liquéfié, un courant d’hydrogène liquéfié.
12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier courant froid (F1 ) est un courant d’hydrocarbures liquéfié, tel du gaz naturel liquéfié, introduit totalement liquéfié dans le quatrième passage (4) à une température comprise entre -140 et -170°C et le deuxième courant froid (F2) sort du huitième passage (8) et/ou du neuvième passage (9) totalement vaporisé à une température comprise entre 5 et 50 °C.
13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier fluide de travail (W 1 ) est introduit dans le premier passage (1 ) à une première température (T1 ) et le deuxième fluide de travail (W2) est introduit dans le cinquième passage (5) à une deuxième température (T2) supérieure à la première température (T 1 ) avec, de préférence, T 1 comprise entre - 1 10 et - 70 °C et T2 comprise entre - 60 et - 30 °C.
14. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième, sixième, septième, huitième, neuvième, dixième, onzième et/ou douzième passages font partie d’au moins un échangeur de chaleur du type à plaques brasé, ledit échangeur comprenant un empilement de plusieurs plaques parallèles et espacées les unes par rapport aux autres de façon à délimiter entre elles des séries de plusieurs passages au sein dit échangeur.
15. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier et deuxième passages (1 , 2) font partie d’un premier échangeur de chaleur (E1 ), les troisième et quatrième passages (3, 4) avec éventuellement les dixièmes passages (10) font partie d’un deuxième échangeur de chaleur (E2), les cinquième et sixième passages (5, 6) font partie d’un troisième échangeur de chaleur (E3) et les septième et huitième passages (7, 8) avec éventuellement les onzième passages (1 1 ) font partie d’un quatrième échangeur (E4), lesdits échangeurs formant des entités physiquement distinctes.
16. Procédé selon l’une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les premier et deuxième passages (1 , 2), les cinquième et sixième passages (5, 6) et éventuellement les neuvième passages (9) font partie d’un même échangeur de chaleur (E), le premier fluide de travail (W1 ) étant introduit à partir d'une première entrée (1 a) située à un bout froid dudit échangeur (E) et présentant la température la plus basse de l’échangeur (E), le deuxième courant chaud (C2) étant introduit à partir d’une deuxième entrée (61 ) située à un bout chaud dudit échangeur (E) et présentant la température la plus haute de l’échangeur (E) jusqu’à une deuxième sortie (22) agencée au bout froid de l’échangeur (E) et le deuxième fluide de travail (W2) issu des septième passages (7) étant introduit dans l’échangeur (E) par une troisième entrée (51 ) agencée à un premier niveau intermédiaire de l’échangeur (E) situé entre le bout froid et le bout chaud, le deuxième courant froid (F2) étant éventuellement introduit dans l’échangeur (E) par une quatrième entrée (91 ) agencée à un deuxième niveau intermédiaire situé entre le premier niveau intermédiaire et le bout chaud de l’échangeur (E).
17. Procédé selon l’une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les troisième, quatrième, septième et huitième passages (3, 4, 7, 8) font partie d’un même autre échangeur (E’), le premier courant froid (F1 ) étant introduit à partir d’une cinquième entrée (41 ) située à un bout froid dudit autre échangeur (E’) et présentant la température la plus basse de l’échangeur (E’), le deuxième fluide de travail (W2) détendu à l’étape f) étant introduit dans l’autre échangeur (E’) à partir d’une sixième entrée (71 ) située à un bout chaud de l’autre échangeur (E’) et présentant la température la plus haute de l’autre échangeur (E’), le premier fluide de travail (W1 ) détendu à l’étape b) étant introduit dans l’autre échangeur (E’) à partir d’une septième entrée (31 ) agencée à un troisième niveau intermédiaire situé entre le bout froid et le bout chaud de l’autre échangeur (E’).
18. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier courant froid (F1 ) est un courant de liquide cryogénique introduit dans le quatrième passage (4) à une température inférieure à -180 °C, de préférence comprise entre -180 et -253 °C.
19. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il met en œuvre un troisième cycle de Rankine comprenant les étapes suivantes : i) introduction à une troisième pression haute (Ph3) d’un troisième fluide de travail (W3) dans au moins un treizième passage (13) et vaporisation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail (W3) contre au moins un quatrième courant chaud (C4),
j) sortie du troisième fluide de travail (W3) au moins partiellement vaporisé à l’étape i) du au moins un treizième passage (13) et détente jusqu’à une troisième pression basse (Pb3), Pb3 étant inférieure à Ph3, dans un troisième organe de détente coopérant avec un troisième générateur électrique de façon à produire de l’énergie électrique,
k) introduction du troisième fluide de travail (W3) détendu à l’étape f) dans le deuxième passage (2), de façon à former au moins en partie, le premier courant chaud (C1 ) du premier cycle de Rankine, et condensation d’au moins une partie dudit troisième fluide de travail (W3) contre au moins le premier fluide de travail (W1 ) qui se vaporise dans le premier passage (1 ),
L) sortie dudit troisième fluide de travail (W3) au moins partiellement condensé à l’étape k) du deuxième passage (2) et réintroduction, après élévation de pression jusqu’à la troisième pression haute (Ph3), dans le treizième passage (13).
20. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier, deuxième et/ou troisième générateurs sont confondus un seul et même générateur électrique, le premier organe de détente, le deuxième organe de détente et/ou le troisième organe de détente étant couplés à ce même générateur électrique de sorte que ledit générateur électrique produit de l’énergie électrique simultanément à partir du premier cycle, du deuxième cycle de Rankine et/ou du troisième cycle de Rankine.
21 . Installation de production d’énergie électrique comprenant des moyens de mise en œuvre d’un premier cycle de Rankine et d’un deuxième cycle de Rankine comprenant au moins un dispositif d’échange de chaleur comprenant plusieurs passages configurés pour l’écoulement de fluides à mettre en relation d’échange thermique, les moyens de mise en œuvre du premier cycle de Rankine comprenant :
- au moins un premier passage (1 ) configuré pour l’écoulement d’un premier fluide de travail (W1 ),
- au moins un deuxième passage (2) configuré pour l’écoulement d’un premier courant chaud (C1 ), ledit deuxième passage (2) étant en relation d’échange thermique avec ledit premier passage (1 ) de sorte que, en fonctionnement, le premier fluide de travail (W1 ) introduit dans le premier passage (1 ) est vaporisé en moins en partie contre le premier courant chaud (C1 ),
- un premier organe de détente agencé en aval dudit premier passage (1 ) et configuré pour réduire la pression du premier fluide de travail (W1 ) sortant du premier passage (1 ) depuis une première pression haute (Ph1 ) jusqu'à une première pression basse (Pb1 ),
- un premier générateur électrique couplé au premier organe de détente,
- au moins un troisième passage (3) agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail (W1 ) détendu par le premier organe de détente,
- au moins un quatrième passage (4) configuré pour l’écoulement d’un premier courant froid (F1 ), ledit quatrième passage (4) étant en relation d’échange thermique avec ledit troisième passage (3) de sorte que, en fonctionnement, le premier fluide de travail (W1 ) introduit dans le troisième passage (3) est condensé au moins en partie contre le premier courant froid (F1 ),
- un premier organe élévateur de pression agencé en aval dudit troisième passage (3) et configuré pour augmenter la pression du premier fluide de travail (W1 ) sortant du troisième passage (3) depuis la première pression basse (Pb1 ) jusqu'à la première pression haute (Ph1 ),
et les moyens de mise en œuvre du deuxième cycle de Rankine comprenant :
- au moins un cinquième passage (5) configuré pour l’écoulement d’un deuxième fluide de travail (W2),
- un deuxième organe de détente agencé en aval dudit cinquième passage (5) et configuré pour réduire la pression du deuxième fluide de travail (W2) sortant du cinquième passage (1 ) depuis une deuxième pression haute (Ph2) jusqu'à une deuxième pression basse (Pb2),
- un deuxième générateur électrique couplé au deuxième organe de détente, - au moins un septième passage (7) agencé en aval du premier organe de détente et configuré pour l’écoulement du premier fluide de travail (W2) détendu par le deuxième organe de détente,
- au moins un huitième passage (8) configuré pour l’écoulement d’un deuxième courant froid (F2), ledit huitième passage (8) étant en relation d’échange thermique avec ledit septième passage (7) de sorte que, en fonctionnement, le deuxième fluide de travail (W2) circulant dans le septième passage (7) est condensé au moins en partie contre le deuxième courant froid (F2),
- un deuxième organe élévateur de pression agencé en aval dudit septième passage (7) et configuré pour augmenter la pression du deuxième fluide de travail (W2) sortant du septième passage (7) depuis la deuxième pression basse (Pb2) jusqu'à la deuxième pression haute (Ph2),
caractérisé en ce que le huitième passage (8) est agencé en aval du quatrième passage (4) et mis en communication fluidique avec le quatrième passage (4) et de sorte que le premier courant froid (F1 ) sortant du quatrième passage (4) forme le deuxième courant froid (F2) introduit dans le huitième passage (8).
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