Brevet FR2479130A1 — publié le 19811002

La présente invention concerne les navires transpor- teurs de gaz naturel liquéfié et, plus particulièrement, l'ensemble moteur de tels navires, basé sur la combustion d'huile lourde et de gaz évaporé à partir de la cargaison. Lors du transport du gaz naturel liquéfié par un navire, par exemple un navire de transport de gaz naturel liquéfié basé sur le principe -connu de Moss-Rosenberg et comportant des citernes sphériques isolées, autoporteuses, - l'évaporation du gaz naturel représente une perte'coûteuse, même si elle ne représente pas plus qu'un faible pourcentage de la cargaison totale. Le gaz qui s'évapore'(gaz d'évapora- tion), peut en principe subir les traitements suivants - mise à l'atmosphère - destruction par combustion (à l'atmosphère) - utilisation par combustion dans l'ensemble moteur, - condensation totale (avec "perte nulle") - condensation partielle combinée avec une combustion partielle et utilisation dans l'ensemble moteur. Parmi ces possibilités, la combustion dans l'ensemble moteur est la plus simple et la plus économique et l'on connaît divers modes différents d'utilisation du gaz d'éva- poration dans l'ensemble moteur. (moteurs diesel,à-combustible mixte, installations de turbines à vapeur et de turbines à gaz à combustible mixte). La teneur en énergie du gaz d'évaporation en tant que combustible représente la moitié ou moins de l'énergie nécessaire à la propulsiond'un gros navire transporteur de gaz naturel liquéfié (environ 130 000 m3) à une vitesse de 18-19 noeuds. Par conséquent, les solutions adoptées jusqu'à présent reposent sur l'utilisation de deux combustibles, c'est-àdire qu'on peut utiliser des moteurs diesel conçus pour fonctionner à l'huile lourde et au gaz d'évaporation, ou des installations de turbine utilisant conjointement les deux types de combustible. Un moteur diesel à combustible mixte peut fonctionner avec le même rendement qu'un moteur diesel ordinaire, mais moyennant un supplément de matériel. Si le moteur à combus- tible mixte est directement accouplé à l'arbre d' hélice, il 2 2479130 ne peut servir à consommer le gaz d'évaporation quand le navire est au port, ni en cas de panne du moteur. Un moteur à combustible mixte exige donc, par exemple, un dispositif de combustion torchère)' en tant que matériel auxiliaire s'ajoutant à celui exigé par le moteur même. La combustion du gaz d'évaporation dans la chambre de combustion d'une 'turbine à gaz est un processus simple ' qui ne soulève pas de difficultés. Le gaz naturel constitue un combustible idéal pour turbines à gaz. Un groupe électro- l0 gène à turbine à gaz est simple et fiable.. Toutefois, quand le navire est au port, on ne peut pas brûler le-gaz d'évapo- ration dans la turbine à gaz sans matériel auxiliaire. Si donc on souhaite néanmoins se débarrasser de ce gaz par la voie de la turbine à gaz, l'énergie électrique qui n'est pas consommée par le réseau du bateau, par le matériel auxiliaire et par une installation éventuelle de condensation du gaz doit être éliminée dans un frein hydraulique. L'élimination du gaz par combustion dans une torchère montée en parallèle avec la turbine à gaz apporte à ce problème une solution simple. L'utilisation d'une installation de turbine à vapeur offre l'avantage que la chaudière peut servir en permanence à brûler le gaz d'évaporation. Par contre, un inconvénient réside dans la nécessité de maintenir la chaudière en marche même quand le bateau est au port, parce qu'un condenseur séparé est nécessaire.Un autre inconvénient réside en ce que la consommation de combustible spécifique est relativement élevée. On peut aussi adopter une installation de turbines à gaz et à vapeur combinées, brûlant de l'huile et du gaz d'évaporation. Dans une telle installation de turbines combinées, les turbines à vapeur sont mues par de la vapeur émanant d'une chaudière d'échappement reliée à la turbine à gaz. Quand le bateau est au port, on peut par exemple verrouiller le rotor de la turbine à gaz et laisser les prôduits de combustion s'échapper à l'atmosphère et/ou dans la chaudière d'échappement. Cette possibilité existe aussi 3 2479130 en cas, par exemple, de panne de la turbine à gaz, en ce sens qu'on peut alors verrouiller le rotor et laisser les gaz chauds passer dans la chaudièrede façon à obtenir une pleine production de vapeur pour la turbine à vapeur. Certains problèmes découlent de l'utilisation d'huiles lourdes de qualité médiocre dans les turbines à gaz et comme on l'a dit,: un moteur diesel à combustible mixte pose aussi certaines limitations. L'idéal serait de pouvoir brûler de l'huile lourde de qualité médiocre et de réduire la quantité d'huile lourde nécessaire (à acheter) et simultanément, il serait souhaitable, comme mentionné plus haut, de pouvoir utiliser le gaz d'évaporation dans toutes les conditions (notamment en mer sous chargement et sur lest, ainsi qu'au port) sans avoir à recourir à une installation de recondensation, onéreuse, consommant de l'énergie et dont l'emploi ne se justifie donc pas dans le cas o la valeur de l'huile lourde et celle-du gaz naturel liquéfié ne diffèrent guère. La présente invention a pour objet de proposer un ensemble moteur pour navires transpor- teurs de gaz naturel liquéfié de nature à satisfaire aux desiderata indiqués plus haut. Selon la présente invention, l'ensemble moteur est composé d'un ou plusieurs moteurs diesel brûlant de l'huile lourde et d'un groupe électrogène à turbines à gaz et à vapeur combinées (désigné ci-après par groupe GV) brûlant le gaz d'évaporation. Autrement dit, l'invention combine des moteurs diesel et un groupe GV, l'énergie débitée par ce dernier étant transférée électriquement de manière connue. Pris isolément, tant le groupe GV que le moteur diesel constituent des machines génératrices d'énergie dotées de rendements optimaux. Les avantages obtenus avec la présente invention sont: On réalise une économie -d'huile lourde (environ 20 tonnes par 24 heures pour un navire transporteur de gaz naturel liquéfié de 130 000 m3) par rapport à la consommation des machines les plus utilisées de nos jours, à savoir les turbines à vapeur (considérées comme à la pointe du progrès quant à l'économie sur la consommation de fuel). S'il s'agit de nouveaux 4 2 4 2479130 bateaux, on peut encore accuser l'avantage par établissement d'une relation optimale entre la forme de la coque et le mode de propulsion. On peut, dans toutes les conditions, brler- le gaz d'évaporation dans le groupe GV, dont on majore dms mune certaine mesure la capacité nominale pour qu'il Pilisse absorber le produit d'une évaporation forcée, oprie par exemple en vue de refroidir les citernes. Au port,, le rDOtDr actif de la turbine à gaz est verrouillé et l'éneriïe engendrée par chauffage du gaz d'évaporation est envoyée à a cheminée,, facultativement par l'intermédiaire de la chamdire vapeur. On se débarrasse de l'excès de vapeur engendré. Les turbines à gaz sont particulièrement indiquées pour brûler àu gaz d'évaporation présentant, comme c'est assez soDum tt le cas, une forte teneur en azote. Le groupe GV, en principe, ne brûle que au gaz,, ce qui supprime les problèmes posés par des combustibles liulides de qualité variable. La facilité de transport éde l'électricité permet de conférer au groupe GV tout emplacement souhaites. Il est avantageux de le placer au voisinage de la cheminée, ce qui atténue ou supprime les problèmes posés par l'envoi du gaz dans la salle des machines. On peut réaliser le moteur diesel en vue d'un rendement optimum sans avoir recours aux comprcmis qui s'imposent dans le cas d'un moteur à combustible mixte (huile-gaz). Les gaz d'échappement du moteur diesel peuvent contenir assez d'énergie pour entraîner une génératrice satisfaisant aux besoins normaux du navire en ter. Au port, et ailleurs selon les besoins, on peut prélever toute la vapeur ou l'appoint de vapeur nécessaire sur le,groupe GV._ Ce nouvel agencement se prête à merveille à la régulation automatique du bilan énergétique entre le groupe GV et le diesel, en fonction de la quantité de gaz d'évaporation disponible etila puissance totale à débiter. Des unités à consommation d'énergie forte, mais sporadique, telles que l'hélice latérale et des compresseurs puissants (pour le retour de gaz en régime de chargement! 2479130 refroidissement) peuvent être entraînées électriquement à partir du réseau même qui transmet l'énergie du groupe GV à l'arbre d'hélice. Si le groupe GV n'est pas en marche, l'énergie est prélevée sur l'électromoteur qui peut, sans modification, fonctionner en génératrice. Cette possibilité est offerte par l'utilisation d'hélices à pas variable qui, en outre, permettent d'obtenir une propulsion optimale pour une puissance variable et représentent donc la solution la plus avantageuse. En variante, un accouplement peut être réalisé entre l'hélice et cet électromoteur/génératrice. Lorsqu'une puissance de propulsion maximale est nécessaire, les unités à consommation sporadique précitées ne prélèvent pas d'énergie, ce qui évite d'avoir à installer des machines productrices d'énergie auxiliaires pour couvrir une telle forte consommation. Il va sans dire qu'il est aussi possible d'entraîner les compresseurs de gaz, par exemple, avec de la vapeur provenant du groupe GV. Le réseau de transmission desservant l'arbre d'hélice GV est de préférence prévu pour une tension nominale, par exemple, de 6 WV, ce qui réduit au minimum la section du câble. En utilisant une hélice à pas variable,on peut maintenir la fréquence constante; toutefois, on peut éventuel- lement assurer la régulation de la vitesse de rotation par variation de la fréquence, ce qui est admissible du fait qu'il s'agit d'un réseau limité. - En cas de fonctionnement défectueux du moteur diesel, ou si l'on souhaite faire fonctionner le navire au seul gaz d'évaporation, on peut désaccoupler le moteur diesel. On peut prévoir d'autres sources de propulsion de réserve en fournissant à la chaudière à vapeur du groupe GV un supplément de combustible. De cette manière, on dispose d'une énergie de dépannage suffisante en cas de pannes simultanées de la turbine à gaz et du moteur diesel. On peut encore équiper la turbine à gaz en vue de la combustion de distillat (combustible pour moteur diesel), dont on dispose à bord pour le moteur diesel etc...Ainsi, il est aussi possible d'augmenter la 6 2479130 vitesse de croisière en l'absence de gaz à bord. Il semble qu'il conviendrait de choisir la puissance du moteur diesel de façon que celui-ci offre, conjointement avec le groupe GV, assez de puissance (compte tenu des réserves normales prévues par construction) pour assurer la vitesse de croisière choisie.' Au cas o les citernes ne contiennent pas de gaz et o l'on ne dispose donc pas de gaz d'évaporation à utiliser, on se contente'd'une vitesse de croisière un peu plus faible. Il va de soi que rien n'empêche de choisir un moteur diesel plus important, mais il faudrait alors faire fonctionner celui-ci à puissance réduite (et avec un rendement moindre) en période de combus- tion du gaz d'évaporation. Il est possible dans ce cas de prévoir deux moteurs diesel en prise avec un arbre d'hélice commun, de même que l'électromoteur. Ces deux moteurs peuvent être de modèle à marche rapide et par conséquent moins onéreux. Pendant le fonctionnement avec du gaz d'évaporation, l'un des moteurs diesel peut être désaccouplé, ce qui signifie que celui qui fonctionne atteint ou sensiblement son allure optimale quant à la consommation d'huile lourde. Une autre solution possible est de prévoir deux hélices et de répartir entre elles la puissance débitée par l'ensemble moteur (moteur dieselélectromoteur). Cette solution est possible dans les deux cas précités, c'est-à-dire pour des moteurs diesel de puissance soit forte, soit modérée. L'invention est illustrée, à titre d'exemple non limitatif, aux dessins annexés sur lesquels: - Fig. 1 est un schéma synoptique d'un ensemble comportant un moteur diesel et une installation de turbines à gaz et à vapeur combinées; et - Fig.- 2 est un schéma synoptique d'un ensemble moteur correspondant comportant deux moteurs diesel. Sur les dessins annexés, les symboles de référence désignent des éléments identiques de l'ensemble moteur. L'hélice 16 est du type à pas variable.Un électro- moteur 15 à commande directe entraîne directement l'hélice 16 (fig. 1). Entre l'électromoteur 15 et un moteur diesel 11 2 2479130 est interposé un accouplement 18 qui devient inactif quand le moteur diesel ne fonctionne pas. Le moteur diesel 11 fonctionne à l'huile lourde (huile résiduelle). L'électro- moteur 15 reçoit de l'énergie à partir d'une installation de turbines à gaz et à vapeur combinées (groupe GV) alimentée en gaz d'évaporation et qui est, de préférence,_ placée tout en haut dans la salle des machines. La turbinesà gaz est désignée par 1 et la génératrice associée par 2. La turbine à gaz 1 est reliée à une chaudière d'échappement 3 qui envoie de la vapeur à une turbine à vapeur 4, dont la génératrice est désignée par 5. L'énergie récupérable présente dans les gaz d'échap- pement du moteur diesel peut dans ce cas être utilisée dans une génératrice mue par turbine,' alimentant le réseau électrique normal du navire.' Les gaz d'échappement du moteur diesel passent dans une chaudière d'échappement 12 qui envoie de la vapeur à une turbine à vapeur 6, dont la génératrice 7 fournit de l'énergie électrique au réseau normal du navire. Il va de soi que'la turbine à vapeur 6 peut aussi être - entraînée à partir de la chaudière d'échappement 3 et, comme le montre le schéma synoptique, la turbine à vapeur 4 est aussi reliée au même réseau de vapeur. On voit en 8 un condenseur, en 9 un détendeur à injection d'eau et en 10 un préchauffeur. Une hélice transversale est indiquée en 14 et un compresseur de gaz en 13. Ces unités à consommation spora- dique sont, comme représenté sur les schémas, mues électri- quement par le même réseau qui transmet à l'arbre d'hélice l'énergie débitée par le groupe C-V. Pour le schéma synoptique de la figure 2, la structure de principe est la même que pour la figure 1, la seule différence étant qu'il est prévu deux moteurs diesel 11, ainsi que des chaudières d'échappement associées 12, et que ces moteurs diesel entraînent l'hélice à pas variable 16 par l'intermédiaire d'une boite de vitesses 17. L'électromoteur 15, alimenté en énergie électrique à partir des génératrices 2 et 5, est relié à la boite de vitesse517. Contrairement au cas de la figure 1, o il est 8 2479130 nécessaire d'utiliser un moteur diesel à course longue et à vitesse faible, les deux moteurs diesel prévus dans le cas de la figure 2 sont des moteurs à grande vitesse et donc moins onéreux. L'un de ces moteurs diesel peut être désaccou- plé quand l'ensemble moteur est entrainé au gaz d'évaporation (à partir du groupe GV), et-l'autre moteur diesel qui demeure en marche fonctionne alors, ou sensiblement, à son allure optimale pour ce'qui est de la consommation spécifique d'huile lourde. L'invention offre ainsi un ensemble moteur doté de souplesse d'adaptation, dans lequel une partie de l'ensemble moteur est destinée à. consommer seulement du gaz d'évapora- tion provenant de la cargaison, tandis que la seconde partie (le moteur diesel) consomme seulement de l'huile lourde. On obtient ainsi les avantages souhaitables mentionnés plus haut. 9 2479130 REVENDICATIONS 1. Ensemble moteur pour navires transporteurs de gaz naturel liquéfié, à combustion d'huile et de gaz d'éva- poration provenant de la cargaison, caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs moteurs diesel (11) qui consomment de l'huile lourde et une installation de turbines à vapeur et à gaz combinées ou groupe GV (1,2,3, 4,5) qui consomme du gaz d'évaporation. 2. Ensemble moteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le groupe GV comporte un électromoteur (15) qui est un moteur à entraînement direct. 3. Ensemble moteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de propulsion est une hélice à pas variable (16). 4. Ensemble moteur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une chaudière d'échappement (12) destinée à utiliser les gaz d'échappement du moteur diesel (11) pour produire de la vapeur pour une turbine à vapeur (6). 5. Ensemble moteur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble turbine à vapeur-génératrice (6, 7) qui fournit de l'énergie au réseau électrique normal du navire. 6. Ensemble moteur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que des unités à forte consommation sporadique d'énergie,telles que des hélices latérales (14) et des compresseurs de gaz de cargaison (13), sont reliéesélectriquement au réseau électrique entre le groupe GV et le moyen propulseur (arbre d'hélice). 7. Ensemble moteur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que la chaudière d'échappement (chaudière à vapeur 3) du groupe GV comporte du matériel de combustion d'appoint destiné à fournir de l'énergie de dépannage en cas de panne conjointe de la turbine à gaz (1) et du moteur diesel (11).