Brevet FR2827186A1 — 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 une turbine à vapeur alimentée par de la vapeur d'eau provenant de ladite unité industrielle. 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 et/ou l'azote et/ou l'argon. 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. Pour cela, on utilise habituellement une chaudière d'appoint qui, à partir d'un combustible extérieur, produit de la vapeur ayant les mêmes caractéristiques de pression et de température (voir par exemple l'article Oxygen Facilities for Synthetic Fuel Projects , de W. J. SCHARLE et K. WILSON, Journal of Engineering for Industry, Novembre 1981, vol. 103, pp. 409 à 417). L'invention a pour but d'éviter la mise en oeuvre, relativement complexe, d'une telle chaudière d'appoint, au moyen d'un agencement simple et souple. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que pendant au moins une phase de fonctionnement de ladite unité industrielle, on entraîne la machine de compression en utilisant un moteur électrique. 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 la turbine à vapeur ; - en régime établi, le moteur électrique fournit une énergie d'appoint, notamment minoritaire, pour l'entraînement de la machine de compression ; - en régime établi, le moteur électrique fonctionne en alternateur et fournit de l'énergie électrique au réseau et 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. 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 une turbine à vapeur, 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 qu'elle comprend en outre un moteur électrique relié au réseau et couplé à l'arbre d'entraînement de la machine de compression. Suivant d'autres caractéristiques de cette installation : - l'installation comprend des moyens d'accouplement et de désaccouplement de la turbine à vapeur et de la machine de compression ; - l'installation comprend des moyens d'accouplement et de désaccouplement du moteur électrique et de la machine de compression ; - la machine de compression est un compresseur principal d'air de l'unité de distillation d'air ; - l'installation comprend au moins une seconde machine de compression couplée au même arbre que le compresseur principal d'air ; - la seconde machine de compression est un autre compresseur de gaz, notamment un surpresseur d'air, de l'unité de distillation d'air ; et - la turbine à vapeur est adjacente au compresseur principal d'air. 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 2 et 3 sont des vues analogues partielles de deux variantes. L'installation combinée représentée sur la Figure 1 est constituée d'une part d'une unité GTL 1 qui produit de la vapeur d'eau 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 un compresseur principal d'air 7 (ou, en variante, plusieurs compresseurs en parallèle), un surpresseur d'air 8 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 d'une part à une turbine à vapeur 13, via un dispositif d'accouplement désaccoupable 14, et d'autre part à un moteur électrique 15 relié au réseau 16. 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 17, 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 18 à air ou à eau, épuré en eau et en C02 dans un appareil d'épuration par adsorption 19, 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. Pour le démarrage de l'installation, c'est le moteur 15 qui entraîne les compresseurs 7 et 8. Au fur et à mesure de l'augmentation du débit de vapeur dans la ligne 2, l'énergie produite par la détente de cette vapeur dans la turbine 13 se substitue à l'énergie électrique, jusqu'à ce que le régime de l'unité 1 soit stabilisé. Si le débit de vapeur produit par l'unité 1 correspond alors exactement aux besoins d'énergie des deux compresseurs, le moteur 15 est coupé. Si ce débit de vapeur est insuffisant, le moteur 15 fournit l'énergie manquante s'il est excédentaire, le moteur 15 fonctionne en alternateur et produit de l'énergie électrique exportée vers le réseau 16. Le dispositif d'accouplement 14 permet de procéder à la maintenance de la turbine 13 sans interrompre le fonctionnement de l'installation, la totalité de l'énergie de compression étant alors fournie par le moteur 15. L'installation de la Figure 2 ne diffère de celle de la Figure 1 que par l'interversion des positions de la turbine à vapeur et du moteur électrique. Comme représenté sur les Figures 1 et 2, l'arbre 12 peut être couplé au moteur 15 via un dispositif d'accouplement désaccouplable 20. Ce dispositif 20 permet de procéder à la maintenance du moteur 15 sans interrompre le fonctionnement de l'installation, la totalité de l'énergie étant alors fournie par la turbine 13. L'installation de la Figure 3 ne diffère de celle de la Figure 2 que par le fait que le moteur électrique est monté entre les deux machines de compression 7 et 8. Il comporte alors deux bouts d'arbre de sortie dont chacun est couplé à l'une des deux machines. Comme on le comprend, en fonction des types de machines de compression, il peut être nécessaire d'interposer des boîtes de vitesse entre les organes d'entraînement 13 et/ou 15 et les arbres de ces machines. 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 l'énergie électrique du moteur 15. Le rapport des énergies motrices est par exemple 30%-70%. Puis la proportion de l'énergie électrique baisse progressivement, jusqu'au régime établi, où elle est minoritaire, notamment inférieure à 30% et, de préférence encore, inférieure à 10%, voire nulle. 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 une turbine à vapeur (13) alimentée par de la vapeur d'eau provenant de ladite unité industrielle (1), caractérisé en ce que pendant au moins une phase de fonctionnement de ladite unité industrielle (1), on entraîne la machine de compression (7,8) en utilisant un moteur électrique (15). 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 la turbine à vapeur (13). 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, en régime établi, le moteur électrique (15) fournit une énergie d'appoint, notamment minoritaire, pour l'entraînement de la machine de compression (7,8). 5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, en régime établi, le moteur électrique (15) fonctionne en alternateur et fournit de l'énergie électrique au réseau (16). 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, 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). 7. 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 (7,8) reliée à une turbine à vapeur (3), 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 la turbine à vapeur (13), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un moteur électrique (15) relié au réseau (16) et couplé à l'arbre d'entraînement de la machine de compression (7,8). 8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (14) d'accouplement et de désaccouplement de la turbine à vapeur (13) et de la machine de compression (7,8). 9. Installation suivant la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (20) d'accouplement et de désaccouplement du moteur électrique (15) et de la machine de compression (7,8). 10. Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que la machine de compression (7) est un compresseur principal d'air de l'unité de distillation d'air (3). 11. Installation suivant la revendication 10, 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). 12. Installation suivant la revendication 11, 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). 13. Installation suivant la revendication 12, caractérisée en ce que la turbine à vapeur (13) est adjacente au compresseur principal d'air (7).