WO2023111414A1 - Circuit de refroidissement pour système d'alimentation et de refroidissement d'un gaz - Google Patents

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WO2023111414A1
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main loop
pressure
refrigerant fluid
cooling circuit
gas
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Bernard Aoun
Pavel BORISEVICH
Charbel HOMSY
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Gaztransport Et Technigaz
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    • F25J1/0285—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings
    • F25J1/0288—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings using work extraction by mechanical coupling of compression and expansion of the refrigerant, so-called companders
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    • F25J2290/34—Details about subcooling of liquids

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas supply and cooling systems within a tank of a floating structure and relates more particularly to a cooling circuit integrated within such supply and cooling systems.
  • said floating structure may be capable of using at least a part of said gas in the liquid state in order to supply at least one of its motors, via a gas supply system.
  • it is necessary to keep the pressure within the tank at an acceptable level, in particular by keeping the gas cargo in the liquid state at an adequate temperature.
  • the refrigerant fluid In order to implement a cooling of the gas contained in the tank, and thus to manage the pressure of the latter in an optimal manner, the refrigerant fluid must circulate in the cooling circuit in a defined quantity. Since the refrigerant fluid circulates through various compression or expansion modules, it happens that said fluid leaks through the joints or bearings thereof. The quantity of refrigerant fluid circulating in the cooling circuit can therefore decrease over time, and this until there is no longer enough refrigerant fluid to effect effective cooling of the gas contained in the tank. Conversely, too much refrigerant circulating in the cooling circuit leads to a rise in pressure within the circuit, thus impairing its proper operation.
  • the present invention makes it possible to regulate the quantity of refrigerant fluid present in the cooling circuit by proposing a cooling circuit for a gas supply and cooling system of a floating structure comprising at least one tank configured to contain the gas in the liquid state, the cooling circuit being traversed by a cooling fluid intended to lower the temperature of the gas in the liquid state contained in the tank, the cooling circuit comprising a main loop comprising: at least one compression device ensuring the compression of the refrigerant fluid, at least one heat exchanger configured to effect a heat exchange between the refrigerant fluid and the gas contained in the tank, at least one internal heat exchanger comprising a first pass where the refrigerant fluid circulates at a first pressure and a second pass where the refrigerant fluid circulates at a second pressure lower than the first pressure, the first pass being arranged downstream of the compression device and upstream of the heat exchanger, the second pass being arranged downstream of the exchanger and upstream of the compression device, at least one turbocharger provided with a compression member arranged between the compression device and the
  • the cooling circuit according to the invention makes it possible to add refrigerant fluid to the main loop if the initial quantity is not sufficient to operate effective cooling, or to remove it if the refrigerant fluid is present in too excessive a quantity. in the main loop.
  • the quantity of refrigerant fluid is determined in real time thanks to the pressure measurement within the main loop by the pressure sensor.
  • the cooling circuit compression device is responsible for circulating the refrigerant within the main loop.
  • the compression device also makes it possible to compress the refrigerant fluid and thereby increase its temperature.
  • the refrigerant fluid, during its circulation, remains permanently in the gaseous state in order not to damage the compression device or the turbocharger.
  • the compression member and the turbine by their mechanical connection, are driven in rotation with each other.
  • the turbine is driven in rotation and thus drives the shaft in rotation, which itself drives the compression member in rotation.
  • the refrigerant is therefore initially compressed by the compression member.
  • the refrigerant then passes through the first pass of the internal heat exchanger and is expanded as it passes through the turbine.
  • the turbocharger is rotated using a drive member. As mentioned previously, the latter can directly drive the turbine in rotation, but said drive member can also directly drive the compression member in rotation.
  • the shaft only connects the turbine to the compression member of the turbocharger.
  • the compressor device is separate from the turbocharger and is therefore not connected to the shaft in any way.
  • the compression device comprises its own drive member and the turbocharger comprises its own drive member, and these drive members are separate from each other.
  • Such a configuration allows the compression device and the turbocharger to have a speed of rotation independent of each other. He It is thus possible to regulate the flow rate of refrigerant fluid via the compression device independently of the pressure implemented by the compression member on the refrigerant fluid.
  • the refrigerant By being expanded, the refrigerant is therefore at low pressure and at low temperature at the outlet of the turbine, and then passes through the heat exchanger.
  • the heat exchanger is also crossed by the gas coming from the tank. The latter being at a higher temperature than the temperature of the refrigerant fluid, the gas coming from the tank is therefore cooled by the refrigerant fluid.
  • the heat exchanger therefore makes it possible, for example, to lower the temperature of the gas in the liquid state present in the tank in order to avoid an overpressure within it.
  • the refrigerant fluid circulates within the second pass of the internal heat exchanger.
  • the latter therefore ensures a heat exchange between the refrigerant fluid at a first pressure circulating in the first pass and the refrigerant fluid at a second pressure circulating in the second pass.
  • the heat exchange is therefore intrinsic to the main loop and makes it possible to manage the thermodynamic equilibrium within the main loop.
  • the regulation branch comprises an end connected to the main loop in order to ensure a fluidic connection with the latter.
  • the regulation branch can for example extend to a refrigerant fluid reservoir and/or to an outlet to the atmosphere.
  • the valve opens in order to circulate the refrigerant fluid respectively from the refrigerant fluid reservoir to the main loop, or from the main to the refrigerant tank or to the atmosphere.
  • the valve is in the closed position when the quantity of refrigerant fluid in the main loop is acceptable to meet the cooling needs of the gas contained in the tank.
  • the pressure sensor is preferably configured to measure the pressure of the refrigerant fluid within the main loop, in order to deduce the quantity of refrigerant fluid therefrom. Too high a pressure is indicative of too much refrigerant within the main loop. Conversely, too low a pressure is indicative of too low a quantity of refrigerant fluid within the main loop.
  • the valve is configured to authorize the exit of refrigerant fluid from the main loop via the regulation branch when the pressure measured by the pressure sensor is greater than a first pressure threshold.
  • the first pressure threshold corresponds to a maximum pressure value beyond which the cooling circuit no longer operates optimally.
  • the valve opens so that a quantity of refrigerant fluid circulates out of the main loop via the regulation branch and is sent to the atmosphere or to the refrigerant fluid reservoir to be stored.
  • the opening of the valve can for example result from the reception of a signal emitted by the pressure sensor following the exceeding of the first pressure threshold.
  • the coolant circuit again operates optimally.
  • the valve is then closed again in order to prevent the exit of more refrigerant from the main loop.
  • the valve is configured to allow the entry of refrigerant fluid into the main loop via the regulation branch when the pressure measured by the pressure sensor is below a second pressure threshold, the second pressure threshold being lower than the first pressure threshold.
  • the second pressure threshold corresponds to a minimum pressure value below which the cooling circuit no longer operates optimally.
  • a pressure that is too low means that there is not enough refrigerant fluid to meet the cooling needs of the gas contained in the tank. This lack of coolant can for example result from a leak of coolant through the joints of the compression device, the turbocharger or the turbine.
  • the pressure sensor can then send a signal to the valve of the regulation branch so that said valve opens in order to allow the addition of a quantity of refrigerant within the loop main.
  • the coolant fluid stored in the coolant fluid reservoir then circulates within the regulation branch in order to join the main loop.
  • the coolant circuit again operates optimally.
  • the valve is then closed again to prevent more refrigerant from entering the main loop.
  • the regulation branch is connected to the main loop downstream of the compression device and upstream of the compression member of the turbocharger, the pressure sensor being configured to measure the pressure within the main loop between the compression device and the turbocharger compression device.
  • the pressure measurement is performed on the same section of the main loop as the fluidic connection between the main loop and the regulation branch.
  • the refrigerant fluid circulates at high pressure, which facilitates the exit of refrigerant fluid from the main loop.
  • the entry of refrigerant is also possible.
  • the regulation branch is connected to the main loop downstream of the second pass of the internal heat exchanger and upstream of the compression device, the pressure sensor being configured to detect the pressure at the within the main loop between the second pass of the internal heat exchanger and the compression device.
  • the refrigerant circulates at low pressure, because this section is located downstream of the turbocharger turbine and upstream of the compression device.
  • the circulation of refrigerant fluid at low pressure favors the entry of more refrigerant fluid within the main loop but the exit of refrigerant fluid is also possible there.
  • the regulation branch is a first regulation branch connected to the main loop downstream of the device for compression and upstream of the compression member of the turbocharger
  • the cooling circuit comprising a second regulating branch connected to the main loop downstream of the second pass of the internal heat exchanger and upstream of the compression device, the main loop comprising a first pressure sensor configured to detect the pressure within the main loop between the compression device and the compression member of the turbocharger and a second pressure sensor configured to detect the pressure within the main loop between the second passes the internal heat exchanger and the compression device.
  • the cooling circuit can thus be configured to include a regulation branch dedicated to the refrigerant fluid inlet and a regulation branch dedicated to the refrigerant fluid outlet.
  • Each of the two regulation branches can also control the entry and exit of refrigerant fluid, respectively within and outside the main loop.
  • the cooling circuit may also comprise two pressure sensors, each being configured to measure a pressure of the refrigerant fluid at the level of a section of the main loop where each of the regulation branches are connected. The presence of two pressure sensors also makes it possible to carry out two checks in order to determine whether one of the pressure thresholds has been crossed.
  • the first regulation branch controls an outlet of refrigerant fluid outside the main loop and the second regulation branch controls an inlet of refrigerant fluid within the main loop.
  • the first regulating branch is arranged at a high pressure section of the main loop while the second regulating branch is arranged at a low pressure section of the main loop.
  • the first regulation branch controls an inlet of refrigerant fluid within the main loop and the second regulation branch controls an outlet of the refrigerant fluid outside the main loop. It is in fact possible to invert the refrigerant fluid inlet and outlet independently of the pressure differential, if the need arises, for example for reasons of fitting out the refrigerant fluid reservoir and/or from the exit to the atmosphere.
  • the cooling circuit comprises an additional exchanger, arranged between the compression member of the turbocharger and the first pass of the internal heat exchanger, the additional exchanger being configured to cool the refrigerant fluid.
  • the cooling of the refrigerant fluid ensures better expansion thereof by the turbine and thus aims to improve the cooling performance of the gas contained in the tank. Since the refrigerant fluid is at high pressure and at high temperature before passing through the additional exchanger, the cooling of the refrigerant fluid within it can be done with a third fluid such as sea water.
  • the refrigerant fluid can be nitrogen.
  • Dinitrogen is regularly used as a coolant and is compatible with the cooling circuit according to the invention.
  • nitrogen is an easily accessible fluid in the event that the floating structure is a ship equipped with nitrogen generators. It is then easier and less costly to establish a connection between said nitrogen generators and one or more regulation branches of the cooling circuit.
  • the invention also covers a gas supply and cooling system for a floating structure comprising at least one tank configured to contain the gas in the liquid state, a supply circuit intended to be traversed by gas coming from the tank and configured to supply gas to at least one gas-consuming device which equips the floating structure, characterized in that the supply and cooling system comprises a cooling circuit as described above.
  • the supply and cooling system comprises a cooling circuit as described above.
  • the gas in the vapor state can either be evacuated via the supply circuit, or be recondensed indirectly via the cooling circuit, as described previously.
  • the gas-consuming device connected to the tank by the supply circuit can for example be a motor ensuring the propulsion of the floating structure or a generator supplying the floating structure with electrical energy.
  • FIG. 1 represents a cooling circuit according to the invention comprising a branch for regulating a refrigerant fluid circulating in said cooling circuit,
  • FIG. 1 represents the cooling circuit according to the invention comprising two regulation branches
  • FIG. 3 represents a first embodiment of a gas supply and cooling system comprising the cooling circuit
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the gas supply and cooling system comprising the cooling circuit.
  • FIG. 1 represents a cooling circuit 4 which can be integrated within a supply and cooling system for a floating structure transporting and/or storing gas in the liquid state and comprising a tank containing said gas and which is not shown here.
  • the cooling circuit 4 comprises a main loop 22 within which circulates a refrigerant fluid, for example dinitrogen.
  • the main loop 22 includes a compression device 10, a turbocharger 13, a heat exchanger 18, a heat exchanger 17 and an additional exchanger 38.
  • the purpose of the cooling circuit 4 is to circulate the refrigerant fluid within the main loop 22 so that it passes through the heat exchanger 17 at low temperature.
  • the heat exchanger 17 is also crossed by gas in the liquid state circulating within a gas circuit in the liquid state 8 partially shown in Figure 1. As will be described in detail later, the gas circuit in the liquid state 8 allows the circulation of gas in the liquid state coming from the tank to the heat exchanger 17. The gas in the liquid state then returns to the tank after having passed through said heat exchanger 17.
  • the refrigerant fluid thus cools the gas coming from the tank within the heat exchanger 17.
  • the gas in the liquid state pumped into the tank is therefore further cooled by the refrigerant fluid in the heat exchanger 17 and then is returned in the tank in order to lower the average temperature of the latter and thus to allow the condensation of the evaporated gas and to manage the internal pressure of the tank.
  • the compression device 10 is responsible for circulating the refrigerant fluid and compressing it at high pressure and at high temperature.
  • the fluid then circulates to the turbocharger 13.
  • the turbocharger 13 comprises a compression member 14 and a turbine 15 mechanically connected to each other by a shaft 16. The latter only connects the compression member 14 to the turbine 15, the compression device 10 not being connected to the shaft 16. This configuration thus makes it possible to rotate the compression device 10 and the compression member 14 at a different speed of rotation one from the other.
  • the compression member 14 is arranged upstream of a first pass 23 of the internal heat exchanger 18 while the turbine 15 is arranged downstream of this same first pass 23 of the heat exchanger 18.
  • the turbine 15 is rotated by a drive member, and thus drives the shaft 16, which itself drives the compression member 14.
  • the member of drive can rotate the compression member 14 which thus drives the shaft 16, which itself drives the turbine 15.
  • the additional heat exchanger 38 is as for interposes it between the compression member 14 and the first pass 23 of the internal heat exchanger 18.
  • the refrigerant fluid is therefore initially compressed by the compression member 14 then passes through the additional exchanger 38 where it is cooled by a third fluid, for example sea water. Cooling via the additional exchanger 38 subsequently allows more effective expansion by the turbine 15. The refrigerant then passes through the first pass 23 of the internal heat exchanger 18 and is subsequently expanded by the turbine 15. The expansion allows a reduction in the temperature of the refrigerant fluid which circulates through the heat exchanger 17 at low temperature in order to cool the gas in the liquid state coming from the tank, as described above.
  • the refrigerant fluid then passes through a second pass 24 of the internal heat exchanger 18. There is therefore an exchange of heat between the refrigerant fluid circulating at a first pressure within the first pass 23 of the internal heat exchanger 18 and the refrigerant fluid circulating at a second pressure lower than the first pressure within the second pass 24 of the internal heat exchanger 18 in order to regulate the temperature of the refrigerant fluid circulating in the cooling circuit 4.
  • the refrigerant fluid circulating in the main loop 22 is present in too large a quantity or in a too small quantity, which can harm the operation of the cooling circuit 3 and/or its cooling performance.
  • the monitoring of the quantity of refrigerant fluid in the main loop 22 is ensured by a pressure sensor 27 placed on the main loop 22 and measuring the pressure of the refrigerant fluid in real time. The measurement of the pressure is significant of the quantity of refrigerant fluid present in the main loop 22, too high a pressure being relative to an excess of refrigerant fluid and too low a pressure being relative to an excessively low quantity of refrigerant fluid.
  • the cooling circuit 4 comprises a regulation branch 25 connected to the main loop 22.
  • the regulation branch 25 includes a valve 26 and extends to a refrigerant reservoir 28 and possibly to an outlet 29 to the atmosphere.
  • the valve 26 can be opened to cause a circulation of refrigerant fluid in the regulation branch 25 in order to increase or decrease the quantity of refrigerant fluid in the loop. main 22.
  • valve 26 opens so that a given quantity of refrigerant fluid leaves the main loop 22 and circulates in the regulation branch 25 up to the refrigerant reservoir. 28 or at outlet 29 to atmosphere.
  • valve 26 opens so that a given quantity of refrigerant fluid coming from the refrigerant fluid reservoir 28 circulates in the regulation branch 25 up to the main loop 22.
  • valve 26 closes once the quantity of refrigerant fluid present in the main loop 22 has reached an optimum quantity making it possible to maximize the performance of the cooling circuit 4.
  • the opening and closing of the valve 26 can depend on a signal emitted by the pressure sensor 27.
  • the latter can thus be configured to detect if the measured pressure of the refrigerant fluid exceeds a first pressure threshold, significant of a excess refrigerant fluid in the main loop 22, in order to send a signal ensuring the opening of the valve 26 and the outlet of the refrigerant fluid.
  • the pressure sensor 27 can also detect if the measured pressure of the refrigerant fluid is lower than a second pressure threshold, itself lower than the first pressure threshold. In this configuration, this means that the refrigerant fluid is not present in sufficient quantity in the main loop 22. The pressure sensor 27 can then send a signal ensuring the opening of the valve 26 and the fluid inlet. refrigerant within the main loop 22, coming from the refrigerant reservoir 28.
  • the regulation branch 25 is connected to the same section as that where the pressure of the refrigerant fluid is measured by the pressure sensor 27.
  • the pressure sensor 27 and the regulation branch 25 are positioned between the compression device 10 and the compression member 14 of the turbocharger 13.
  • the cooling circuit 4 according to the invention thus makes it possible to adjust the quantity of refrigerant fluid circulating in the main loop 22 so as to operate a cooling optimum gas content in the tank thanks to the heat exchange taking place in the heat exchanger 17.
  • FIG. 2 represents the cooling circuit 4 but with two regulation branches 25. This is the only structural difference with the cooling circuit 4 illustrated in FIG. 1. Reference will therefore be made to the description thereof concerning the set of elements common to the two representations of the cooling circuit 4 according to the invention.
  • the cooling circuit 4 represented in FIG. 2 thus comprises a first regulation branch 71 and a second regulation branch 72.
  • Each of these regulation branches 25 comprises its own valve 26, namely a first valve 73 positioned on the first branch of regulation 71 and a second valve 74 positioned on the second regulation branch 72.
  • the second regulation branch 72 is arranged at the level of a low pressure section of the main loop 22, more precisely between the second pass 24 of the heat exchanger internal heat 18 and the compression device 10.
  • the first regulation branch 71 is positioned on the same section as the regulation branch 25 illustrated in FIG. 1. It should be noted that when the cooling circuit 4 comprises only single regulation branch 25, this can also be positioned on the section of the main loop 22 where the second regulation branch 72 illustrated in FIG. refrigerant within or outside the main loop 22.
  • the cooling circuit 4 also has two pressure sensors 27, including a first pressure sensor 75 measuring the pressure of the refrigerant fluid between the compression device 10 and the compression member 14 of the turbocharger 13, and a second pressure sensor 76 measuring the pressure of the refrigerant fluid between the second pass 24 of the internal heat exchanger 18 and the compression device 10.
  • the fact of having two pressure sensors 27 makes it possible to better control the measurement of the pressure of the refrigerant fluid during of time and to check whether one of the two pressure thresholds described previously has been crossed.
  • the first regulating branch 71 extends as far as the outlet 29 towards the atmosphere, while the second regulating branch 72 extends as far as the refrigerant fluid reservoir 28. It is thus understood that the first regulation branch 71 is dedicated to a possible exit of refrigerant fluid out of the main loop 22 while the second regulation branch 72 is dedicated to a possible entry of refrigerant fluid within the main loop 22.
  • This configuration is advantageous in that it is easier to evacuate the refrigerant fluid out of the main loop 22 when the latter is at high pressure. It is also easier to introduce refrigerant fluid into the main loop 22 when the refrigerant fluid circulating within the latter is at low pressure.
  • the opening and closing of the valves 26 operates identically to what has been described in Figure 1, being dependent on the pressure of the refrigerant fluid measured by each of the pressure sensors 27.
  • FIG. 3 represents a first embodiment of a power supply and cooling system 1 comprising the cooling circuit 4 described previously.
  • the supply and cooling system 1 can be arranged within a floating structure capable of transporting and/or storing gas in liquid form, for example within the tank 2.
  • This gas is for example natural gas or ethane.
  • the gas in liquid form is stored in tank 2 at very low temperature. For various reasons, for example naturally during transport, the gas in liquid form can partially evaporate at the level of the top 200 of the tank 2.
  • the supply and cooling system 1 comprises a supply circuit 3.
  • This supply circuit 3 is configured to suck the evaporated gas having formed in the top 200 of the tank 2.
  • the gas can subsequently be used as fuel for a first gas-consuming device 5 and/or a second gas-consuming device 6.
  • the first gas-consuming device 5 can be an engine allowing the propulsion of the floating structure and the second gas-consuming device 6 can be an auxiliary motor responsible for supplying the floating structure with electricity.
  • the compression device 10 ensuring the circulation of the refrigerant fluid within the cooling circuit 4 can also be used within the supply circuit 3 to compress the evaporated gas in order to to send it to gas-consuming appliances. If the latter do not require a supply of energy via the gas, the latter can be eliminated, for example via a burner 7.
  • the compression device 10 can therefore be used for one or the other of the circuits. If the refrigerant fluid is nitrogen, it is not compatible for supplying gas-consuming appliances.
  • the cooling circuit 4 can be purged in order to completely evacuate the nitrogen, for example thanks to the regulation branches 25, and this before using the compression device 10 to supply the gas-consuming devices.
  • the supply and cooling system 1 comprises an arrangement of valves.
  • a first valve 41 is placed on the supply circuit 3 upstream of the compression device 10 and of the connection to the cooling circuit 4
  • a second valve 42 is placed on the supply circuit 3 downstream of the compression device 10 and the connection to the cooling circuit 4
  • a third valve 43 is arranged on the cooling circuit 4 downstream of the compression device 10 and the connection to the supply circuit 3
  • a fourth valve 44 is arranged on the cooling circuit 4 upstream of the compression device 10 and the connection to the supply circuit 3.
  • the compression device 10 is integrated into the supply circuit 3 in order to compress gas to supply gas-consuming appliances.
  • the compression device 10 is integrated into the cooling circuit 4 in order to compress the refrigerant to cool the gas contained in tank 2.
  • the supply and cooling system 1 also comprises the circuit of gas in the liquid state 8 mentioned above, within which circulates gas in the liquid state coming from the tank 2 and passing through the heat exchanger 17.
  • the circuit gas in the liquid state 8 allows the condensation of the gas having evaporated in the sky 200 of the tank 2 and thus participates in the management of the pressure of the tank.
  • the gas in the liquid state of the tank 2 is sucked into the gas circuit in the liquid state 8 by means of a pump 19.
  • the gas in the liquid state then circulates until it passes through the exchanger 17. It is thus understood that the heat exchange operated within the heat exchanger 17 is carried out between the refrigerant fluid circulating in the cooling circuit 4 and the gas in the liquid state circulating in the gas circuit at the liquid state 8.
  • the gas in the liquid state thus exits cooled from the heat exchanger 17.
  • the gas in the liquid state can return to the lower part of the tank 2 via an outlet orifice 21.
  • Such an operation contributes to lowering the average temperature of the tank 2, which causes a drop in pressure. saturation of tank 2 and thus a drop in pressure in tank 2.
  • the gas in the cooled liquid state can also be sprayed in the form of a spray in the top 200 of the tank 2.
  • the gas circuit in the liquid state comprises a spray member 20 ensuring the spraying of the gas in liquid state.
  • spraying the gas in the liquid state makes it possible to condense the gas having evaporated in the top 200 of the tank 2.
  • the condensation of the gas thus reduces the quantity of evaporated gas, which therefore causes a drop in the internal pressure of the tank 2.
  • the gas circuit in the liquid state 8 comprises an additional valve 51.
  • the cooling circuit 4, more particularly the regulation branches 25 thereof, is structurally and functionally identical to what has been described in FIGS. 1 and 2. Reference will therefore be made to the description of these figures for the operation of the branches. regulation 25.
  • FIG. 4 represents a second embodiment of the supply and cooling system 1.
  • This second embodiment differs from the first embodiment in particular in that it comprises a first compression device 11 and a second compression device 12.
  • the first compression device 11 is installed at the level of the supply circuit 3 while the second compression device 12 is installed within the cooling circuit 4.
  • the function of the two compression devices is however not defined by their location, as will be described in detail later.
  • the presence of two compression devices also makes it possible to set up redundancy within the power supply and cooling system 1. Thus, for example, if one of the compression devices breaks down, the other compression device can still perform its function and keep the power supply and cooling system 1 operational.
  • the supply circuit 3 and the cooling circuit 4 both comprise a plurality of valves allowing access to each of the circuits to each of the compression devices so that the latter can both meet the gas supply needs of the appliances. gas consumers or, if necessary, supply of coolant to the cooling circuit.
  • the second embodiment of the supply and cooling system 1 comprises a fifth valve 45, a sixth valve 46, a seventh valve 47, an eighth valve 48, a ninth valve 49 and a tenth valve 50.
  • the fifth valve 45 and the sixth valve 46 allow the connection of the first compression device 11 to the cooling circuit 4 or else the connection of the second compression device 12 to the supply circuit 3 depending on the configuration of the supply system and cooling 1.
  • the seventh valve 47 and the eighth valve 48 are installed on either side of the first compression device 11 and make it possible to isolate the latter when they are in the closed position. Closing these valves is useful in the event of a breakdown of the first compression device 11.
  • the ninth valve 49 and the tenth valve 50 allow the second compression device 12 to be isolated from the rest of the supply system and to cooling 1.
  • the set of valves thus makes it possible to dedicate a compression device to each of the circuits, or else to dedicate the two compression devices to the supply circuit 3 or to the cooling circuit 4.
  • the fact of dedicating a compression device to each circuits makes it possible to simultaneously operate the supply circuit 3 in order to supply gas to the gas-consuming appliances and the cooling circuit 4 in order to cool the gas contained in the tank 2 thanks to the refrigerant fluid.
  • the cooling circuit 4 can be purged in order to completely evacuate the dinitrogen, for example thanks to the regulation branches 25, and this before using the compression device or devices to supply gas-consuming appliances.
  • the second embodiment also differs from the first embodiment in that the first regulating branch 71 is connected to the refrigerant fluid reservoir 28 and in that the second regulating branch 72 is connected to the outlet 29 to the atmosphere.
  • This configuration can be implemented for example for reasons of mechanical bulk or pipe connection constraints.
  • the rest of the power supply and cooling system 1 is structurally and/or functionally identical to what has been described previously and reference will be made to the descriptions of FIG. 3 concerning the structural and functional details of the power supply and cooling system 1 , and to the descriptions of figures 1 and 2 concerning the structural and functional details of the cooling circuit 4.
  • the invention achieves the goal it had set itself, and makes it possible to propose a cooling circuit capable of regulating a quantity of refrigerant fluid circulating within said cooling circuit in order to to optimize the cooling performance of a gas contained in a tank of a floating structure.
  • Variants not described here could be implemented without departing from the context of the invention, provided that, in accordance with the invention, they comprise a cooling circuit in accordance with the invention.

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Abstract

Circuit de refroidissement pour système d'alimentation et de refroidissement d'un gaz La présente invention concerne un circuit de refroidissement pour système d'alimentation et de refroidissement d'un gaz d'un ouvrage flottant comprenant une cuve, le circuit de refroidissement étant parcouru par un fluide réfrigérant et comprenant une boucle principale comportant : - un dispositif de compression, - un échangeur thermique, - un échangeur de chaleur interne, - un turbocompresseur, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement comprend une branche de régulation connectée à la boucle principale, la branche de régulation comprenant une vanne configurée pour contrôler une circulation de fluide réfrigérant au sein de la branche de régulation, la boucle principale comprenant un capteur de pression, la vanne contrôlant une quantité de fluide réfrigérant présent dans la boucle principale en fonction de la pression mesurée par le capteur de pression.

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : Circuit de refroidissement pour système d’alimentation et de refroidissement d’un gaz
La présente invention se rapporte au domaine des systèmes d’alimentation et de refroidissement de gaz au sein d’une cuve d’un ouvrage flottant et porte plus particulièrement sur un circuit de refroidissement intégré au sein de tels systèmes d’alimentation et de refroidissement.
Au cours d’un trajet effectué par un ouvrage flottant comprenant une cuve de gaz à l’état liquide destiné à être livré vers un point de destination, ledit ouvrage flottant peut être apte à utiliser au moins une partie dudit gaz à l’état liquide afin d’alimenter au moins l’un de ses moteurs, et ce via un système d’alimentation en gaz. Parallèlement à cela, il est nécessaire de conserver la pression au sein de la cuve à un niveau acceptable, notamment en maintenant la cargaison de gaz à l’état liquide à une température adéquate.
A ce titre, il est connu d’utiliser un circuit d’alimentation permettant d’aspirer le gaz s’étant évaporé, puis de comprimer celui-ci afin d’alimenter le ou les moteurs. D’une manière parallèle ou alternative, la pression au sein de la cuve peut être abaissée grâce à un circuit de refroidissement permettant de mettre en circulation un fluide réfrigérant afin de reliquéfîer une fraction du gaz s’étant évaporé au sein de la cuve.
Afin de mettre en oeuvre un refroidissement du gaz contenu dans la cuve, et ainsi de gérer la pression de celle-ci de manière optimale, le fluide réfrigérant doit circuler dans le circuit de refroidissement en quantité définie. Le fluide réfrigérant circulant à travers différents modules de compression ou de détente, il arrive que ledit fluide fuît à travers les jointures ou paliers de ceux-ci. La quantité de fluide réfrigérant circulant dans le circuit de refroidissement peut donc diminuer au cours du temps, et ce jusqu’à ce qu’il ne reste plus assez de fluide réfrigérant pour opérer un refroidissement efficace du gaz contenu dans la cuve. A l’inverse, une trop grande quantité de fluide réfrigérant circulant dans le circuit de refroidissement entraîne une hausse de la pression au sein du circuit, nuisant ainsi à son bon fonctionnement. La présente invention permet de réguler la quantité de fluide réfrigérant présent dans le circuit de refroidissement en proposant un circuit de refroidissement pour système d’alimentation et de refroidissement d’un gaz d’un ouvrage flottant comprenant au moins une cuve configurée pour contenir le gaz à l’état liquide, le circuit de refroidissement étant parcouru par un fluide réfrigérant destiné à abaisser la température du gaz à l’état liquide contenu dans la cuve, le circuit de refroidissement comprenant une boucle principale comportant : au moins un dispositif de compression assurant la compression du fluide réfrigérant, au moins un échangeur thermique configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant et le gaz contenu dans la cuve, au moins un échangeur de chaleur interne comprenant une première passe où circule le fluide réfrigérant à une première pression et une deuxième passe où circule le fluide réfrigérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, la première passe étant disposée en aval du dispositif de compression et en amont de l’échangeur thermique, la deuxième passe étant disposée en aval de l’échangeur thermique et en amont du dispositif de compression, au moins un turbocompresseur pourvu d’un organe de compression disposé entre le dispositif de compression et la première passe de l’échangeur de chaleur interne et une turbine disposée entre la première passe de l’échangeur de chaleur interne et l’échangeur thermique, l’organe de compression et la turbine étant liés en rotation par un arbre, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement comprend une branche de régulation connectée à la boucle principale, la branche de régulation comprenant au moins une vanne configurée pour contrôler une circulation de fluide réfrigérant au sein de la branche de régulation, la boucle principale comprenant au moins un capteur de pression, la vanne contrôlant une quantité de fluide réfrigérant présent dans la boucle principale en fonction de la pression mesurée par le capteur de pression. Grâce à la branche de régulation, la quantité de fluide réfrigérant est toujours contrôlée dans la boucle principale. Le circuit de refroidissement selon l’invention permet d’ajouter du fluide réfrigérant dans la boucle principale si la quantité initiale n’est pas suffisante pour opérer un refroidissement efficace, ou bien d’en enlever si le fluide réfrigérant est présent en quantité trop excessive dans la boucle principale. La quantité de fluide réfrigérant est déterminée en temps réel grâce à la mesure de pression au sein de la boucle principale par le capteur de pression.
Le dispositif de compression du circuit de refroidissement est chargé de la mise en circulation du fluide réfrigérant au sein de la boucle principale. Le dispositif de compression permet également de comprimer le fluide réfrigérant et de ce fait d’augmenter sa température. Le fluide réfrigérant, au cours de sa circulation, reste en permanence à l’état gazeux afin de ne pas endommager le dispositif de compression ou le turbocompresseur.
L’organe de compression et la turbine, de par leur liaison mécanique, sont entraînés en rotation l’un avec l’autre. La turbine est entraînée en rotation et entraîne ainsi en rotation l’arbre, qui lui-même entraîne l’organe de compression en rotation. Le fluide réfrigérant est donc dans un premier temps comprimé par l’organe de compression. Le fluide réfrigérant traverse ensuite la première passe de l’échangeur de chaleur interne, puis est détendu en passant à travers la turbine. Le turbocompresseur est mis en rotation à l’aide d’un organe d’entraînement. Tel qu’évoqué précédemment, ce dernier peut entraîner directement la turbine en rotation, mais ledit organe d’entraînement peut également entraîner directement l’organe de compression en rotation.
11 est à noter que l’arbre ne relie que la turbine à l’organe de compression du turbocompresseur. Le dispositif de compression est distinct du turbocompresseur et n’est donc pas relié à l’arbre de quelque manière que ce soit. En d’autres termes, le dispositif de compression comprend son propre organe d’entraînement et le turbocompresseur comprend son propre organe d’entraînement, et ces organes d’entraînement sont séparés l’un de l’autre. Une telle configuration permet au dispositif de compression et au turbocompresseur de présenter une vitesse de rotation indépendante l’une de l’autre. Il est ainsi possible de réguler le débit de fluide réfrigérant via le dispositif de compression indépendamment de la pression mise en oeuvre par l’organe de compression sur le fluide réfrigérant.
En étant détendu, le fluide réfrigérant est donc à basse pression et à basse température en sortie de la turbine, et traverse ensuite l’échangeur thermique. L’échangeur thermique est également traversé par le gaz provenant de la cuve. Ce dernier étant à une température plus élevée que la température du fluide réfrigérant, le gaz provenant de la cuve est donc refroidi par le fluide réfrigérant. L’échangeur thermique permet donc par exemple d’abaisser la température du gaz à l’état liquide présent dans la cuve afin d’éviter une surpression au sein de celle-ci.
En sortie de l’échangeur thermique, le fluide réfrigérant circule au sein de la deuxième passe de l’échangeur de chaleur interne. Ce dernier assure donc un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant à une première pression circulant dans la première passe et le fluide réfrigérant à une deuxième pression circulant dans la deuxième passe. L’échange de chaleur est donc intrinsèque à la boucle principale et permet de gérer l’équilibre thermodynamique au sein de la boucle principale.
Le branche de régulation comprend une extrémité connectée à la boucle principale afin d’assurer une connexion fluidique avec celle-ci. La branche de régulation peut par exemple s’étendre jusqu’à un réservoir de fluide réfrigérant et/ou à une sortie vers l’atmosphère. Lorsqu’il est nécessaire d’augmenter ou de diminuer la quantité de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale, la vanne s’ouvre afin de faire circuler le fluide réfrigérant respectivement du réservoir de fluide réfrigérant vers la boucle principale, ou de la boucle principale vers le réservoir de fluide réfrigérant ou vers l’atmosphère. La vanne est en position fermée lorsque la quantité de fluide réfrigérant dans la boucle principale est acceptable pour répondre aux besoins de refroidissement du gaz contenu dans la cuve.
Le capteur de pression est préférentiellement configuré pour relever la pression du fluide réfrigérant au sein de la boucle principale, et ce afin d’en déduire la quantité de fluide réfrigérant. Une pression trop élevée est significative d’une trop grande quantité de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale. A l’inverse une pression trop faible est significative d’une quantité trop faible de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale.
Selon une caractéristique de l’invention, la vanne est configurée pour autoriser la sortie de fluide réfrigérant hors de la boucle principale via la branche de régulation lorsque la pression mesurée par le capteur de pression est supérieure à un premier seuil de pression. Le premier seuil de pression correspond à une valeur de pression maximale au-delà de laquelle le circuit de refroidissement ne fonctionne plus de manière optimale. Lorsque ce premier seuil de pression est dépassé, la vanne s’ouvre afin qu’une quantité de fluide réfrigérant circule hors de la boucle principale via la branche de régulation et soit envoyée vers l’atmosphère ou vers le réservoir de fluide réfrigérant pour y être stockée. L’ouverture de la vanne peut par exemple résulter de la réception d’un signal émis par le capteur de pression suite au dépassement du premier seuil de pression.
Une fois la pression mesurée du fluide réfrigérant redescendue sous le premier seuil de pression, le circuit de fluide réfrigérant fonctionne de nouveau de manière optimale. La vanne est alors refermée afin d’éviter la sortie de davantage de fluide réfrigérant hors de la boucle principale.
Selon une caractéristique de l’invention, la vanne est configurée pour autoriser l’entrée de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale via la branche de régulation lorsque la pression mesurée par le capteur de pression est inférieure à un deuxième seuil de pression, le deuxième seuil de pression étant inférieur au premier seuil de pression. Le deuxième seuil de pression correspond à une valeur de pression minimale sous laquelle le circuit de refroidissement ne fonctionne plus de manière optimale. Une pression trop faible signifie qu’il n’y a pas assez de fluide réfrigérant pour assurer les besoins de refroidissement du gaz contenu dans la cuve. Ce manque de fluide réfrigérant peut par exemple résulter d’une fuite du fluide réfrigérant à travers les jointures du dispositif de compression, du turbocompresseur ou de la turbine. Le capteur de pression peut alors envoyer un signal à la vanne de la branche de régulation pour que ladite vanne s’ouvre afin de permettre l’ajout d’une quantité de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale. Le fluide réfrigérant stocké dans le réservoir de fluide réfrigérant circule alors au sein de la branche de régulation afin de rejoindre la boucle principale.
Une fois la pression mesurée du fluide réfrigérant remontée au-dessus du deuxième seuil de pression, le circuit de fluide réfrigérant fonctionne de nouveau de manière optimale. La vanne est alors refermée afin d’éviter l’entrée de davantage de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale.
Selon une caractéristique de l’invention, la branche de régulation est connectée à la boucle principale en aval du dispositif de compression et en amont de l’organe de compression du turbocompresseur, le capteur de pression étant configuré pour relever la pression au sein de la boucle principale entre le dispositif de compression et l’organe de compression du turbocompresseur. D’une manière préférentielle, la mesure de la pression est effectuée sur une même section de la boucle principale que la connexion fluidique entre la boucle principale et la branche de régulation.
Au niveau de la section entre le dispositif de compression et l’organe de compression, le fluide réfrigérant circule à haute pression, ce qui facilite la sortie de fluide réfrigérant hors de la boucle principale. L’entrée de fluide réfrigérant est toutefois également possible.
Selon une caractéristique de l’invention, la branche de régulation est connectée à la boucle principale en aval de la deuxième passe de l’échangeur de chaleur interne et en amont du dispositif de compression, le capteur de pression étant configuré pour relever la pression au sein de la boucle principale entre la deuxième passe de l’échangeur de chaleur interne et le dispositif de compression. Au sein de la section entre la deuxième passe de l’échangeur de chaleur interne et le dispositif de compression, le fluide réfrigérant circule à basse pression, car ladite section se situe en aval de la turbine du turbocompresseur et en amont du dispositif de compression. La circulation de fluide réfrigérant à basse pression favorise l’entrée de davantage de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale mais la sortie de fluide réfrigérant y est également possible.
Selon une caractéristique de l’invention, la branche de régulation est une première branche de régulation connectée à la boucle principale en aval du dispositif de compression et en amont de l’organe de compression du turbocompresseur, le circuit de refroidissement comprenant une deuxième branche de régulation connectée à la boucle principale en aval de la deuxième passe de l’échangeur de chaleur interne et en amont du dispositif de compression, la boucle principale comprenant un premier capteur de pression configuré pour relever la pression au sein de la boucle principale entre le dispositif de compression et l’organe de compression du turbocompresseur et un deuxième capteur de pression configuré pour relever la pression au sein de la boucle principale entre la deuxième passe de l’échangeur de chaleur interne et le dispositif de compression.
Autrement dit, deux sections différentes de la boucle principale du circuit de refroidissement comprennent chacune une branche de régulation. Le circuit de refroidissement peut ainsi être configuré pour comprendre une branche de régulation dédiée à l’entrée de fluide réfrigérant et une branche de régulation dédiée à la sortie de fluide réfrigérant. Chacune des deux branches de régulation peut également contrôler l’entrée et la sortie de fluide réfrigérant, respectivement au sein et hors de la boucle principale. Le circuit de refroidissement peut également comprendre deux capteurs de pression, chacun étant configuré pour mesurer une pression du fluide réfrigérant au niveau d’une section de la boucle principale où sont connectées chacune des branches de régulation. La présence de deux capteurs de pression permet par ailleurs de procéder à deux vérifications afin de déterminer si l’un des seuils de pression a été franchi.
Selon une caractéristique de l’invention, la première branche de régulation contrôle une sortie de fluide réfrigérant hors de la boucle principale et la deuxième branche de régulation contrôle une entrée du fluide réfrigérant au sein de la boucle principale. La première branche de régulation est disposée à une section haute pression de la boucle principale tandis que la deuxième branche de régulation est disposée à une section basse pression de la boucle principale. En termes de différentiel de pression, il est plus aisé de contrôler la sortie de fluide réfrigérant au niveau d’une section haute pression de la boucle principale et l’entrée de fluide réfrigérant au niveau d’une section basse pression de la boucle principale. Selon une caractéristique de l’invention, la première branche de régulation contrôle une entrée de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale et la deuxième branche de régulation contrôle une sortie du fluide réfrigérant hors de la boucle principale. Il est en effet possible d’intervertir l’entrée et la sortie de fluide réfrigérant de manière indépendante au différentiel de pression, si le besoin s’en fait ressentir, par exemple pour des raisons d’aménagement du réservoir de fluide réfrigérant et/ou de la sortie vers l’atmosphère.
Selon une caractéristique de l’invention, le circuit de refroidissement comprend un échangeur additionnel, disposé entre l’organe de compression du turbocompresseur et la première passe de l’échangeur de chaleur interne, l’échangeur additionnel étant configuré pour refroidir le fluide réfrigérant. Le refroidissement du fluide réfrigérant assure une meilleure détente de celui-ci par la turbine et vise ainsi à améliorer les performances du refroidissement du gaz contenu dans la cuve. Le fluide réfrigérant étant à haute pression et à haute température avant de traverser l’échangeur additionnel, le refroidissement du fluide réfrigérant au sein de celui-ci peut se faire avec un fluide tiers tel que de l’eau de mer.
Selon une caractéristique de l’invention, le fluide réfrigérant peut être du diazote. Le diazote est régulièrement utilisé comme fluide réfrigérant et est compatible avec le circuit de refroidissement selon l’invention. Par ailleurs l’azote est un fluide facilement accessible dans l’éventualité où l’ouvrage flottant est un navire pourvu de générateurs d’azote. Il est alors plus aisé et moins coûteux d’établir une connexion entre lesdits générateurs d’azote et une ou plusieurs branches de régulation du circuit de refroidissement.
L’invention couvre également un système d’alimentation et de refroidissement de gaz d’un ouvrage flottant comprenant au moins une cuve configurée pour contenir le gaz à l’état liquide, un circuit d’alimentation destiné à être parcouru par du gaz provenant de la cuve et configuré pour alimenter en gaz au moins un appareil consommateur de gaz qui équipe l’ouvrage flottant, caractérisé en ce que le système d’alimentation et de refroidissement comprend un circuit de refroidissement tel que décrit précédemment. Lors du transport d’une cargaison de gaz sous forme liquide, ce dernier peut partiellement se vaporiser au sein de la cuve, de manière naturelle ou de manière provoquée afin d’alimenter l’appareil consommateur de gaz. Afin d’abaisser la pression interne de la cuve, le gaz à l’état vapeur peut soit être évacué via le circuit d’alimentation, soit être recondensé de manière indirecte via le circuit de refroidissement, tel que décrit précédemment. L’appareil consommateur de gaz relié à la cuve par le circuit d’alimentation peut par exemple être un moteur assurant la propulsion de l’ouvrage flottant ou un générateur alimentant l’ouvrage flottant en énergie électrique.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
[fig 1] représente un circuit de refroidissement selon l’invention comprenant une branche de régulation d’un fluide réfrigérant circulant dans ledit circuit de refroidissement,
[fig 2] représente le circuit de refroidissement selon l’invention comprenant deux branches de régulation,
[fig 3] représente un premier mode de réalisation d’un système d’alimentation et de refroidissement de gaz comprenant le circuit de refroidissement,
[fig 4] représente un deuxième mode de réalisation du système d’alimentation et de refroidissement de gaz comprenant le circuit de refroidissement.
La figure 1 représente un circuit de refroidissement 4 pouvant être intégré au sein d’un système d’alimentation et de refroidissement d’un ouvrage flottant transportant et/ou stockant du gaz à l’état liquide et comprenant une cuve contenant ledit gaz et qui n’est ici pas représentée.
Le circuit de refroidissement 4 comprend une boucle principale 22 au sein de laquelle circule un fluide réfrigérant, par exemple du diazote. La boucle principale 22 comprend un dispositif de compression 10, un turbocompresseur 13, un échangeur de chaleur interne 18, un échangeur thermique 17 et un échangeur additionnel 38. L’objectif du circuit de refroidissement 4 est de faire circuler le fluide réfrigérant au sein de la boucle principale 22 de sorte à ce que celui-ci traverse l’échangeur thermique 17 à basse température. L’échangeur thermique 17 est également traversé par du gaz à l’état liquide circulant au sein d’un circuit de gaz à l’état liquide 8 partiellement représenté sur la figure 1. Tel que cela sera décrit en détails par la suite, le circuit de gaz à l’état liquide 8 permet la circulation de gaz à l’état liquide provenant de la cuve jusqu’à l’échangeur thermique 17. Le gaz à l’état liquide retourne ensuite dans la cuve après avoir traversé ledit échangeur thermique 17. Le fluide réfrigérant refroidit ainsi le gaz provenant de la cuve au sein de l’échangeur thermique 17. Le gaz à l’état liquide pompé dans la cuve est donc davantage refroidi par le fluide réfrigérant dans l’échangeur thermique 17 puis est renvoyé dans la cuve afin d’abaisser la température moyenne de celle-ci et ainsi de permettre la condensation du gaz évaporé et de gérer la pression interne de la cuve.
Le dispositif de compression 10 est chargé de mettre en circulation le fluide réfrigérant et de le comprimer à haute pression et à haute température. Le fluide circule ensuite jusqu’au turbocompresseur 13. Le turbocompresseur 13 comprend un organe de compression 14 et une turbine 15 mécaniquement reliés l’un à l’autre par un arbre 16. Ce dernier ne relie que l’organe de compression 14 à la turbine 15, le dispositif de compression 10 n’étant quant à lui pas relié à l’arbre 16. Cette configuration permet ainsi de mettre en rotation le dispositif de compression 10 et l’organe de compression 14 à une vitesse de rotation différente l’une de l’autre.
L’organe de compression 14 est disposé en amont d’une première passe 23 de l’échangeur de chaleur interne 18 tandis que la turbine 15 est disposée en aval de cette même première passe 23 de l’échangeur de chaleur 18. Selon l’exemple de la figure 1, la turbine 15 est mise en rotation par un organe d’entraînement, et entraîne ainsi l’arbre 16, qui lui-même entraîne l’organe de compression 14. Selon un autre exemple, l’organe d’entraînement peut mettre en rotation l’organe de compression 14 qui entraîne ainsi l’arbre 16, qui lui-même entraîne la turbine 15. L’échangeur additionnel 38 est quant à lui interpose entre l’organe de compression 14 et la première passe 23 de l’échangeur de chaleur interne 18.
Le fluide réfrigérant est donc dans un premier temps comprimé par l’organe de compression 14 puis traverse l’échangeur additionnel 38 où il est refroidi par un fluide tiers, par exemple de l’eau de mer. Le refroidissement via l’échangeur additionnel 38 permet par la suite une détente plus efficace par la turbine 15. Le fluide réfrigérant traverse ensuite la première passe 23 de l’échangeur de chaleur interne 18 puis est par la suite détendu par la turbine 15. La détente permet une diminution de la température du fluide réfrigérant qui circule à travers l’échangeur thermique 17 à basse température afin de refroidir le gaz à l’état liquide provenant de la cuve, tel que décrit précédemment.
En sortie de l’échangeur thermique 17, le fluide réfrigérant traverse ensuite une deuxième passe 24 de l’échangeur de chaleur interne 18. Il s’opère donc un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant circulant à une première pression au sein de la première passe 23 de l’échangeur de chaleur interne 18 et le fluide réfrigérant circulant à une deuxième pression inférieure à la première pression au sein de la deuxième passe 24 de l’échangeur de chaleur interne 18 afin de réguler la température de fluide réfrigérant circulant dans le circuit de refroidissement 4.
Au cours du fonctionnement du circuit de refroidissement, il est possible que le fluide réfrigérant circulant dans la boucle principale 22 soit présent en trop grande quantité ou en quantité trop faible, ce qui peut nuire au fonctionnement du circuit de refroidissement 3 et/ou à ses performances de refroidissement. La surveillance de la quantité de fluide réfrigérant dans la boucle principale 22 est assurée par un capteur de pression 27 disposé sur la boucle principale 22 et mesurant la pression du fluide réfrigérant en temps réel. La mesure de la pression est significative de la quantité de fluide réfrigérant présent dans la boucle principale 22, une pression trop élevée étant relative à un excès de fluide réfrigérant et une pression trop faible étant relative à une quantité trop faible de fluide réfrigérant.
Par ailleurs, afin d’ajuster la quantité de fluide réfrigérant circulant dans la boucle principale 22, le circuit de refroidissement 4 comprend une branche de régulation 25 connectée à la boucle principale 22. La branche de régulation 25 comprend une vanne 26 et s’étend jusqu’à un réservoir de fluide réfrigérant 28 et éventuellement à une sortie 29 vers l’atmosphère. En cas de quantité de fluide réfrigérant non conforme pour une performance optimale de refroidissement, la vanne 26 peut être ouverte pour entraîner une circulation de fluide réfrigérant dans la branche de régulation 25 afin d’augmenter ou de diminuer la quantité de fluide réfrigérant dans la boucle principale 22.
Si le fluide réfrigérant est présent en excès dans la boucle principale 22, la vanne 26 s’ouvre afin qu’une quantité donnée de fluide réfrigérant sorte de la boucle principale 22 et circule dans la branche de régulation 25 jusqu’au réservoir de fluide réfrigérant 28 ou à la sortie 29 vers l’atmosphère.
Si le fluide réfrigérant est présent en trop faible quantité dans la boucle principale 22, par exemple suite à un excès de fluide réfrigérant s’échappant par les jointures du dispositif de compression 10 ou du turbocompresseur 13, la vanne 26 s’ouvre afin qu’une quantité donnée de fluide réfrigérant provenant du réservoir de fluide réfrigérant 28 circule dans la branche de régulation 25 jusqu’à la boucle principale 22.
Dans les deux cas précédemment décrits, la vanne 26 se referme une fois que la quantité de fluide réfrigérant présent dans la boucle principale 22 a atteint une quantité optimale permettant de maximiser les performances du circuit de refroidissement 4.
L’ouverture et la fermeture de la vanne 26 peut dépendre d’un signal émis par le capteur de pression 27. Ce dernier peut ainsi être paramétré pour détecter si la pression mesurée du fluide réfrigérant dépasse un premier seuil de pression, significatif d’un excès de fluide réfrigérant dans la boucle principale 22, afin d’envoyer un signal assurant l’ouverture de la vanne 26 et la sortie de fluide réfrigérant.
Le capteur de pression 27 peut également détecter si la pression mesurée du fluide réfrigérant est inférieure à un deuxième seuil de pression, lui-même inférieur au premier seuil de pression. Dans cette configuration, cela signifie que le fluide réfrigérant n’est pas présent en quantité suffisante dans la boucle principale 22. Le capteur de pression 27 peut alors envoyer un signal assurant l’ouverture de la vanne 26 et l’entrée de fluide réfrigérant au sein de la boucle principal 22, en provenance du réservoir de fluide réfrigérant 28.
D’une manière préférentielle, la branche de régulation 25 est connectée à une même section que celle où la pression du fluide réfrigérant est mesurée par le capteur de pression 27. Sur la figure 1, le capteur de pression 27 et la branche de régulation 25 sont positionnés entre le dispositif de compression 10 et l’organe de compression 14 du turbocompresseur 13. Le circuit de refroidissement 4 selon l’invention permet ainsi d’ajuster la quantité de fluide réfrigérant circulant dans la boucle principale 22 de manière à opérer un refroidissement optimal du gaz contenu dans la cuve grâce à l’échange de chaleur se déroulant dans l’échangeur thermique 17.
La figure 2 représente le circuit de refroidissement 4 mais avec deux branches de régulation 25. Il s’agit de la seule différence structurelle avec le circuit de refroidissement 4 illustré en figure 1. On se reportera donc à la description de celle-ci concernant l’ensemble des éléments communs aux deux représentations du circuit de refroidissement 4 selon l’invention.
Le circuit de refroidissement 4 représenté en figure 2 comprend ainsi une première branche de régulation 71 et une deuxième branche de régulation 72. Chacune de ces branches de régulation 25 comprend sa propre vanne 26, à savoir une première vanne 73 positionnée sur la première branche de régulation 71 et une deuxième vanne 74 positionnée sur la deuxième branche de régulation 72. La deuxième branche de régulation 72 est agencée au niveau d’une section basse pression de la boucle principale 22, plus précisément entre la deuxième passe 24 de l’échangeur de chaleur interne 18 et le dispositif de compression 10. La première branche de régulation 71 est quant à elle positionnée sur la même section que la branche de régulation 25 illustrée en figure 1. Il est à noter que lorsque le circuit de refroidissement 4 ne comporte qu’une seule branche de régulation 25, celle-ci peut également être positionnée sur la section de la boucle principale 22 où est disposée la deuxième branche de régulation 72 illustrée en figure 2 et assurer à elle seule l’entrée et/ou la sortie de fluide réfrigérant au sein ou hors de la boucle principale 22. Le circuit de refroidissement 4 possède également deux capteurs de pression 27, dont un premier capteur de pression 75 mesurant la pression du fluide réfrigérant entre le dispositif de compression 10 et l’organe de compression 14 du turbocompresseur 13, et un deuxième capteur de pression 76 mesurant la pression du fluide réfrigérant entre la deuxième passe 24 de l’échangeur de chaleur interne 18 et le dispositif de compression 10. Le fait d’avoir deux capteurs de pression 27 permet de mieux contrôler la mesure de la pression du fluide réfrigérant au cours de temps et de vérifier si l’un des deux seuils de pression décrit précédemment sont franchis.
Sur la figure 2, la première branche de régulation 71 s’étend jusqu’à la sortie 29 vers l’atmosphère, tandis que la deuxième branche de régulation 72 s’étend jusqu’au réservoir de fluide réfrigérant 28. On comprend ainsi que la première branche de régulation 71 est dédiée à une éventuelle sortie de fluide réfrigérant hors de la boucle principale 22 alors que la deuxième branche de régulation 72 est dédiée à une éventuelle entrée de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale 22. Cette configuration est avantageuse en ce qu’il est plus aisé d’évacuer le fluide réfrigérant hors de la boucle principale 22 lorsque celui-ci est à haute pression. Il est également plus aisé de faire entrer du fluide réfrigérant au sein de la boucle principale 22 lorsque le fluide réfrigérant circulant au sein de cette dernière est à basse pression. L’ouverture et la fermeture des vannes 26 fonctionne de manière identique à ce qui a été décrit en figure 1 , en étant dépendantes de la pression du fluide réfrigérant mesurée par chacun des capteurs de pression 27.
La figure 3 représente un premier mode de réalisation d’un système d’alimentation et de refroidissement 1 comprenant le circuit de refroidissement 4 décrit précédemment. Le système d’alimentation et de refroidissement 1 peut être agencé au sein d’un ouvrage flottant apte à transporter et/ou à stocker du gaz sous forme liquide, par exemple au sein de la cuve 2. Ce gaz est par exemple du gaz naturel ou de l’éthane. Le gaz sous forme liquide est stocké dans la cuve 2 à très basse température. Pour des raisons diverses, par exemple de manière naturelle lors du transport, le gaz sous forme liquide peut partiellement s’évaporer au niveau du ciel 200 de la cuve 2. Le système d’alimentation et de refroidissement 1 comprend un circuit d’alimentation 3. Ce circuit d’alimentation 3 est configuré pour aspirer le gaz évaporé s’étant formé dans le ciel 200 de la cuve 2. Le gaz peut par la suite être utilisé en tant que carburant pour un premier appareil consommateur de gaz 5 et/ou un deuxième appareil consommateur de gaz 6. A titre d’exemple, le premier appareil consommateur de gaz 5 peut être un moteur permettant la propulsion de l’ouvrage flottant et le deuxième appareil consommateur de gaz 6 peut être un moteur auxiliaire responsable de l’alimentation électrique de l’ouvrage flottant.
Sur la figure 3, il est possible d’observer que le dispositif de compression 10 assurant la mise en circulation du fluide réfrigérant au sein du circuit de refroidissement 4 peut également être utilisé au sein du circuit d’alimentation 3 pour comprimer le gaz évaporé afin d’envoyer celui-ci aux appareils consommateur de gaz. Si ces derniers ne nécessitent pas un apport en énergie via le gaz, celui-ci peut être éliminé, par exemple via un bruleur 7. Le dispositif de compression 10 peut donc être utilisé pour l’un ou l’autre des circuits. Si le fluide réfrigérant est du diazote, celui-ci n’est pas compatible pour l’alimentation des appareils consommateurs de gaz. Afin d’éviter des détériorations de ceux-ci en faisant basculer le dispositif de compression 10 du circuit de refroidissement 4 au circuit d’alimentation 3, le circuit de refroidissement 4 peut être purgé afin d’évacuer totalement le diazote, par exemple grâce aux branches de régulation 25, et ce avant d’utiliser le dispositif de compression 10 pour alimenter les appareils consommateur de gaz.
Afin d’isoler le dispositif de compression 10 au sein du circuit d’alimentation 3 ou au sein du circuit de refroidissement 4, le système d’alimentation et de refroidissement 1 comprend un agencement de valves. Ainsi, une première valve 41 est disposée sur le circuit d’alimentation 3 en amont du dispositif de compression 10 et de la connexion au circuit de refroidissement 4, une deuxième valve 42 est disposée sur le circuit d’alimentation 3 en aval du dispositif de compression 10 et de la connexion au circuit de refroidissement 4, une troisième valve 43 est disposée sur le circuit de refroidissement 4 en aval du dispositif de compression 10 et de la connexion au circuit d’alimentation 3, et une quatrième valve 44 est disposée sur le circuit de refroidissement 4 en amont du dispositif de compression 10 et de la connexion au circuit d’alimentation 3.
Ainsi, lorsque la première valve 41 et la deuxième valve 42 sont en position ouverte et que la troisième valve 43 et la quatrième valve 44 sont en position fermée, le dispositif de compression 10 est intégré au circuit d’alimentation 3 dans le but de comprimer le gaz pour alimenter les appareils consommateur de gaz.
Lorsque la première valve 41 et la deuxième valve 42 sont en position fermée et que la troisième valve 43 et la quatrième valve 44 sont en position ouverte, le dispositif de compression 10 est intégré au circuit de refroidissement 4 dans le but de comprimer le fluide réfrigérant pour refroidir le gaz contenu dans la cuve 2.
Le système d’alimentation et de refroidissement 1 comprend également le circuit de gaz à l’état liquide 8 évoqué précédemment, au sein duquel circule du gaz à l’état liquide provenant de la cuve 2 et traversant l’échangeur thermique 17. Le circuit de gaz à l’état liquide 8 permet la condensation du gaz s’étant évaporé dans le ciel 200 de la cuve 2 et participe ainsi à la gestion de la pression de la cuve.
Le gaz à l’état liquide de la cuve 2 est aspiré au sein du circuit de gaz à l’état liquide 8 par le biais d’une pompe 19. Le gaz à l’état liquide circule ensuite jusqu’à traverser l’échangeur thermique 17. On comprend ainsi que l’échange de chaleur opéré au sein de l’échangeur thermique 17 est effectué entre le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de refroidissement 4 et le gaz à l’état liquide circulant dans le circuit de gaz à l’état liquide 8. Le gaz à l’état liquide sort ainsi refroidi de l’échangeur thermique 17.
Après avoir été refroidi, le gaz à l’état liquide peut retourner en partie inférieure de la cuve 2 via un orifice de sortie 21. Une telle opération participe à baisser la température moyenne de la cuve 2, ce qui entraîne une baisse de la pression de saturation de la cuve 2 et ainsi une baisse de la pression dans la cuve 2.
Le gaz à l’état liquide refroidi peut également être pulvérisé sous la forme de spray dans le ciel 200 de la cuve 2. Pour ce faire, le circuit de gaz à l’état liquide comprend un organe de pulvérisation 20 assurant la pulvérisation du gaz à l’état liquide. La pulverisation du gaz à l’état liquide permet de condenser le gaz s’étant évaporé dans le ciel 200 de la cuve 2. La condensation du gaz diminue ainsi la quantité de gaz évaporé, ce qui entraîne donc une baisse de la pression interne de la cuve 2. Afin d’autoriser ou non la circulation du gaz à l’état liquide, le circuit de gaz à l’état liquide 8 comprend une valve additionnelle 51.
Le circuit de refroidissement 4, plus particulièrement les branches de régulation 25 de celui-ci, est structurellement et fonctionnellement identique à ce qui a été décrit en figures 1 et 2. On se reportera donc à la description de ces figures pour le fonctionnement des branches de régulation 25.
La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation du système d’alimentation et de refroidissement 1. Ce deuxième mode de réalisation se distingue du premier mode de réalisation notamment en ce qu’il comprend un premier dispositif de compression 11 et un deuxième dispositif de compression 12. Le premier dispositif de compression 11 est installé au niveau du circuit d’alimentation 3 tandis que le deuxième dispositif de compression 12 est installé au sein du circuit de refroidissement 4. La fonction des deux dispositifs de compression n’est toutefois pas définie par leur emplacement, tel que cela sera décrit en détails par la suite.
La présence de deux dispositifs de compression permet par ailleurs de mettre en place une redondance au sein du système d’alimentation et de refroidissement 1. Ainsi, par exemple si l’un des dispositifs de compression tombe en panne, l’autre dispositif de compression peut toujours assurer sa fonction et maintenir le système d’alimentation et de refroidissement 1 opérationnel.
Le circuit d’alimentation 3 et le circuit de refroidissement 4 comprennent tous deux une pluralité de valves permettant l’accès à chacun des circuits à chacun des dispositifs de compression afin que ces derniers puissent tous deux répondre au besoin d’alimentation en gaz des appareils consommateurs de gaz ou au besoin d’alimentation en fluide réfrigérant du circuit de refroidissement. Ainsi, en plus des quatre valves déjà retrouvées dans le premier mode de réalisation, le deuxième mode de réalisation du système d’alimentation et de refroidissement 1 comprend une cinquième valve 45, une sixième valve 46, une septième valve 47, une huitième valve 48, une neuvième valve 49 et une dixième valve 50.
La cinquième valve 45 et la sixième valve 46 permettent la connexion du premier dispositif de compression 11 au circuit de refroidissement 4 ou bien la connexion du deuxième dispositif de compression 12 au circuit d’alimentation 3 en fonction de la configuration du système d’alimentation et de refroidissement 1.
La septième valve 47 et la huitième valve 48 sont installées de part et d’autre du premier dispositif de compression 11 et permettent d’isoler celui-ci lorsqu’elles sont en position fermées. La fermeture de ces valves est utile en cas de panne du premier dispositif de compression 11. La neuvième valve 49 et de la dixième valve 50 permettent quant à elles d’isoler le deuxième dispositif de compression 12 du reste du système d’alimentation et de refroidissement 1.
L’ensemble de valves permet ainsi de dédier un dispositif de compression à chacun des circuits, ou bien de dédier les deux dispositifs de compression au circuit d’alimentation 3 ou au circuit de refroidissement 4. Le fait de dédier un dispositif de compression à chacun des circuits permet de faire fonctionner simultanément le circuit d’alimentation 3 afin d’alimenter en gaz les appareils consommateur de gaz et le circuit de refroidissement 4 afin de refroidir le gaz contenu dans la cuve 2 grâce au fluide réfrigérant. Lorsque les deux dispositifs de compression sont dédiés à seulement l’un ou l’autre de ces circuits, seule l’une des fonctions suscitées est assurée.
Tout comme pour le premier mode de réalisation, dans l’hypothèse où le fluide réfrigérant est du diazote, et afin d’éviter des détériorations des appareils consommateur de gaz en faisant basculer le premier dispositif de compression 11 et/ou le deuxième dispositif de compression 12 du circuit de refroidissement 4 au circuit d’alimentation 3, le circuit de refroidissement 4 peut être purgé afin d’évacuer totalement le diazote, par exemple grâce aux branches de régulation 25, et ce avant d’utiliser le ou les dispositifs de compression pour alimenter les appareils consommateur de gaz.
Le deuxième mode de réalisation se distingue également du premier mode de réalisation en ce que la première branche de régulation 71 est reliée au réservoir de fluide réfrigérant 28 et en ce que la deuxième branche de régulation 72 est reliée à la sortie 29 vers l’atmosphère. Cette configuration peut être mise en oeuvre par exemple pour des raisons d’encombrement mécanique ou de contraintes de connexions de canalisations.
Le reste du système d’alimentation et de refroidissement 1 est structurellement et/ou fonctionnellement identique à ce qui a été décrit précédemment et on se reportera aux descriptions de la figure 3 concernant les détails structurels et fonctionnels du système d’alimentation et de refroidissement 1, et aux descriptions des figures 1 et 2 concernant les détails structurels et fonctionnels du circuit de refroidissement 4.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.
L’invention, telle qu’elle vient d’être décrite, atteint bien le but qu’elle s’était fixée, et permet de proposer un circuit de refroidissement apte à réguler une quantité de fluide réfrigérant circulant au sein dudit circuit de refroidissement afin d’optimiser les performances de refroidissement d’un gaz contenu dans une cuve d’un ouvrage flottant. Des variantes non décrites ici pourraient être mises en oeuvre sans sortir du contexte de l’invention, dès lors que, conformément à l’invention, elles comprennent un circuit de refroidissement conforme à l’invention.

Claims

REVENDICATIONS
1- Circuit de refroidissement (4) pour système d’alimentation et de refroidissement (1) d’un gaz d’un ouvrage flottant comprenant au moins une cuve (2) configurée pour contenir le gaz à l’état liquide, le circuit de refroidissement (4) étant parcouru par un fluide réfrigérant destiné à abaisser la température du gaz à l’état liquide contenu dans la cuve (2), le circuit de refroidissement (4) comprenant une boucle principale (22) comportant : au moins un dispositif de compression (10) assurant la compression du fluide réfrigérant, au moins un échangeur thermique (17) configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant et le gaz contenu dans la cuve (2), au moins un échangeur de chaleur interne (18) comprenant une première passe (23) où circule le fluide réfrigérant à une première pression et une deuxième passe (24) où circule le fluide réfrigérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, la première passe (23) étant disposée en aval du dispositif de compression (10) et en amont de l’échangeur thermique (17), la deuxième passe (24) étant disposée en aval de l’échangeur thermique (17) et en amont du dispositif de compression (10), au moins un turbocompresseur (13) pourvu d’un organe de compression (14) disposé entre le dispositif de compression (10) et la première passe (23) de l’échangeur de chaleur interne (18) et une turbine (15) disposée entre la première passe (23) de l’échangeur de chaleur interne (18) et l’échangeur thermique (17), l’organe de compression (14) et la turbine (15) étant liés en rotation par un arbre (16), caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (4) comprend une branche de régulation (25) connectée à la boucle principale (22), la branche de régulation (25) comprenant au moins une vanne (26) configurée pour contrôler une circulation de fluide réfrigérant au sein de la branche de régulation (25), la boucle principale (22) comprenant au moins un capteur de pression (27), la vanne (26) contrôlant une quantité de fluide réfrigérant présent dans la boucle principale (22) en fonction de la pression mesurée par le capteur de pression (27).
2- Circuit de refroidissement (4) selon la revendication 1, dans lequel la vanne (26) est configurée pour autoriser la sortie de fluide réfrigérant hors de la boucle principale (22) via la branche de régulation (25) lorsque la pression mesurée par le capteur de pression (27) est supérieure à un premier seuil de pression.
3- Circuit de refroidissement (4) selon la revendication précédente, dans lequel la vanne (26) est configurée pour autoriser l’entrée de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale (22) via la branche de régulation (25) lorsque la pression mesurée par le capteur de pression (27) est inférieure à un deuxième seuil de pression, le deuxième seuil de pression étant inférieur au premier seuil de pression.
4- Circuit de refroidissement (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la branche de régulation (25) est connectée à la boucle principale (22) en aval du dispositif de compression (10) et en amont de l’organe de compression (14) du turbocompresseur (13), le capteur de pression (27) étant configuré pour relever la pression au sein de la boucle principale (22) entre le dispositif de compression (10) et l’organe de compression (14) du turbocompresseur (13).
5- Circuit de refroidissement (4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la branche de régulation (25) est connectée à la boucle principale (22) en aval de la deuxième passe (24) de l’échangeur de chaleur interne (18) et en amont du dispositif de compression (10), le capteur de pression (27) étant configuré pour relever la pression au sein de la boucle principale (22) entre la deuxième passe (24) de l’échangeur de chaleur interne (18) et le dispositif de compression (10).
6- Circuit de refroidissement (4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la branche de régulation (25) est une première branche de régulation (71) connectée à la boucle principale (22) en aval du dispositif de compression (10) et en amont de l’organe de compression (14) du turbocompresseur (13), le circuit de refroidissement (4) comprenant une deuxième branche de régulation (72) connectée à la boucle principale (22) en aval de la deuxième passe (24) de l’échangeur de chaleur interne (18) et en amont du dispositif de compression (10), la boucle principale (22) comprenant deux capteurs de pression (27), dont un premier capteur de pression (75) configuré pour relever la pression au sein de la boucle principale (22) entre le dispositif de compression (10) et l’organe de compression (14) du turbocompresseur (13) et un deuxième capteur de pression (76) configuré pour relever la pression au sein de la boucle principale (22) entre la deuxième passe (24) de l’échangeur de chaleur interne (18) et le dispositif de compression (10).
7- Circuit de refroidissement (4) selon la revendication précédente, dans lequel la première branche de régulation (71) contrôle une sortie de fluide réfrigérant hors de la boucle principale (22) et la deuxième branche de régulation (72) contrôle une entrée du fluide réfrigérant au sein de la boucle principale (22).
8- Circuit de refroidissement (4) selon la revendication 6, dans lequel la première branche de régulation (71) contrôle une entrée de fluide réfrigérant au sein de la boucle principale (22) et la deuxième branche de régulation (72) contrôle une sortie du fluide réfrigérant hors de la boucle principale (22).
9- Circuit de refroidissement (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un échangeur additionnel (38), disposé entre l’organe de compression (14) du turbocompresseur (13) et la première passe (23) de l’échangeur de chaleur interne (18), l’échangeur additionnel (38) étant configuré pour refroidir le fluide réfrigérant.
10- Circuit de refroidissement (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fluide réfrigérant est du diazote.
11- Système d’alimentation et de refroidissement (1) de gaz d’un ouvrage flottant comprenant au moins une cuve (2) configurée pour contenir le gaz à l’état liquide, un circuit d’alimentation (3) destiné à être parcouru par du gaz provenant de la cuve et configuré pour alimenter en gaz au moins un appareil consommateur de gaz (5, 6) qui équipe l’ouvrage flottant, caractérisé en ce que le système d’alimentation et de refroidissement (1) comprend un circuit de refroidissement (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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