Brevet FR2827187A1 — publié le 20030117

La présente invention est relative à un procédé d'entraînement d'au moins une machine de compression d'une unité de distillation d'air qui fournit de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon à une unité industrielle produisant de la vapeur d'eau, ce procédé étant du type dans lequel, en régime établi, la machine de compression est entraînée au moins en partie par des moyens de détente de vapeur avec production de travail extérieur, alimentés par de la vapeur d'eau provenant de ladite unité industrielle, cette vapeur étant introduite à une entrée desdits moyens de détente. Certains procédés industriels consommant de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon, tels que les procédés de production d'hydrocarbures synthétiques (procédés dits Gas to Liquid ou GTL ), sont exothermiques et génèrent de la vapeur d'eau. Lorsque la pression et/ou la température de cette vapeur la rendent non utilisable sur le site, la vapeur est généralement valorisée comme source d'entraînement, via une turbine à vapeur, d'au moins une machine de compression de l'unité de distillation d'air qui produit l'oxygène. La turbine à vapeur peut être une turbine à contre-pression, échappant à une pression supérieure à la pression atmosphérique, ou une turbine à condensation, échappant à une pression inférieure à la pression atmosphérique et associée à un condenseur d'eau, refroidi par de l'eau ou par de l'air ambiant, et à une pompe de recyclage de l'eau vers la chaudière de production de vapeur. Cependant, la vapeur n'est pleinement disponible qu'en régime établi, ce qui pose le problème du démarrage de l'ensemble de l'installation. L'invention a pour but de résoudre ce problème de façon particulièrement souple. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que lesdits moyens de détente de vapeur comportent deux entrées qui correspondent à des pressions d'admission différentes, respectivement haute et moyenne, et en ce que, pendant au moins une phase de fonctionnement de ladite unité industrielle, on alimente au moins partiellement lesdits moyens de détente par de la vapeur d'eau auxiliaire provenant d'une source de vapeur auxiliaire et introduite à l'autre entrée de ces moyens. Le procédé suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ladite phase de fonctionnement comprend la phase de démarrage de ladite unité industrielle ; - au fur et à mesure de la mise en régime de l'unité industrielle, on utilise la vapeur produite par cette dernière pour fournir une partie de l'énergie d'entraînement de la machine de compression, via lesdits moyens de détente ; - en régime établi, lesdits moyens de turbine sont alimentés majoritairement par de la vapeur d'eau provenant de ladite unité industrielle ; - on alimente sensiblement en permanence l'entrée desdits moyens de détente qui correspond à la haute pression d'admission ; - la vapeur auxiliaire est à la moyenne pression d'admission, et on alimente successivement : . les deux entrées par la vapeur auxiliaire ; . l'entrée haute pression par la vapeur provenant de ladite unité industrielle, et l'entrée moyenne pression par la vapeur auxiliaire ; et . en régime établi, au moins l'entrée haute pression par de la vapeur provenant de l'unité industrielle ; - la vapeur auxiliaire est à la haute pression, et on alimente successivement : l'entrée haute pression par la vapeur auxiliaire ; l'entrée haute pression par la vapeur auxiliaire et l'entrée moyenne pression par de la vapeur provenant de ladite unité industrielle ; et . en régime établi, les deux entrées par de la vapeur provenant de ladite unité industrielle ; - la vapeur auxiliaire est à la haute pression, et on alimente successivement : l'entrée haute pression par la vapeur auxiliaire ; et l'entrée haute pression par la vapeur auxiliaire et l'entrée moyenne pression par de la vapeur provenant de ladite unité industrielle ; - on entraîne de façon analogue au moins deux machines de compression couplées à un même arbre, à savoir un compresseur principal d'air et un autre compresseur de gaz, notamment un surpresseur d'air, de l'unité de distillation d'air ; - lesdits moyens de détente comprennent une turbine à vapeur ayant un corps muni de deux entrées. L'invention a également pour objet une installation combinée de distillation d'air et de production de vapeur d'eau, du type comprenant d'une part au moins une unité de distillation d'air qui comporte au moins une machine de compression reliée à des moyens de détente de vapeur avec production de travail extérieur, et une boîte froide contenant un appareil de distillation d'air et une ligne d'échange thermique adaptée pour refroidir l'air comprimé jusqu'à une température permettant sa distillation, et d'autre part une unité industrielle qui est alimentée par de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon produit par l'unité de distillation d'air et qui produit de la vapeur d'eau, une partie au moins de cette vapeur alimentant la turbine à vapeur, caractérisée en ce lesdits moyens de détente comportent deux entrées qui correspondent à des pressions d'admission différentes, respectivement haute et moyenne, en ce que l'installation comprend une source de vapeur auxiliaire, et en ce que cette source fournit de la vapeur sous une pression qui correspond à l'une des deux entrées desdits moyens de détente et est adaptée pour être reliée à cette entrée, tandis que l'unité industrielle produit de la vapeur sous une pression qui correspond à l'autre entrée desdits moyens de détente et qui est adaptée pour être introduite dans cette autre entrée. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 représente schématiquement une installation combinée conforme à l'invention ; les Figures 2A à 2C illustrent trois phases successives du démarrage de cette installation ; et - les Figures 3A et 3B illustrent de façon analogue le démarrage d'une variante. L'installation combinée représentée sur la Figure 1 est constituée d'une part d'une unité GTL 1 qui produit, entre autres, de la vapeur d'eau sous haute pression dans une ligne 2, et d'autre part d'une unité de distillation d'air 3 qui alimente l'unité 1 en oxygène gazeux haute pression HPGOX, via une ligne 4, et également en azote gazeux haute pression HPGN, via une ligne 5 équipée d'un compresseur d'azote 6. En pratique, il peut être prévu plusieurs unités 3 en parallèle. L'unité 3 comprend essentiellement une première machine de compression constituée par un compresseur principal d'air 7 (ou, en variante, par plusieurs compresseurs en parallèle), une seconde machine de compression constituée par un surpresseur d'air 8 (ou, en variante, par plusieurs surpresseurs en parallèle), et une boîte froide 9. Cette dernière comprend essentiellement un appareil de distillation d'air 10, par exemple une double colonne comportant une colonne de distillation moyenne pression et une colonne de distillation basse pression couplées par un vaporiseur-condenseur, et une ligne d'échange thermique 11. Le compresseur 7 et le surpresseur 8 sont montés sur un même arbre 12, couplé à une turbine à vapeur 13 via un dispositif d'accouplement désaccouplable 14. La turbine 13 comporte deux entrées : une entrée haute pression 15, située à l'aspiration de la turbine, et une entrée moyenne pression 16, située entre l'alimentation haute pression et l'échappement de la turbine. On a indiqué en 17 l'orifice d'échappement de la turbine, à la pression atmosphérique ou à une pression supérieure ou inférieure à la pression atmosphérique. L'appareil 10 produit de l'oxygène liquide LOX sous la basse pression, et cet oxygène liquide est porté à la haute pression de production par une pompe 18, avant d'être vaporisé et réchauffé dans la ligne d'échange 11. L'appareil 10 produit également de l'azote gazeux GN, sous la basse pression et/ou sous la moyenne pression, qui est réchauffé dans la ligne d'échange puis comprimé en 6 à la haute pression de production. En fonctionnement, l'air atmosphérique, comprimé à la moyenne pression en 7, est prérefroidi dans un prérefroidisseur 19 à air ou à eau, épuré en eau et en CO2 dans un appareil d'épuration par adsorption 20, et séparé en deux flux : un premier flux d'air moyenne pression qui est refroidi en 11 jusqu'au voisinage de son point de rosée pour être distillé en 10, et un second flux d'air qui est surpressé en 8 à une haute pression permettant la vaporisation de l'oxygène liquide haute pression dans la ligne d'échange. L'unité 3 comprend encore une chaudière auxiliaire 21 qui produit de la vapeur d'eau auxiliaire à moyenne pression dans une ligne 22. Cette dernière, munie d'une vanne 23, est reliée à l'entrée moyenne pression 16 de la turbine 13, tandis que la ligne 2 est reliée à l'entrée haute pression 15. A titre d'exemple, la vapeur haute pression est à 60 bars environ et la vapeur moyenne pression à 15 bars environ. De plus, une dérivation 24 équipée d'une vanne 25 relie les entrées 15 et 16. Lors du démarrage de l'installation, l'unité 1 ne produit pas de vapeur haute pression, puis elle en produit en quantité croissante, jusqu'à ce que le régime nominal soit établi. Le démarrage s'opère en trois phases successives : - 1ère phase (Figures 1 et 2A) : la turbine 13 n'est alimentée qu'en vapeur moyenne pression. Toutefois, pour équilibrer la partie de détente amont de la turbine, cette vapeur est introduire à la fois dans les entrées 15 et 16, via la conduite 24, dont la vanne 25 est ouverte. - 2ème phase (Fiqures 1 et 2B) : La vanne 25 est fermée. La vapeur haute pression, à débit croissant, est introduite, via la ligne 2, dans l'entrée 15, et l'appoint d'énergie nécessaire est fourni par un débit décroissant de vapeur moyenne pression, introduit dans l'entrée 16. - 3ème phase (Figures 1 et 2C) : La vanne 25 reste fermée. Le régime établi étant atteint, le débit nominal de vapeur haute pression est introduit dans l'entrée 15 et assure l'entraînement des machines de compression 7 et 8. Eventuellement, de façon permanente ou transitoire, un appoint de vapeur moyenne pression peut être fourni à l'entrée 16, comme indiqué en trait mixte. Les Figures 3A et 3B se rapportent au cas où la vapeur auxiliaire est à une pression supérieure à celle de la vapeur produite par l'unité 1. Dans ce cas, la première étape de démarrage consiste (Figures 1 et 3A) à introduire la vapeur auxiliaire à l'entrée 15. Dans une deuxième étape, illustrée en trait mixte sur la Figure 3A, la vapeur moyenne pression, à débit croissant, est introduite à l'entrée 16, via la conduite 2, tandis que le débit de la vapeur d'appoint est réduit de façon correspondante. Dans la troisième phase (Figures 1 et 3B), correspondant au régime établi, la vanne 23 est fermée. La vapeur moyenne pression, à son débit nominal, est introduite à l'entrée 16. Comme précédemment, il peut alors être avantageux de prévoir la dérivation 24 avec sa vanne 25 pour introduire également la vapeur moyenne pression à l'entrée 15, et ainsi, équilibrer la partie de détente amont de la turbine. On voit ainsi que, dans tous les cas, toute la vapeur disponible dans la ligne 2 est utilisée dans la turbine 13 sans détente préalable, et donc sans perte d'énergie. De plus, à tout instant, le complément d'énergie d'entraînement des machines de compression est fourni par de la vapeur auxiliaire, dont les caractéristiques peuvent être choisies relativement librement. En variante, le compresseur 6 peut être couplé à l'arbre 12, en remplacement du surpresseur 8 ou en supplément. En variante également, si l'on dispose sur le site d'une source d'oxygène auxiliaire, par exemple d'un réservoir de stockage d'oxygène liquide, on peut démarrer l'unité 1 avec cet oxygène. La turbine 13 est alors, au démarrage de l'unité 3, alimentée minoritairement par la vapeur provenant de l'unité 1, et majoritairement par la vapeur auxiliaire provenant de la source 21. Le rapport est par exemple 30%-70%. Puis la proportion de vapeur auxiliaire baisse progressivement, jusqu'au régime établi, où elle est minoritaire, notamment inférieure à 30% et, de préférence encore, inférieure à 10%, voire nulle. La turbine peut être composée soit d'un corps unique avec deux entrées qui correspondent à des pressions d'admissions différentes, soit de deux corps ayant chacun une entrée. Dans ce dernier cas, un corps de la turbine est alimenté par de la vapeur issue de l'unité industrielle 1, et l'autre corps par de la vapeur auxiliaire. Les deux corps de la turbine sont alors soit reliés entre eux mécaniquement, soit reliés mécaniquement au corps d'au moins une machine de compression de l'unité de distillation d'air. REVENDICATIONS 1. Procédé d'entraînement d'au moins une machine de compression (7,8) d'une unité de distillation d'air (3) qui fournit de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon à une unité industrielle (1) produisant de la vapeur d'eau, ce procédé étant du type dans lequel, en régime établi, la machine de compression est entraînée au moins en partie par des moyens (13) de détente de vapeur avec production de travail extérieur, alimentés par de la vapeur d'eau provenant de ladite unité industrielle (1), cette vapeur étant introduite à une entrée (15 ; 16) desdits moyens de détente, caractérisé en ce que lesdits moyens de détente de vapeur (13) comportent deux entrées (15,16) qui correspondent à des pressions d'admission différentes, respectivement haute et moyenne, et en ce que, pendant au moins une phase de fonctionnement de ladite unité industrielle (1), on alimente au moins partiellement lesdits moyens de détente par de la vapeur d'eau auxiliaire provenant d'une source de vapeur auxiliaire (21) et introduite à l'autre entrée (16 i 15) de ces moyens de détente (13). 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite phase de fonctionnement comprend la phase de démarrage de ladite unité industrielle (1). 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que, au fur et à mesure de la mise en régime de l'unité industrielle (1), on utilise la vapeur produite par cette dernière pour fournir une partie de l'énergie d'entraînement de la machine de compression (7,8), via lesdits moyens de détente (13). 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, en régime établi, lesdits moyens de détente (13) sont alimentés majoritairement par de la vapeur d'eau provenant de ladite unité industrielle (1). 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on alimente sensiblement en permanence l'entrée (15) desdits moyens de détente (13) qui correspond à la haute pression d'admission. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la vapeur auxiliaire est à la moyenne pression d'admission, et en ce qu'on alimente successivement : les deux entrées (15,16) par la vapeur auxiliaire ; - l'entrée haute pression (15) par la vapeur provenant de ladite unité industrielle (1), et l'entrée moyenne pression (16) par la vapeur auxiliaire ; et - en régime établi, au moins l'entrée haute pression (15) par de la vapeur provenant de l'unité industrielle. 7. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la vapeur auxiliaire est à la haute pression, et en ce qu'on alimente successivement : - l'entrée haute pression (15) par la vapeur auxiliaire ; - l'entrée haute pression (15) par la vapeur auxiliaire et l'entrée moyenne pression (16) par de la vapeur provenant de ladite unité industrielle (1) ; et - en régime établi, les deux entrées (15,16) par de la vapeur provenant de ladite unité industrielle (1). 8. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la vapeur auxiliaire est à la haute pression, et en ce qu'on alimente successivement : - l'entrée haute pression (15) par la vapeur auxiliaire ; et - l'entrée haute pression (15) par la vapeur auxiliaire et l'entrée moyenne pression (16) par de la vapeur provenant de ladite unité industrielle (1). 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on entraîne de façon analogue au moins deux machines de compression (7,8) couplées à un même arbre, à savoir un compresseur principal d'air (7) et un autre compresseur de gaz (8), notamment un surpresseur d'air, de l'unité de distillation d'air (3). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de détente (13) comprennent une turbine à vapeur ayant un corps muni de deux entrées (15,16). 11. Installation combinée de distillation d'air et de production de vapeur d'eau, du type comprenant d'une part au moins une unité de distillation d'air (3) qui comporte au moins une machine de compression (7) reliée à des moyens de détente de vapeur avec production de travail extérieur, et une boîte froide (9) contenant un appareil de distillation d'air (10) et une ligne d'échange thermique (11) adaptée pour refroidir l'air comprimé jusqu'à une température permettant sa distillation, et d'autre part une unité industrielle (1) qui est alimentée par de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon produit par l'unité de distillation d'air (3) et qui produit de la vapeur d'eau, une partie au moins de cette vapeur alimentant lesdits moyens de détente (13), caractérisée en ce que lesdits moyens de détente (13) comportent deux entrées (15,16) qui correspondent à des pressions d'admission différentes, respectivement haute et moyenne, en ce que l'installation comprend une source de vapeur auxiliaire (21), et en ce que cette source fournit de la vapeur sous une pression qui correspond à l'une des deux entrées desdits moyens de détente et est adaptée pour être reliée à cette entrée, tandis que l'unité industrielle (1) produit de la vapeur sous une pression qui correspond à l'autre entrée desdits moyens de détente et qui est adaptée pour être introduite dans cette autre entrée. 12. Installation suivant la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour introduire simultanément la vapeur moyenne pression dans les deux entrées (15,16) desdits moyens de détente (13). 13. Installation suivant la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce que la machine de compression (7) est un compresseur principal d'air de l'unité de distillation d'air (3). 14. Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une seconde machine de compression (8) couplée au même arbre que le compresseur principal d'air (7). 15. Installation suivant la revendication 14, caractérisée en ce que la seconde machine de compression (8) est un autre compresseur de gaz, notamment un surpresseur d'air, de l'unité de distillation d'air (3). 16. Installation suivant l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que lesdits moyens de détente (13) comprennent une turbine à vapeur ayant un corps muni de deux entrées (15,16).