Brevet FR2672942A1 — publié le 19920821

La présente invention concerne de façon générale le pompage de fluides. Plus précisément, elle concerne le pompage de fluides, tel que les gaz liquéfiés, d'un réservoir par l'intermédiaire d'une colonne montante allongée rejoignant un réceptacle. Une soupape est souvent disposée dans la colonne montante, à une distance notable de la pompe. Lorsque la pompe est mise en fonctionnement, elle peut très rapidement accélérer à sa vitesse maximale, si bien que l'interface liquide-vapeur qui avance dans la colonne montante peut venir frapper la soupape et donner un coup de bélier aux tuyauteries. Dans le cas des gaz liquéfiés, le coup de bélier dans les tuyauteries peut encore être accentué par la vapeur du fluide présente dans la colonne entre la sortie de la pompe et la soupape. Lorsque la pompe est mise en fonctionnement, l'augmentation de pression à la sortie de la pompe et dans la colonne montante peut provoquer une liquéfaction brutale d'une partie de la vapeur, avec augmentation de la vitesse de l'interface liquide-vapeur mobile, si bien que le coup de bélier appliqué à la tuyauterie est accru. Les problèmes posés par les coups de bélier se sont manifestés dans les véhicules de transport de gaz liquéfiés ainsi que dans les grands réservoirs de stockage de gaz liquéfiés. Le coup de bélier dans les tuyauteries peut être violent et peut nécessiter éventuellement des réparations coûteuses, même sans considération du dégagement potentiel intempestif de vapeur dans l'atmosphère et de l'augmentation des risques d'incendie. La technique antérieure s'est déjà intéressée à ces problèmes. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 4 194 870 de Tornay décrit un ensemble dans lequel un gaz non liquéfiable, tel que l'azote, est introduit dans la colonne montante et forme un coussin de gaz dans la colonne montante. Cette approche nécessite un appareil supplémentaire pour l'injection d'azote gazeux dans la colonne montante, et il présente l'inconvénient supplémentaire de ne pas permettre l'extraction de la vapeur dans la colonne montante avant la mise de la pompe à sa vitesse de fonctionnement. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 4 204 813 de Tornay décrit une autre approche selon laquelle un organe amovible ou qui peut être mis en dérivation et qui est destiné à limiter le débit est incorporé entre la pompe et la colonne montante, si bien que la colonne montante peut être remplie de liquide avant l'activation de la pompe. L'inconvénient essentiel de cette approche est l'encombrement relativement important du dispositif de réduction de débit et/ou du mécanisme de dérivation placés dans la colonne montante, et la possibilité de panne ou de coincement du mécanisme placé à l'intérieur du réservoir. Une autre approche a envisagé le réglage de l'accélération de la pompe au démarrage par variation de la tension d'alimentation, permettant un réglage du couple du moteur. L'inconvénient principal de cette approche est que la soupape est souvent placée à une distance importante de la sortie de la pompe, et un temps pouvant atteindre 60 s peut être nécessaire au remplissage du tube de refoulement par le liquide. Comme l'accélération de la pompe d'une vitesse nulle à une vitesse maximale prend par exemple un temps de 0,5 à 1,5 s lors du démarrage par application de la tension maximale, la tension d'alimentation doit être réduite pour que le temps de mise de la pompe à sa vitesse maximale soit prolongé.Le principal problème posé par cette approche est que, dans la plupart des réalisations des moteurs électriques immergés, la résistance des barres du rotor doit augmenter étant donné que le rotor cale lorsque la vitesse de rotation est inférieure à la vitesse nominale. Comme cette résistance augmente, le couple disponible augmente aussi et la vitesse de la pompe ne peut pas être réglée efficacement, et elle présente une augmentation progressive continue de la vitesse. Ainsi, étant donné le temps considérable nécessaire au fonctionnement du moteur à tension réduite, une régulation précise de la vitesse du moteur aux températures cryogéniques est difficile. En outre, le risque de grillage ou de détérioration des moteurs d'une autre manière est considérable. Selon la présente invention, le moteur utilisé peut travailler à plusieurs vitesses, et il permet l'entralnement de la pompe à une faible vitesse dans les conditions de mise en fonctionnement, et à une vitesse élevée dans les conditions de fonctionnement, par exemple lors du refoulement du contenu du réservoir sous pression. Des organes de commande sont disponibles pour la commutation du moteur du fonctionnement à faible-vitesse au fonctionnement à grande vitesse, lorsque la colonne montante a été remplie de liquide jusqu'à la soupape.Grâce à l'utilisation de cette approche, il est possible de faire fonctionner le moteur dans la configuration à faible vitesse afin que la colonne montante puisse être remplie lentement de liquide, sans que des organes de réduction de débit ou des circuits secondaires d'introduction d'un gaz non liquéfiable dans la colonne montante soient nécessaires, et sans risque de détérioration du moteur. Ainsi, un avantage de l'invention est que l'appareil de pompage de liquide, notamment de gaz liquéfié d'un réservoir, met en oeuvre un moteur à plusieurs vitesses ayant une faible vitesse d'entraînement de la pompe dans les conditions de mise en fonctionnement, permettant un remplissage à faible vitesse de la colonne montante par le liquide et réduisant les coups de bélier dans la colonne montante et les soupapes associées. L'invention concerne aussi un procédé de pompage d'un fluide d'un réservoir ayant une soupape placée à une distance importante de la pompe, un moteur à plusieurs vitesses étant utilisé pour le remplissage de la colonne montante par du liquide jusqu'à la soupape, avec une faible vitesse, afin que le coup de bélier appliqué aux tuyauteries soit minimal. L'invention concerne aussi l'utilisation d'un moteur à plusieurs vitesses pour le pompage des liquides avec réduction du coup de bélier, le stator pouvant être bobiné afin qu'il fonctionne comme plusieurs stators ayant des nombres différents de pâles, si bien que la faible vitesse et la vitesse élevée du moteur peuvent être prédéterminées et le moteur peut travailler en alternance pour différentes applications particulières. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil de pompage selon l'invention, utilisé dans une cuve d'un véhicule de transport de gaz liquéfié la figure 2 est une représentation schématique de l'appareil de pompage selon l'invention utilisé dans un réservoir de stockage de gaz liquéfié la figure 3 est une représentation schématique des enroulements de stator d'un moteur à plusieurs vitesses, dans leur connexion à faible vitesse ; et la figure 4 est une représentation schématique des enroulements de stator du moteur, connectés pour une vitesse élevée. Comme l'indique la figure 1, une cuve 10 sous pression, destinée au transport de gaz naturel liquéfié dans un méthanier, est représenté avec une base Il et un dôme 12. Les parois latérales ne sont pas représentées. La cuve sous pression contient du gaz liquéfié 8 et de la vapeur 9 à haute pression placée au-dessus du gaz liquéfié 8. Une pompe 20 est placée dans la cuve sous pression et possède une entrée 24 proche de la base ll de la cuve 10 et une sortie 25 communiquant avec une colonne montante allongée 26. La colonne montante 26 traverse la surface 12 de la cuve 10 et communique avec un réceptacle (non représenté) par une soupape 30 et une canalisation 29 d'évacuation. La soupape 30 est à une distance importante de la pompe 20. Dans le présent mémoire, l'expression "distance importante" indique une distance suffisante pour qu'un coup de bélier se produise dans la colonne montante lorsque la pompe peut accélérer à sa vitesse maximale en quelques secondes lors de la mise en fonctionnement. La colonne montante 26 contient habituellement du gaz liquéfié et de la vapeur lorsque la pompe 20 ne fonctionne pas. Un moteur 36 à plusieurs vitesses est supporté près de la pompe 20 et entraîne celle-ci. Le moteur 36 a une faible vitesse d'entraînement de la pompe 20 dans les conditions de mise en fonctionnement, et une vitesse élevée d'entraînement de la pompe pour le fonctionnement normal dans lequel la cargaison de gaz liquéfié 8 est déchargée efficacement du réservoir 10. Un organe 40 de commande comporte un dispositif de commutation connecté au moteur 36 et destiné à commuter celui-ci d'une faible vitesse à une vitesse élevée lorsque la colonne montante a été remplie de liquide jusqu'a la soupape 30. On a constaté que ces organes de commande pouvaient être des organes du commerce, tels que des circuits de démarrage à couple variable à deux vitesses, disponibles auprès de "Square D.". L'organe de commande peut fonctionner manuellement. Dans une variante, un organe automatique de commande peut être utilisé avec des capteurs placés à un point 27, qui déterminent automatiquement la présence de fluide ou d'un courant dans la colonne montante au niveau de la soupape, et qui communiquent avec l'organe 40 de commande par une ligne 41. Dans cette variante, le moteur a une vitesse qui dépend de la pression ou du débit détecté dans la colonne montante à l'emplacement 27, près de la soupape 30. Une autre possibilité est l'utilisation d'un capteur placé au point 27 dans la colonne montante à proximité de la soupape afin que la présence ou l'absence de vapeur soit déterminée, le capteur communiquant avec l'organe de commande par une ligne 41. La figure 2 représente une variante de l'invention dans laquelle la différence principale avec la figure 1 est que la figure 2 représente un réservoir de stockage de gaz et non une cuve de méthanier, et la pompe 120 et le moteur 136 peuvent être retirés du réservoir 110 (représenté partiellement) dans la colonne montante 126. Le réservoir 110 peut être sphérique ou de toute autre configuration classique. Le moteur 136 et la pompe 120 utilisés dans le cas de la figure 2 sont analogues à ceux de la figure 1, mais peuvent être retirés du réservoir 110. La figure 2 représente un ensemble 150 d'extraction qui est utilisé pour le soulèvement et l'abaissement du moteur et de la pompe par rapport au réservoir 110. Une soupape 130 a une réalisation analogue à celle de la soupape 30 de la figure 1. Les figures 3 et 4 représentent schématiquement un stator qui permet un fonctionnement à deux vitesses. Le stator est bobiné afin que le changement de connexion des fils permette le fonctionnement en stators ayant des nombres différents de pôles. Le stator peut être bobiné afin qu'il donne diverses combinaisons de pôles et de vitesses, par exemple deux pôles pour une vitesse élevée et quatre pôles pour une faible vitesse, deux pôles pour une vitesse élevée et six pôles pour une faible vitesse, deux pôles pour une vitesse élevée et huit pôles pour une faible vitesse, etc. Le rapport entre la faible vitesse et la vitesse élevée peut être réduit ou accru lorsque le stator est bobiné avec des combinaisons différentes de pôles et de vitesses.Par exemple, comme l'indiquent les figures 3 et 4, la vitesse élevée obtenue dans le cas de la figure 4 est à peu près égale au double de la faible vitesse obtenue dans le cas de la figure 3, le stator étant bobiné avec une configuration à deux pôles/quatre pôles. Par exemple, le moteur 36 peut comporter un câble d'alimentation en énergie pour chacune des trois phases. Il est possible de réaliser le bobinage triphasé normal afin que la connexion soit modifiée avec un nombre différent de pôles, lorsque six fils sont disponibles pour le changement de connexion. En conséquence, la sortie des six fils d'alimentation à la partie supérieure du réservoir 10 et les connexions convenables assurées par l'organe précité de commande permettent une réduction ou une augmentation de la vitesse de la pompe et du moteur d'un facteur égal au rapport entre le nombre de pôles utilisé avant commutation et le nombre de pôles utilisé après commutation. La pompe 20 peut aussi- travailler à une plus faible vitesse à la fin de la vidange du réservoir 10, car l'aptitude de la pompe à évacuer le fluide du réservoir est meilleur à plus faible vitesse. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux appareils et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de pompage de gaz liquéfié à haute pression et basse température d'un réservoir (11) vers un réceptacle, le réservoir contenant de la vapeur à haute pression (9) au-dessus du gaz liquéfié (8), une pompe (20) étant disposée dans le réservoir et la pompe ayant une entrée proche de la base du réservoir et une sortie communiquant avec une colonne montante allongée (26), la colonne montante traversant la surface du réservoir et communiquant avec le réceptacle par l'intermédiaire d'une soupape (30), la soupape étant placée à une distance importante de la pompe, la colonne montante (26) contenant du gaz liquéfié et de la vapeur lorsque la pompe ne fonctionne pas, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un moteur (36) à plusieurs vitesses, destiné à entraîner la pompe (20) à l'une d'au moins deux vitesses, le moteur ayant une faible vitesse d'entraînement de la pompe dans les conditions de mise en fonctionnement et au moins jusqu a ce que le liquide ait rempli la colonne montante jusqu'au niveau de la soupape, le moteur ayant une vitesse élevée d'entraînement de la pompe après que la colonne montante a été remplie de gaz liquéfié jusqu'à la soupape, et un dispositif (40) de commande et de sélection de la vitesse du moteur, maintenant le moteur à sa faible vitesse lorsque la colonne montante contient de la vapeur au niveau de la soupape, et commutant le moteur à une vitesse élevée lorsque la colonne montante est remplie de gaz liquéfié jusqu'à la soupape 2.Procédé de pompage de gaz liquéfié cryogénique à haute pression d'un réservoir (11) à un réceptacle, le réservoir contenant de la vapeur (9) au-dessus du gaz liquéfié (8), une pompe (20) étant placée dans le réservoir, la pompe (20) ayant une entrée proche de la base du réservoir et une sortie qui communique avec une colonne montante (26), la colonne montante traversant la surface du réservoir et communiquant par une soupape (20) avec une canalisation de refoulement qui rejoint le réceptacle, la soupape étant à une distance notable de la pompe, la colonne montante contenant à la fois du gaz liquéfié et de la vapeur lorsque la pompe ne fonctionne pas, la pompe étant entraînée par un moteur (36) à plusieurs vitesses comprenant une faible vitesse et une vitesse élevée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes la détermination de la présence de vapeur ou d'un débit ou d'une pression dans la colonne montante (26) au niveau de la soupape (30), le maintien du moteur (36) en fonctionnement à une faible vitesse lorsque la vapeur est présente dans la colonne montante au niveau de la soupape, et la commutation du moteur à une vitesse élevée lorsque le fait que la colonne montante est remplie de liquide jusqu'à la soupape a été déterminé, si bien qu'un coup de bélier appliqué à la colonne montante et à la soupape est réduit au minimum par remplissage lent de la colonne montante par le gaz liquéfié jusqu a la soupape avant la commutation de la pompe au fonctionnement à vitesse élevée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape finale de commande du moteur (36) à faible vitesse afin qu'une vidange plus poussée du réservoir par la pompe (20) soit facilitée.