Brevet FR2503335A1 — publié le 19821008

La présente invention concerne une installation pour utiliser la chaleur perdue de faible potentiel d'une station de compression pour pipelines de gaz dans un appareil de consommation de chaleur placé en dehors du circuit de compression, o on utilise un compresseur entraîné par un moteur à gaz ou une turbine à gaz et qui est disposée entre un pipeline de gaz haute pression et un pipeline de gaz basse pression. Du gaz naturel et d'autres gaz sont canalisés depuis les lieux ou endroits de production jusqu'aux consommateurs par l'intermédiaire de pipelines ayant un grand diamètre et soumis à une haute pression. Dans le pipeline, des stations de compressions sont disposées à une distance de 100 à 200 km. l'une de l'autre en vue de maintenir la haute pression du gaz,et par conséquent la vitesse de transport. Dans ces stations, la baisse de pression du gaz résultant des pertes par frottement est compensée à l'aide de compresseurs à pistons ou de turbocompresseurs. Il en résulte qu'il est possible de canaliser les gaz dans le pipeline avec un volume spécifique relativement faible. Les compresseurs de la station sont habituellement entraînés par des moteurs à gaz ou des turbines à gaz fonctionnant avec du gaz prélevé à partir du pipeline. On a construit récemment des pipelines de transport de gaz ayant une grande longueur de plusieurs milliers de kilomètres. Il faut alors prévoir une série de stations de compression qui consomment une quantité assez considérable d'énergie. Le gaz perdu de cette manière correspond à un pourcentage relativement grand du volume de gaz transporté dans le pipeline. Pour améliorer le rendement de transport de gaz, on a mis au point des systèmes dans lesquels les gaz d'échappement à haute température sortant des turbines eitranant les compresseurs de la station sont utilisés pour produire de la vapeur dans des chaudières exploitant cette chaleur. On utilise la vapeur produite pour actionner les turbines à vapeur qui assurent à leur tour l'entraînement de compresseurs. Dans de tels agencements, la quantité de gaz utilisée dans les stations de compression peut être diminuée de 20 à 30 %. Le rendement thermodynamique des stations de compression peut encore être amélioré lorsque non seulement les gaz d'échappement sortant des turbines mais la chaleur créée dans le gaz en cours de compression sont utilisés. On sait d'une façon générale que, au cours de la compression, la température du gaz augmente. Cependant plus la tempéra- ture dans le pipeline est élevée, plus le volume du gaz est grand et plus les pertes de transport sont élevées. En conséquence, il est recommandé de refroidir le gaz après compression jusqu'à sa température initiale. Dans ce but, on utilise des échangeurs de chaleur air-gaz. Ces échangeurs de chaleur, les tuyaux et canali- sations correspondants sont très sophistiqués et coûteux à cause de la haute pression du gaz à refroidir. Pour réduire le coût de tuyauterie, on dispose habituellement les refroidisseurs de gaz à proximité du compresseur mais cela nécessite alors d'utiliser des refroidisseurs actionnés par air faisant intervenir un tirage forcé en utilisant des ventilateurs ou des appareils semblables. La quantité d'énergie thermique extraite du gaz sortant du compresseur est égale à l'énergie consommée par le compresseur. Dans les systèmes utilisés par le passé, on ne peut exploiter qu'un petit pourcentage de cette énergie thermique. On a notamment augmenté le rendement du cycle de compression en préchauffant l'eau alimentaire de la turbine à vapeur dans des stations de compression utilisant une telle turbine. L'invention a pour but principal de remédier aux inconvénients précités des systèmes connus et d'améliorer le rendement thermodynamique des stations de compression prévues dans des pipelines de gaz. Dans ce but, on doit créer une installation à l'aide de laquelle non seulement le gaz à transporter puisse être refroidi mais o l'énergie thermique extraite puisse être exploitée, par exemple dans un appareil de consommation de chaleur placé à l'extérieur du circuit de compresseur. Une telle installation se distingue des systèmes connus décrits ci-dessus, conformé- ment à la présente invention, en ce qu'un échangeur de chaleur surfacique refroidi avec du liquide, de préférence avec de l'eau, est prévu pour refroidir le gaz à sa sortie du compresseur o le gaz a été échauffé en cours de compression. Cet échangeur de chaleur est relié à l'appareil de consommation de chaleur qui est placé à l'extérieur de la station de compression, c'est-à-dire du circuit de compression, par l'intermédiaire d'un conduit de liquide dans lequel il est prévu une pompe de circulation indépen- dante. Cependant ce système doit satisfaire à deux impératifs. Le gaz à canaliser dans le pipeline doit toujours être refroidi après compression, même si l'appareil de consommation de chaleur n'a pas besoin d'énergie thermique. D'autre part, il est très souhaitable de pouvoir fournir de la chaleur à l'appareil de consommation de chaleur même si la quantité de chaleur fournie par le gaz sortant du compresseur n'est pas suffisante ou bien si le compresseur ne fonctionne pas. En ce qui concerne le premier problème, une tour de refroidissement fonctionnant avec de l'air en circuit fermé peut être reliée au conduit de liquide de l'échangeur de chaleur et, dans la tour de refroidissement on peut prévoir des registres à volets du type-ouies pour commander le tirage de l'air dans la tour de refroidissement. En considérant le second impératif, on peut prévoir un second échangeur de chaleur, chauffé par les gaz d'échappement sortant du moteur à gaz ou de la turbine à gaz, en série avec-l'échangeur de chaleur principal. En outre, on peut prévoir une chaudière chauffée par le gaz provenant du pipeline, le circuit de liquide de cette chaudière pouvant être relié en série avec l'échangeur de chaleur principal. Dans un autre mode de réalisation, la chaudière peut être une chaudière à vapeur utilisant de la vapeur fournie par les gaz d'échappement du moteur ou de la turbine à gaz et/ou chauffée avec du gaz prélevé dans le pipeline. A l'aide de la vapeur produite, on peut chauffer un troisième échangeur de chaleur branché dans le circuit de liquide de l'échangeur de chaleur principal, en série avec celui-ci. En outre, la vapeur produite dans la chaudière peut être utilisée dans une turbine à vapeur pour entraîner un second compresseur de gaz qui est branché en parallèle au compresseur principal. Pour la condensation de la vapeur sortant de la turbine, on peut prévoir un condenseur et une seconde tour de refroidissement fonctionnant avec de l'air en circuit fermé. Les refroidisseurs de cette seconde tour de refroi- dissement peuvent être montés dans la tour de refroidisse- ment principale et par conséquent il pourrait être suffisant de faire intervenir une seule tour de refridissement. Cela correspond à une solution permettant d'augmenter le rendement et dans laquelle tous les échangeurs de chaleur du système sont reliés en série avec l'échangeur de chaleur principal. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels les figures 1, 2, 3, 4, 4a et 4b représentent des schémas de branchement de composants des divers modes de réalisation de l'installation d'utili- sation de chaleur perdue conforme à la présente invention. Sur les dessins, des références identiques désignent des parties identiques ou semblables. La fig. 1 représente un exemple de réalisation de l'installation d'utilisation de la chaleur perdue de faible potentiel de stations de compression pour pipelines de gaz conforme à la présente invention; sur cette figure, on a désigné par 1 un pipeline de gaz basse pression qui pénètre dans la station de compression et par 9 une pipeline de gaz haute pression qui sort de la station. Entre les pipelines 1 et 9, la compression du gaz est assurée à l'aide d'un compresseur 2 entraîné par une turbine à gaz 3. Le gaz servant à actionner le moteur ou la turbine 3 est prélevé dans le pipeline 1 par l'intermédiaire d'un tuyau 4. Les gaz d'échappement de la turbine 3 sortent par l'intermédiaire d'un tuyau d'échappement 5. Le gaz sortant sous une pression élevée du compresseur 2 est canalisé vers le pipeline 9 par l'inter- médiaire d'un tuyau de sortie 6 comportant un premier échangeur de chaleur 7, ou échangeur de chaleur principal. L'échangeur de chaleur 7 est refroidi, non pas avec de l'air comme dans les solutions connues, mais avec un liquide, de préférence avec de l'eau, par exemple une solution anti-gel. Dans le circuit de liquide de l'échangeur de chaleur 7, le liquide de refroidissement pénètre par l'intermédiaire d'un conduit 8 et sort par l'intermédiaire d'un autre conduit 10. Ces conduits 8 et 10 sont reliés à un appareil de consommation de chaleur 12 qui a été représenté sur le dessin par un rectangle. Une pompe de circulation 11 est prévue dans le circuit de liquide de l'échangeur de chaleur 7. Le circuit de refroidissement de l'échangeur de chaleur 7 est relié à une tour de refroidissement 14 fonctionnant avec de l'air en circuit fermé et contenant des échangeurs de chaleur fermés 15, le refroidissement étant assuré par de l'air et des registres à ouies 17. Le liquide à refroidir pénètre dans la tour de reflidissement 14 par l'intermédiaire d'un conduit 13 et il en sort par un autre conduit 16. Les tours de refroidissement représentées sur les dessins fonctionnent avec un tirage naturel. Il va de soi qu'on pourrait également utiliser des tours de refroi- dissement opérant avec un tirage forcé créé par des venti- lateurs ou des appareils semblables. En fonctionnement, le gaz à basse pression provenant du pipeline 1 est introduit dans le compresseur 2 entraîné parla turbine à gaz 3, alimentée en gaz par l'inter- médiaire du tuyau 4, de manière à être comprimé. Puisque la compression s'effectuant dans le compresseur 2 correspond à un changement d'état presque adiabatique, le gaz parvient dans le tuyau de sortie 6 après augmentation de la tempéra- ture et de la pression. Par suite de la température plus élevée, le volume du gaz dans le tuyau de sortie 6 est plus grand. Pour éviter une augmentation de l'énergie de transport du gaz, on doit le refroidir avant qu'il parvienne dans le pipeline 9. Ce refroidissement est assuré à l'aide de l'échangeur de chaleur 7 refroidi avec de l'eau ou un autre liquide, tel qu'une solution anti-gel pénétrant par l'intermédiaire du conduit 8 et sortant par l'intermé- diaire du conduit 10 après avoir été échauffée. Ensuite le liquide chaud est refoulé par la pompe 11 vers l'appareil de consommation de chaleur 12 qui n'a pas besoin d'être placé au voisinage de la station de compression et qui peut être par exemple un système de chauffage local utili- sable par des services publics ou bien dans des applications industrielles ou agricoles. Avec un dimensbnnement approprié de l'échangeur de chaleur 7, le gaz arrivant à une tempé- rature de 90 à 100-C est refroidi jusqu'à 40 à 50-C et d'autre part le liquide passant dans l'échangeur de chaleur 7 est chauffé jusqu'à 60 à 800C. Le gaz refroidi sortant de l'échangeur de chaleur 7 s'écoule vers le pipeline 9. Le liquide de refridissement de l'échangeur de chaleur 7 est entraîné par la pompe de circulation 11. On voit que le liquide de refroidissement chaud peut parvenir par l'intermédiaire du conduit 13 dans des échangeurs de chaleur 15 de la tour de refroidissement 14. Cela est nécessaire lorsque l'appareil de consommation de chaleur 12 demande une faible quantité de chaleur qui n'est pas suffisamment grande pour permettre le refroidissement nécessaire du gaz. Il est possible de commander le débit du liquide par des moyens de régulation d'écoulement branchés dans les conduits 8, 13 et 16. Par ce moyen, la station de compression peut fonctionner même lorsque la chaleur contenue dans le gaz sortant du compresseur 2 n'est pas utilisée dans l'appareil 12. L'autre condition de fonctionnement non perturbé de l'installation d'utilisation de chaleur conforme à l'invention consiste dans la possibilité de fournir de la chaleur en excès par rapport à la quantité contenue dans le gaz comprimé. Dans ce but, il est prévu un agencement tel que celui mis en évidence sur la fig. 2, o un second échangeur de chaleur 20 est branché en série avec l'échan- geur de chaleur 7, une entrée 21 de cet échangeur 20 étant reliée à la sortie de l'échangeur de chaleur 7 tandis que la sortie 22 dudit échangeur est reliée au conduit 10 de manière à faire parvenir le liquide chauffé à l'appareil de consommation de chaleur 12. Ce second échangeur de chaleur 20 assure le refroidissement des gaz d'échappement chauds sortant de la turbine 3. En service, le liquide de refroidissement de l'échangeur de chaleur principal 7 est introduit dans le second échangeur de chaleur 20, son débit étant commandé par des vannes qui sont prévues à l'entrée 21 et à la sortie 22. Il est ainsi possible de contrôler la partie manquante des besoins en chaleur de l'appareil de consomma- tion 12. Sur la fig. 3, on a représenté un autre exemple de production de chaleur auxiliaire, o il est prévu une chaudière 30 dont le circuit de liquide est relié en série avec l'échangeur de chaleur principal 7. La chaudière reçoit du gaz provenant du pipeline 1 par l'intermédiaire d'un tuyau de dérivation 31. Les gaz d'échappement de la chaudière 30 sont évacués par l'intermédiaire d'un conduit d'échappement 32. En service, la chaleur produite dans la chaudière par combustion du gaz est transmise à l'appareil de consommation de chaleur 12 en même temps que la chaleur récupérée à partir du gaz dans l'échangeur de chaleur principal 7. Si la fourniture de chaleur par l'échangeur 7 est stable, les besoins en chaleur de l'appareil de consomma- tion sont complétés par modification de la puissance de sortie de la chaudière 30 en réglant la quantité de gaz brûlé dans celle-ci. En conséquence, de la chaleur est fournie à l'appareil de consommation 12 même si la turbine à gaz 3 s'arrête. Sur la fig. 4, on a représenté une chaudière à vapeur 40, utilisant de la chaleur, qui est reliée au tuyau d'échappement de la turbine à gaz 3 et, par l'intermédiaire d'un conduit de dérivation 49, au pipeline 1. Dans cette chaudière à vapeur 40, la chaleur contenue dans les gaz d'échappement de la turbine 3 est utilisée et auxiliaire- ment du gaz est brûlé. La vapeur est d'une part canalisée vers un troisième échangeur de chaleur 44 branché en série dans le circuit de liquide de l'échangeur de chaleur principal 7 et d'autre part vers une turbine à gaz 42 qui assure l'entraînement d'un second compresseur 43 branché en parallèle avec le compresseur 2. La vapeur sortant de la turbine 42 est condensée dans un condenseur 47 dont l'agent de refroidissement est refroidi dans une seconde tour de refroidissement 48. Le condensat du troisième échangeur de chaleur 44 est canalisé vers le condenseur 47 et, à partir de ce dernier, la totalité du condensat est transférée sous forme d'eau alimentaire dans la chaudière à vapeur 40 après avoir été préchauffée dans l'échangeur de chaleur 7. En service, le gaz du pipeline 1 est comprimé en parallèle dans les deux compresseurs 2 et 43, le premier étant entraîné par la turbine à gaz 3 et le second par la turbine à vapeur 42. De la chaleur auxiliaire est récupérée à partir du gaz comprimé sortant du compresseur 43 et dans le troisième échangeur de chaleur 44, branché dans le circuit de liquide existant entre l'échangeur de chaleur principal 7 et l'appareil de consommation de chaleur 12. La quantité nécessaire de vapeur est fournie par la chaudière à vapeur 40 qui est équipée d'un brûleur auxiliaire alimenté en gaz. Dans les périodes d'immobilisation des compresseurs 2 et 43, de la chaleur est fournie à l'appareil de consommation 12 seulement par l'intermédiaire de l'échan- geur de chaleur 44. La seconde tour de refroidissement 48 associée au condenseur 47 peut être constituée par une partie de la tour principale de refroidissement 14, comme indiqué sur les fig. 4a et 4b. Sur la fig. 4a, les échangeurs de chaleur des deux tours de refroidissement 14 et 48 sont placés sous la même enveloppe. Sur la fig. 4b, les refroidisseurs des deux tours de refroidissement 14 et 48 sont placés sous la même enveloppe et comportent un circuit commun de refroidis- sement. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Installation pour l'utilisation de la chaleur perdue de faible potentiel d'une station de compression pour pipelines de gaz dans un appareil de consommation de chaleur (12) placé à l'extérieur du circuit de compression de gaz, comportant, entre un pipeline de gaz basse pression (1) et un pipeline de gaz haute pression (9), un compresseur (2) entraîné par un moteur à gaz ou une turbine à gaz (3), caractérisée en ce qu'il est prévu un échangeur de chaleur surfacique (7) refroidi par du liquide, de préférence de l'eau, pour assurer le refroidissement du gaz, échauffé en cours de compression, à sa sortie du compresseur (2), ledit échangeur de chaleur (7) étant relié audit appareil de consommation de chaleur (12) par l'intermédiaire d'un conduit de liquide (8) comportant une pompe de circulation (11). 2. Installation selon la revendication 1, carac- térisée en ce qu'une tour de refroidissement fonctionnant avec de l'air en circuit fermé (14) est reliée audit conduit de liquide (8) de l'échangeur de chaleur (7), ladite tour de refroidissement (14) comportant des registres à volets du type ouies (17) pour commander le tirage de l'air à l'intérieur de la tour de refroidissement (14). 3. Installation selon la revendication 2, caracté- risée en ce qu'un second échangeur de chaleur (20), chauffé par les gaz d'échappement du moteur à gaz ou de la turbine à gaz (3), est relié en série avec ledit échan- geur de chaleur (7). 4. Installation selon la revendication 2, caracté- risé en ce qu'il est prévu une chaudière (30) comportant un circuit de liquide et chauffée par du gaz provenant dudit pipeline (1), ledit circuit de liquide étant relié en série avec ledit échangeur de chaleur (7). 5. Installation selon la revendication 2, caracté- risée en ce qu'il est prévu, pour produire de la vapeur, une chaudière (40) chauffée par les gaz d'échappement du moteur à gaz ou de la turbine à gaz (3) et/ou avec du gaz provenant dudit pipeline (1), en ce qu'il est prévu une 1l turbine à vapeur (42) et un second compresseur (43) relié à la turbine à vapeur (42), en ce que cette turbine à vapeur (42) est entraînée par la vapeur produite par ladite chaudière (40) et en ce que le second compresseur (43) est relié en parSlèle au compresseur précité (2). 6. Installation selon la revendication 5, caracté- risée en ce qu'un condenseur (47), pourvu d'un liquide de refroidissement refroidi dans une tour de refroidissement fonctionnant avec de l'air en circuit fermé (48), est relié à ladite turbine à vapeur (42) pour condenser la vapeur sortant de cette turbine (42). 7. Installation selon la revendication 5, caracté- risée en ce que la vapeur produite par la chaudière (40) est canalisée dans un troisième échangeur de chaleur (44) relié en série avec ledit premier échangeur de chaleur (7). 8. Installation seon la revendication 7, caractérisée en ce que la première tour de refridissement (14) et la seconde tour de refroidissement (48) sont réunies en dessous d'une seule enveloppe de façon à former une tour commune de refroidissement (14) qui est reliée en série avec ledit premier échangeur de chaleur (7). 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que tous les échangeurs de chaleur (20, 44, 15, 48) de l'installation sont reliés en série avec ledit premier échangeur de chaleur (7).