Brevet FR2300216A1 — publié le 19760903

L'invention concerne-un procédé d'évaporation et de réchauffage de gaz naturel liquéfié, suivant lequel l'énergie ther mique nécessaire à ces processus est prélevée an partie sur un premier fluide de chauffage, en particulier de l'eau de mer, et en partie sur un second fluide de chauffage qui circule en circuit ferme dans lequel il se condense par échange de chaleur avec le gaz naturel liquéfié, puis est évaporé, réchauffé et détendu dans. une turbine dans laquelle il produit un travail ;- l'invention se rapporte également à une installa- tion.pour- la mise en-oeuvre de ce procédé. On sait qu'il faut dépenser une certaine énergie pour liquéfier du gaz. On sait par ailleurs que legaz naturel est liquéfié au lieu d'extraction pour le transpqrt. Il faut ensuite faut passer ce gaz en phase vapeur au lieu d'utilisation pour l'envoyer aux appareillages utilisateurs. Ce gaz liquéfié est normalement évapore au lieu de destination- dans un échangeur par apport de chaleur, puis est porté approximativement à la température ambiante. Le fluide utilisé de chauffage est en général par exemple de l'eau de mer ou éventuellement de l'eau de rivière ou de l'air. Suivant un procédé connu, le gaz naturel subit l'évaporation et le réchauffage par échange de chaleur avec un premier fluide qui est en général de l'eau de mer, puis par échange avec un second fluide de- chauffage, par exemple du méthane ou du propane. Ce second fluide de chauffage circule en circuit fermé dans lequel il se condense par échange de chaleur avec le gaz naturel liquéfié; puis, après avoir été porté à la -pression nécessaire par une pompe, il est évaporé par échange de chaleur avec l'eau de mer et finalement détendu dans une turbine dans laquelle il fournit un travail Ce procédé a les inconvénients notables suivants. En premier lieu, la température de l'eau de mer n'est pas constante pendant toute l'année, de sorte qu'il n'est pas possible de garantir que le gaz naturel évaporé a toujours la température voulue, supérieure au point de congélation de l'eau, en particulier dans les régions nordiques. Un autre inconvénient lourd de conséquences est que l'énergie électrique nécessaire à la commande des pompes d'eau de mer et de la pompe de gaz naturel, ainsi que le reste de la consommation d'énergie électrique de l'installation, par exemple par la commande des compresseùrs de reliquéfaction, des dispositifs électriques de commande, des appareils de mesure électriques,des dispositifs de sécurité, etc., ne peuvent pas être apportés par la puissance fournie par la turbine du circuit du second fluide de chauffage. Le complément de l'énergie électrique nécessaire de cette installation thermique doit donc être fourni par le réseau de distribution d'électricité dont il dépend.On sait que le courant électrique de ce réseau est produit dans des centrales ayant un rendement relativement bas, par exemple d'environ 40 % lorsqu'il s'agit d'une centrale à vapeur. L'invention a pour objet un procédé et une installation thermique d'évaporation et de réchauffage de gaz naturel,qui est capable de couvrir ses propres besoins en énergie électrique, indépendamment du réseau général de distribution de courant, et dont le rendement est notablement meilleur que celui d'une centrale classique. Selon une particularité essentielle de l'invention, les sources de chaleur perdue d'un groupe à moteur diésel sont utilisées pour le réchauffage et l'évaporation du second fluide de chauffage. Selon une particularité essentielle de l'installa- tion selon l'invention destinée à la mise en oeuvre de ce procédé et comprenant un circuit du second fluide de chauffage comportant une turbine, une pompe et plusieurs échangeurs de chaleur dont au moins l'un est balayé par du gaz naturel liquéfié, au moins une source de chaleur perdue d'un groupe à moteur diésel est raccordée à au moins l'un des autres échangeurs de chaleur. La chaleur de l'eau réchauffée de refroidissement du moteur diésel peut en particulier être transférée selon l'invention au second fluide de chauffage. Par ailleurs, de la chaleur des gaz d'échappement du moteur diésel peut aussi être transférée au second fluide de clhauffage. Finalement, la chaleur de l'air comburant sortant du compresseur de suralimentation du moteur diésel peut aussi constituer une source utilisée pour le réchauffage du second agent correspondant. Le second agent de chauffage peut avantageusement être un hydrocarbure, par exemple de l'éthane,unmélange d'hydrocarbures ou un hydrocarbure halogéné et, dans ce dernier cas, il s'agit d'un hydrocarbure comprenant un radical CH3 et un halogène tel que le fluor, le brous ou le chlore. L'utilisation selon l'invention d'au moins l'une des sources de chaleur perdue d'un groupe à moteur diésel, en particulier de son eau de refroidissement qui en sort en général à environ 700C, pour le réchauffage du second agent correspondant permet d'améliorer notablement le rendement de la turbine du circuit de ce second agent et donc d'augmenter la puissance électrique qu'elle fournit. Par ailleurs, la température du gaz naturel peut entre maintenue constante à un niveau voulu supérieur à celui obtenu par transfert exclusif de chaleur d'un premier agent de chauffage, en particulier d'eau de mer, au second fluide, indépendamment des fluctuations de température de cette eau de mer selon les saisons. L'invention apporte l'avantage essentiel que le groupe à moteur diésel, qui fonctionne indépendamment du réseau de distribution d'électricité, et que ses sources de chaleur perdue utilisées pour l'évaporation et le réchauffage du gaz naturel permettent d'élever considérablement le rendement de l'installation thermique. Lorsque, par exemple, sur une consommation de 100 % de carburant par un moteur diésel, 39 %de l'énergie calorifique sont transformés en énergie électrique, les calculs ont montré qu'un complément de 35 % de la chaleur que contiennent l'eau de refroidissement et l'air comburant peuvent 8trie utilisés dans l'installation pour l'éva- poration et le réchauffage de l'eau de mer. Sur les 26 % restants de l'énergie thermique que les gaz d'échappement contiennent, il est possible d'en récupérer encore environ 13 % dans l'installation thermique, de sorte que seuls environ 13 % de l'énergie thermique restent inutilisés et sont perdus par évacuation des gaz d'échappement par la cheminée. I1 faut mentionner par ailleurs que par exemple la consommation de carburant d;un groupe à moteur diesel est bien infé rietre celle d'un groupe à turbine a gaz, et, de plus, qu'un moteur diésel peut utiliser un carburant "moins bon" et donc meilleur marché, le concept de "mauvais" signifiant qu'une forte viscosité,une forte teneur en soufre et une forte teneur en vanadium sont admissibles. Il faut mentionner finalement que l'énergie électrique du générateur du groupe à moteur diésel est utilisée au moins partiellement pour la commande des machines auxiliaires, en particulier des pompes du 4surcuit du gaz naturel et de celui du premier agent de chauffage, de sorte que la commande de ces machines auxiliaires est indépendante du réseau de distribution de courant.Les commandes de ces machines auxiliaires nécessitent des puissances électriques considérables, ces machines étant d'une part les pompes de gaz naturel, car en général celui-ci est porté à une pression de l'ordre de 70 bars afin de permettre d'optimiser la réalisation du réseau de distribution de gaz naturel, et d'autre part les pompes du premier fluide de chauffage, la grande quantité d'énergie consommée par ces dernières étant due aux débits considérables et à la pression statique nécessaire de refoulement de l'eau de mer. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est un schéma d'une installation thermique selon l'invention. La partie de l'installation balayée par le gaz naturel comprend dans le cas particulier un conduit 1 par lequel ce gaz liquéfié provenant d'un réservoir non représenté est porté à la pression voulue par une pompe 2 commandée par un moteur électrique 2a, puis est refoulé dans des échangeurs de chaleur 3 et 4. Des conduits 4a et 4b dirigent dans l'échangeur 4 le premier fluide de chauffage qui est sn particulier de l'eau de mer, une pompe 5 commandée par un moteur électrique 5a étant montée sur le conduit 4a. Le circuit du second fluide de chauffage, par exemple d'éthane , est raccordé sur l'échangeur de chaleur 3. Ce circuit comprend une pompe 7 commandée par un moteur électrique 7a, des échangeurs de chaleur 8, 10 et 11 ainsi qu'une turbine 12 qui commande un générateur 12a. Le groupe à moteur diésel comprend le moteur diésel lui-mtme 13 qui commande ur générateur 13a. Il comprend par ailleurs un refroidisseur 14 à chemise d'eau auquel sont raccordés les conduits d'un circuit 15 d'eau de refroidissement ; ce groupe comprend de plus un conduit 16 d'arrivée d'air comburant qui se subdivise en conduits de raccordement 16a à 16d, un compresseur 17 de suralimentation, un échangeur de chaleur 18 qui est balayé par l'eau réchauffée de refroidissement et finalement un conduit 19 raccordé aux cylindres du moteur diésel par des conduits de branchement 19a - 19d et destiné à l'évacuation des gaz d'échappement, une turbine 20 de détente qui est montée sur le circuit des gaz d'échappement commandant le compresseur 17 de sur alimentation et un échangeur 21 - de chaleur balayé par un fluide de transfert, par exemple de 11 eau, étant monté sur le circuit de ces gaz à la sortie de cette turbine. Le fluide de transfert de chaleur circule en circuit fermé et balaye les échangeurs 21 et 1 1 g une pompe 22 commandée par un moteur électrique 22a faisant circuler ce fluide. Ce circuit peut éventuellement être supprimé et alors les gaz d'échappement subissent directement 1 échange de chaleur avec le second fluide de chauffage dans l'échangeur 11. L'échangeur 10 et une pompe 23 commandée par un moteur électrique 23a sont montés sur le circuit 15 raccordé au refroidisseur 14 à eau du moteur diésel 13. Le iode de réalisation représenté comprend un échangeur de chaleur 18 balayé par l'eau de refroidissement refroidie dans l'échangeur 10. Le mode de fonctionnement de l'installation est le suivant. Le gaz naturel liquéfié, prélevé sur un réservoir non représenté et porté à pression élevée par une pompe 2 est évaporé dans l'échangeur 3 par apport de chaleur par le second fluide qui se condense. Le gaz naturel évaporé continue d'*tre réchauffé dans ltéchan- geur 4 par le premier fluide et il est dirigé ensuite par le conduit 1 dans un réseau de distribution non représenté. Le second agent de chauffage condensé dans 1' échar- geur de chaleur 3 est réchauffé dans l'échangeur de chaleur 8 par apport de chaleur par le premier fluide, en particulier de l'eau de mer, qu'une pompe 9 commandée par un moteur électrique 9a dirige par le conduit 8a dans cet échangeur 8 dont il est évacué par un conduit 8b. Le second fluide de chauffage est évaporé dans l'échangeur 10 et surchauffé dans l'échangeur 11 par l'eau de refroidissement réchauffée dans le refroidisseur 14 et par échange de chaleur avec le fluide caloporteur intermediaire ayant été réchauffé par les gaz chauds d'échappement dans l'échangeur 21. Ensuite, le second fluide de chauffage est détendu dans la turbine 12 et retourne de là dans 1'8changeur 3. L'échangeur de chaleur 8 peut éventuellement être supprimé et alors le second fluide de chauffage est réchauffé, évaporé et surchauffé dans les échangeurs 10 et 11. Comme mentionné précédemment,les sources de chaleur perdue du groupe à moteur diésel utilisées dans cet exemple de réalisation pour réchauffer et évaporer le second fluide de chauffage sont l'enthalpie de l'eau de refroidissement, de l'air comburant et des gaz d'échappement. L'installation est calculée de manière que la puissance électrique fournie par le générateur commandé par le moteur diésel et par le générateur commandé par la turbine du circuit de second fluide de chauffage suffise à couvrir les besoins en énergie de commande des pompes de l'installation et en énergie électrique nécessaire aux appareillages non représentés que comprend l'installation, par exemple les commandes électriques, les commandes de compresseurs de reliquéfaction, etc. Les valeurs numériques calculées de quelques grandeurs déterminantes pour le rendement de l'installation et de son procédé d'exploitation sont indiquées sur e dessin et permettent de constater que ce rendement est de l'ordre de 85 %. Les bases adoptées de calcul sont que l'énergie électrique consommée par l'installation elle-même consiste en celle consommée par les pompes de gaz naturel et de l'eau de mer et en celle des autres appareillages que comporte l'installation, par exemple des appareils électriques-de commande et de sécurité et analogues, cette énergie électrique devant toujours être fournie à l'installation indé- pendamment de l'énergie électrique de commande des pompes des circuits de l'éthane et de l'eau. Donc, l'énergie de commande de ces dernières pompes est soustraite du bilan de l'énergie électrique produite. Calcul du rendement de l'installation thermique représentée d'après les grandeurs indiquées sur le dessin. Consommation proPre en énergie électrique Energie de commande de la pompe de gaz naturel : 2500 kw Energie de commande des pompes d'eau de mer : 3600 kw Autres appareillages électriques : 900 kw 7000 kw EnerRie électrique produite dans l'installation : Puissance fournie par le générateur commandé par le moteur diésel : 3215 kw Générateur commandé par la turbine du circuit d'éthane : 4000 kw 7215 kw Energie de commande des pompes d'éthane et d'eau chaude : -215 kw 7000 kw Le carburant consommé par un moteur diésel dont le rendement est de 39 % correspond à une énergie thermique de : 8240 kw rendement = 8240 = 8240 - 0,85 Il va de soi que l'installation décrite et représentée peut subir diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVF.NDIChTIONS 1. Procédé d'évaporation et de réchauffage de gaz naturel liquéfié, suivant lequel l'énergie thermique nécessaire à ces processus est prélevée en partie sur un premier fluide de réchauffage, en particulier de l'eau de mer, et en partie sur un second fluide de réchauffage qui circule en circuit fermé dans lequel il se condense par échange de chaleur avec le gaz naturel liquéfié, puis est évaporé, réchauffé et détendu dans une turbine dans laquelle il fournit un travail, ledit procédé étant caractérisé en ce que les sources de chaleur perdue d'un groupe à moteur diésel sont utilisées pour le réchauffage et l'évaporation du second fluide de réchauffage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chaleur de l'eau réchauffée de refroidissement du moteur diésel est transférée au second fluide de réchauffage. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'en outre la chaleur des gaz d'échappement du moteur diésel est transférée au second fluide de réchauffage. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chaleur des gaz d'échappement est transférée au second fluide de réchauffage au moyen d'un circuit intermédiaire d'eau. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chaleur de l'air comburant du moteur diésel est transférée au second fluide de réchauffage. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second fluide de réchauffage consiste en un hydrocarbure, de préférence en éthane , ou en mélange d'hydrocarbures ou encore en un hydrocarbure halogéné. 7. Installation destinée à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 at comprenant un circuit du second fluide de réchauffage sur lequel sont montés une turbine, une pompe et plusieurs échangeurs de chaleur dont au moins l'un est balayé par le gaz naturel liquéfié, ladite installation étant caractérisée en ce qu'au moins une source de chaleur perdue du groupe à moteur diésel est raccordée au moins l'un des autres échangeurs de chaleur. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'au moins un échangeur de chaleur est monté sur le circuit de l'eau de refroidissement du moteur diésel. 9. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'au moins un échangeur de chaleur est monté sur le circuit de l'air comburant du moteur diésel. 10. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'au moins un échangeur de chaleur est monté sur le circuit des gaz d'échappement du moteur diésel. 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée par un circuit balayé par un agent de transfert de la chaleur des gaz d'échappement au second fluide de réchauffage, ce circuit comprenant, en plus d'une pompe de refoulement, un échangeur de transfert de la chaleur des gaz d'échappement audit agent et un échangeur de transfert de la chaleur de cet agent au second fluide de réchauffage. 12. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'énergie électrique fournie par le générateur commandé par le groupe à moteur diésel est utilisée au moins en partie pour la commande de machines auxiliaires, en particulier des pompes situées sur le circuit du gaz naturel et sur celui du premier fluide de réchauffage.