Brevet FR2738872A1 — publié le 19970321

DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ANERGIE POUR L'ALIMENTATION ELECTRIQUE DES EQUIPEMENTS D'UNE TRTE DE PUITS SOUS MARINE L'invention concerne un dispositif de production d'énergie pour l'alimentation électrique des équipements d'une tête de puits sous-marine, notamment d'un puits de production de pétrole brut, l'énergie étant produite à partir de l'énergie thermique du brut extrait au moyen d'une boucle thermodynamique fermée à cycle de Rankine. On a déjà proposé de tels dispositifs, qui permettent d'alimenter en énergie électrique des équipements d'une tête de puits sous-marine tels que des vannes, des instruments de mesure et de contrôle, etc., sans que l'on ait à utiliser de câbles sous-marins d'alimentation en énergie électrique et de transfert d'informations pour relier les têtes de puits sousmarines à des plates-formes ou à des installations terrestres, ces câbles ayant pour inconvénient essentiel d'avoir un prix de l'ordre de 2 MF/km. Les dispositifs autonomes de production d'énergie qui ont été proposés jusqu'à présent comprennent une boucle fermée de circulation d'un fluide volatil tel qu'un "Fréon" qui passe successivement dans un évaporateur dont la source chaude est le brut extrait du puits, dans une turbine d'entraînement d'un alternateur, dans un condenseur dont la source froide est constituée par l'eau de mer environnante et dans une pompe de mise en pression et de circulation. Ces dispositifs sont destinés à fournir une puissance électrique de l'ordre de quelques centaines de watts et sont associés à des batteries de stockage de l'énergie produite. Ils ont cependant pour inconvénients d'être souvent volumineux et encombrants, d'avoir une durée de service relativement courte en l'absence totale de maintenance, et de consommer pour leur fonctionnement une partie de l'énergie qu'ils produisent, ce qui amène à les surdimensionner et à augmenter encore leur volume et leur encombrement. La présente invention a pour objet un tel dispositif, qui soit plus simple, plus compact et beaucoup plus fiable que les dispositifs connus de la technique antérieure. Elle propose, à cet effet, un dispositif de production d'énergie pour l'alimentation électrique des équipements d'une tête de puits sous-marine à partir de la chaleur du pétrole brut extrait du puits sous forme liquide ou de gaz sous pression, grâce à un circuit thermodynamique à cycle de Rankine comprenant un évaporateur monté sur une conduite de passage du pétrole brut, un groupe turbo-alternateur, un condenseur et des moyens de circulation et de mise en pression d'un fluide de travail circulant en boucle fermée dans ledit circuit, caractérisé en ce que le fluide de travail est un fluide organique lourd tel par exemple que celui commercialisé sous la désignation FC72, et en ce que le condenseur est installé à une hauteur au-dessus de l'évaporateur telle que le poids du liquide de travail contenu dans le conduit reliant le condenseur à l'évaporateur réalise par gravité une mise en pression du fluide de travail et sa circulation dans ledit circuit. L'utilisation d'un fluide organique lourd comme fluide de travail thermodynamique permet une mise en pression et une circulation par gravité, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une pompe à cet effet. La fiabilité et le rendement du dispositif de production d'énergie en sont d'autant améliorés. Cela permet, par voie de conséquence, de sousdimensionner le dispositif de production d'énergie par rapport à un dispositif de la technique antérieure fournissant la même puissance électrique. Avantageusement, le groupe turbo-alternateur comprend une turbine et un alternateur montés dans une enceinte cylindrique fermée sur un même arbre qui est guidé et supporté en rotation par des paliers magnétiques ou des paliers hydrostatiques. Les paliers hydrostatiques sont de préférence alimentés par un débit de liquide de travail prélevé sur le débit de liquide passant du condenseur à l'évaporateur et sont réalisés en matériaux durs tels que du carbure de tungstène par exemple, pour pouvoir fonctionner à sec lors des phases de démarrage. Ces paliers ont une durée de vie extrêmement longue, de plusieurs dizaines de milliers d'heures, sans entretien et leur utilisation confère une fiabilité très élevée au groupe turbo-alternateur. Le condenseur utilisé dans ce circuit thermodynamique est du type à circulation d'eau de mer par convection naturelle et comprend un faisceau de tubes de circulation du fluide de travail, ce faisceau de tubes étant immergé dans l'eau de mer environnante. Le groupe turbo-alternateur peut être monté en bout du condenseur ou entre celui-ci et l'évaporateur. Quant à l'évaporateur, il est constitué de préférence par un échangeur de chaleur à section annulaire qui est monté autour de la conduite principale d'écoulement du pétrole brut ou autour d'une conduite branchée en dérivation sur cette conduite principale. De façon générale, le dispositif selon l'invention est de dimension faible et d'encombrement réduit, il peut fournir une puissance électrique de quelques centaines de watts à partir de la chaleur prélevée sur le brut extrait, et il a une fiabilité très élevée sur plusieurs années sans nécessiter d'entretien. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un dispositif selon l'invention - la figure 2 est une vue schématique en coupe verticale d'une variante de réalisation de ce dispositif - les figures 3, 4 et 5 sont respectivement des vues en élévation, de dessus et en coupe verticale d'un autre dispositif selon l'invention ; - la figure 6 est une vue semblable à la figure 5, mais représente une variante de réalisation. On se réfère d'abord à la figure 1, où l'on a représenté schématiquement une vue en coupe verticale d'un dispositif selon l'invention, qui constitue un circuit thermodynamique en boucle fermée à cycle de Rankine, comprenant un évaporateur 10 monté autour d'une conduite 12 de pétrole brut extrait d'un puits sousmarin, un groupe turbo-alternateur 14, un condenseur 16, un conduit 18 reliant l'évaporateur 10 au groupe turboalternateur 14, un conduit 20 reliant le groupe turboalternateur 14 au condenseur 16 et un conduit 22 reliant le condenseur 16 à l'évaporateur 10. Ce circuit thermodynamique est rempli d'un fluide organique lourd, tel qu'un fluorocarbone vendu sous la référence FC72 par la Société 3M et ayant une masse volumique de l'ordre de 1750 kg/m3. Le condenseur 16 est installé à une certaine hauteur au-dessus de l'évaporateur 10, de telle sorte que le poids du liquide contenu dans le conduit 22 puisse par gravité générer une mise en pression suffisante du fluide de travail et assurer sa circulation. Par exemple, quand le condenseur 16 est à une hauteur d'environ 1,5 m au-dessus de l'évaporateur 10, le poids du liquide de travail dans le conduit 22 génère une pression de 0,2 bar, compensant une chute de pression correspondante dans la turbine du groupe 14. Ce groupe 14, qui est alimenté en fluide de travail vaporisé par le conduit 18, comprend une roue de turbine 24 montée sur le même arbre 26 que le rotor d'un alternateur 28, cet ensemble rotatif étant supporté et guidé en rotation à l'intérieur d'une enceinte cylindrique fermée 30 par des paliers hydrostatiques 32 qui sont par exemple agencés de part et d'autre de l'alternateur 28 et qui sont alimentés en liquide de travail par l'intermédiaire d'une conduite 34 branchée sur le conduit 22 reliant le condenseur à l'évaporateur et d'un moyen de mise en pression du liquide de travail. Le rotor de l'alternateur est constitué avantageusement par un ensemble d'aimants permanents, et le stator comprend des bobinages noyés dans une résine pour leur protection. Dans l'exemple représenté en figure 1, le moyen de mise en pression du liquide de travail est constitué d'une pompe de Pitot comprenant un tube de Pitot fixe 36 agencé à l'intérieur d'un capot annulaire 38 monté en bout de l'arbre 26 du groupe turboalternateur pour être entraîné en rotation en même temps que ce dernier, le tube de Pitot étant relié en sortie à des conduits 39 d'alimentation des paliers 32 en liquide de travail sous pression. Avantageusement, les paliers hydrostatiques 32 sont réalisés en matériaux très durs, par exemple en carbure de tungstène, de façon à pouvoir fonctionner à sec lors des phases de démarrage du groupe turboalternateur. Dans un exemple de réalisation, le débit de liquide de travail alimentant les paliers hydrostatiques 32 est de l'ordre de 5 g/s et est prélevé à une pression de 0,3 bar sur le conduit 22, cette pression étant remontée à une valeur de l'ordre de 2 bars par la pompe de Pitot pour l'alimentation des paliers 32. Dans ce même exemple, le débit de liquide de travail circulant dans la boucle thermodynamique est de l'ordre de 150 à 200 g/s, sa pression et sa température en sortie de l'évaporateur 10 sont de l'ordre de 0,4 bar et 40 C respectivement quand la température du brut circulant dans la conduite 12 est de l'ordre de 55 C, la température et la pression du liquide de travail en sortie du groupe turbo-alternateur étant de l'ordre de 20 C et de 0,2 bar respectivement. Le condenseur 16 utilise l'eau de mer environnante comme source froide et est du type à circulation de l'eau de mer par convection naturelle. I1 comprend un faisceau de tubes parallèles 40 de circulation du fluide de travail, qui sont alimentés par un collecteur d'entrée 42 dans lequel débouche le conduit 20, et qui débouchent dans un collecteur de sortie 44 relié par le conduit 22 précité à l'évaporateur 10. Une cheminée verticale 46 coiffant la partie supérieure du faisceau de tubes 40 peut être ajoutée pour favoriser la circulation de l'eau de mer par convection naturelle à travers les tubes 40 du faisceau. Le fonctionnement de ce dispositif découle à l'évidence, pour l'homme du métier, de la description qui précède. Le fluide de travail, par exemple du FC72, arrive en phase liquide dans l'évaporateur 10 à une pression de 0,4 bar et à une température de 40 C par exemple, il est vaporisé par échange de chaleur avec le brut circulant dans la conduite 12, qui est à une température supérieure à une valeur comprise entre 10 et 30 C environ, par exemple de 50 à 60 C environ, puis le fluide vaporisé est détendu dans la turbine du groupe 14 en entraînant en rotation la roue 24 à une vitesse moyenne de l'ordre de 5000 à 9000 tours/mn, pour la production d'une puissance électrique de quelques centaines de watts par l'alternateur 28. La chute de pression dans la turbine est de l'ordre d'environ 0,2 bar, et la vapeur détendue pénètre dans le condenseur 16 à une température de l'ordre de 20' C et à une pression de 0,2 bar, cette température et cette pression étant celles du liquide de travail en sortie du condenseur 16. Typiquement, l'enceinte cylindrique 30 du groupe turbo-alternateur 14 a un diamètre de l'ordre de 200 mm, le condenseur 16 a un diamètre de l'ordre de 400 mm et est situé à une hauteur d'environ 1200 mm audessus du groupe turbo-alternateur 14, lui-même agencé juste au-dessus de l'évaporateur 10. La partie inférieure de l'enceinte 30 du groupe turbo-alternateur forme un réservoir de collecte de gouttelettes du fluide de travail qui viennent des paliers et qui sont condensées dans cette enceinte et dans le conduit 20 menant au collecteur d'entrée du condenseur 16. Avantageusement, un évaporateur 48 formé par une dérivation du conduit 18 peut être agencé sous l'enceinte 30, en contact avec un conduit plat 50 relié à la partie inférieure de l'enceinte 30, pour la vaporisation des gouttelettes de fluide de travail collectées dans l'enceinte 30. Dans la variante de réalisation représentée en figure 2, on retrouve à peu près les mêmes composants qu'en figure 1, mais le groupe turbo-alternateur est monté dans le collecteur d'entrée 42 du condenseur 16 et la sortie de la turbine est reliée par un diffuseur 54 aux extrémités amont des tubes 40 du faisceau précité. Egalement dans cette variante de réalisation, les paliers hydrostatiques 32 sont remplacés par des roulements à billes graissés à vie ou par des paliers magnétiques 56 du type "sans contact" donc sans usure qui ont de ce fait une durée de service extrêmement longue. De façon classique et bien connue de l'homme du métier, ces paliers magnétiques comprennent des bobinages qui sont ici alimentés en énergie électrique par les batteries de stockage de l'énergie produite par l'alternateur du groupe 14, ces bobinages créant des champs électromagnétiques permettant de maintenir un entrefer constant avec une raideur déterminée par un circuit électronique de commande. Des paliers magnétiques de ce type ont été utilisés dans le domaine spatial et ont une durée de service vérifiée de plusieurs années. Pour le reste, la turbine du groupe 14 est alimentée en fluide de travail par le conduit 20 relié à l'évaporateur 10 et la sortie du condenseur 16 est reliée par le conduit 22 précité à l'entrée de l'évaporateur. Le fonctionnement du dispositif représenté en figure 2 est pour l'essentiel le même que celui du dispositif représenté en figure 1. On peut noter que les gouttelettes de liquide de travail condensé dans le collecteur d'entrée 42 passent par les tubes 40 dans le collecteur de sortie 44. L'évaporateur 10 peut être monté directement autour de la conduite principale 12 de pétrole brut, ou autour d'une conduite 56 branchée en dérivation sur la conduite principale 12 par l'intermédiaire de vannes d'isolement 58 comme représenté aux figures 3, 4 et 5. Dans ce cas, l'évaporateur 10 est constitué d'un manchon cylindrique disposé autour de la conduite 56 et entouré d'un calorifugeage extérieur épais 60. Le manchon formant l'évaporateur 10 est relié au collecteur d'entrée du condenseur 16 par le conduit 20, également pourvu d'un calorifugeage extérieur épais 62. Dans la variante de réalisation de la figure 6, l'évaporateur 10 est monté autour de la conduite principale 12 de passage de brut et est alors réalisé en deux parties semi-cylindriques 10a et 10b sensiblement identiques qui sont amenées de part et d'autre de la conduite principale 12, puis fixées l'une à l'autre et serrées sur cette conduite par tout moyen approprié. Chaque partie 10a, 10b de l'évaporateur comprend un conduit flexible 20a, 20b de liaison à l'entrée du condenseur 16, les deux conduits 20a et 20b étant reliés l'un à l'autre pour former un conduit commun 20 en aval de l'évaporateur, tandis qu'un conduit 22 de sortie du condenseur 16 est partagé en deux conduits 22a et 22b menant chacun à une partie 10a, 10b de l'évaporateur. L'avantage de ce type d'évaporateur est sa démontabilité, rendue possible sans ouvrir le circuit thermodynamique tout en évitant d'installer la dérivation 56 sur le circuit de production. L'un des avantages essentiels du dispositif selon l'invention est sa très grande fiabilité, qui résulte de l'absence d'une pompe ou d'un autre moyen rotatif de mise en pression du fluide de travail, de l'utilisation de paliers hydrostatiques ou magnétiques pour le support et le guidage en rotation de l'arbre du groupe turbo-alternateur, paliers ayant une très longue durée de service sans entretien, et de l'absence de moyens de régulation et de contrôle de l'alimentation de la turbine, celle-ci étant libre en rotation. Le courant électrique produit par l'alternateur entraîné par la turbine est à puissance et à fréquence variables et est délivré à des circuits électroniques statiques de régulation et de redressement qui permettent de fournir un courant continu d'intensité variable à des batteries de stockage. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'énergie pour l'alimentation électrique des équipements d'une tête de puits sous-marine à partir de la chaleur du pétrole brut extrait du puits sous forme liquide ou de gaz sous pression, au moyen d'un circuit thermodynamique à cycle de Rankine comprenant un évaporateur (10) monté sur une conduite (12) de passage du pétrole brut, un groupe turbo-alternateur (14), un condenseur (16) et des moyens de circulation et de mise en pression d'un fluide de travail circulant en boucle fermée dans ledit circuit, caractérisé en ce que le fluide de travail est un fluide organique lourd et en ce que le condenseur (16) est installé à une hauteur au-dessus de l'évaporateur (10) telle que le poids du liquide contenu dans le conduit (22) reliant le condenseur (16) à l'évaporateur (10) réalise par gravité une mise en pression du fluide de travail et sa circulation dans ledit circuit. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe turbo-alternateur (14) comprend une roue de turbine (24) et un alternateur (28) montés dans une enceinte cylindrique fermée (30) sur un même arbre (26) qui est guidé et supporté en rotation par des paliers hydrostatiques (32) ou magnétiques (56). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les paliers hydrostatiques (32) sont alimentés par un débit de liquide de travail prélevé sur le débit de liquide passant du condenseur (16) à l'évaporateur (10). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens mécaniques de mise en pression du liquide alimentant les paliers hydrostatiques (32). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de mise en pression comprennent une pompe de Pitot (36, 38) montée sur l'arbre (26) du groupe turbo-alternateur (14). 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les paliers hydrostatiques (32) sont réalisés en matériaux durs tels que du carbure de tungstène par exemple, pour pouvoir fonctionner à sec lors des phases de démarrage. 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la partie inférieure de l'enceinte (30) contenant le groupe turbo-alternateur (14) forme un réservoir de collecte de gouttelettes de liquide de travail et communique avec le condenseur (16) ou avec un évaporateur secondaire (48,50) alimenté par le fluide de travail sortant du premier évaporateur (10) cité. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le condenseur (16) est du type à circulation d'eau de mer par convection naturelle et comprend un faisceau de tubes (40) de circulation du fluide de travail, ce faisceau de tubes étant immergé dans l'eau de mer environnante. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le groupe turboalternateur (14) est agencé au niveau du condenseur (16), par exemple dans le collecteur d'entrée (42) de celui-ci, ou bien entre le condenseur (16) et l'évaporateur (10). 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évaporateur (10) est un échangeur de chaleur à section annulaire monté autour de la conduite principale (12) de passage du pétrole brut ou autour d'une conduite (56) branchée en dérivation sur la conduite principale (12) par l'intermédiaire de vannes d'isolement (58).