Brevet FR2841963A1 — publié le 20040109

La présente invention concerne un procédé de régulation en pression d'un réservoir de fluide cryogénique raccordé à une installation consommatrice de ce fluide, lequel réservoir contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, un fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir, ce réservoir étant adapté pour alimenter l'installation consommatrice en liquide soutiré au fond du réservoir, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide. Elle concerne également un tel réservoir. L'invention s'applique tout particulièrement à des réservoirs dits " à basse pression de stockage ", c'est-à-dire dont la pression maximale atteinte au sommet du réservoir est en général inférieure à environ 4 bars, la pression indiquée ici et les pressions indiquées par la suite étant en bars absolus. De tels réservoirs sont couramment utilisés pour stocker un fluide cryogénique, c'est-à-dire un fluide qui, à la pression atmosphérique est liquide à une température très inférieure à 00C. Ils sont raccordés à au moins une installation consommatrice, telle qu'un tunnel de surgélation de produits alimentaires. La pression de stockage du réservoir étant supérieure à la pression atmosphérique, l'ouverture d'une vanne placée sur la conduite de raccordement du réservoir à l'installation consommatrice provoque le déplacement du liquide de son point de puisage à son point d'utilisation, sans moyen d'entraînement forcé et malgré les pertes de charge. Pour s'assurer que l'entraînement du liquide cryogénique est toujours effectif quel que soit le niveau de liquide dans le réservoir, on régule classiquement la pression du gaz au sommet du réservoir de façon à ce que cette pression reste sensiblement égale à une valeur prédéterminée, fixe, généralement de l'ordre de 2 à 3 bars. Cependant, la pression du liquide au fond du réservoir varie en fonction de la hauteur du liquide à l'intérieur du réservoir, de sorte que, au fur et à mesure que le niveau de liquide baisse, la pression du liquide soutiré baisse et tend à se rapprocher de la pression du gaz au sommet. Par exemple, pour de l'azote, une hauteur de liquide de 10 mètres environ implique un différentiel de pression de l'ordre de 0,6 bar entre la pression de gaz au sommet et la pression de liquide au fond du réservoir, au niveau du puisage. Cette variation de pression du liquide au point de puisage conduit nécessairement à une variation du débit de liquide soutiré, entraînant des perturbations de fonctionnement pour l'installation consommatrice située en aval. Un effet symétrique se produit lors du re- approvisionnement du réservoir en fluide. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de régulation qui garantisse un débit de puisage au fond du réservoir sensiblement constant et qui, plus généralement, améliore les performances de stockage, d'approvisionnement et de soutirage du réservoir de fluide cryogénique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de régulation en pression d'un réservoir de fluide cryogénique tel que défini ci-dessus, dans lequel on fait varier la pression du gaz au sommet du réservoir selon l'état de fonctionnement de ce réservoir. Comme développé plus précisément ci-dessous, on doit entendre par " état de fonctionnement " du réservoir les différentes phases qu'il traverse lors de son utilisation: tirage de liquide entraînant une baisse de niveau, réapprovisionnement du réservoir entraînant une remontée de niveau, ou encore phases de stand-by de l'installation consommatrice o le réservoir est donc au repos. Suivant d'autres caractéristiques de ce procédé, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - lorsque le niveau du liquide varie à l'intérieur du réservoir, on maintient la pression du liquide au fond du réservoir à une valeur prédéterminée constante, en faisant varier la pression du gaz au sommet du réservoir; - la pression du liquide maintenue à ladite valeur prédéterminée est mesurée au point de puisage du liquide vers l'installation consommatrice; - la pression du liquide maintenue à ladite valeur prédéterminée est mesurée au point d'altitude la plus haute le long d'une ligne de raccordement du réservoir à l'installation consommatrice; - lorsqu'on soutire du liquide depuis le réservoir et que le niveau de liquide baisse, on vaporise du liquide prélevé au fond du réservoir pour former du gaz envoyé au sommet dudit réservoir; - lorsqu'on approvisionne le réservoir en fluide et que le niveau de liquide monte, on évacue à l'extérieur du réservoir au moins une partie du gaz situé au sommet dudit réservoir; - le fluide d'approvisionnement est introduit au fond du réservoir, à l'état liquide; - lorsque le réservoir n'alimente pas l'installation consommatrice, on abaisse la pression du gaz au sommet du réservoir jusqu'à sensiblement la pression atmosphérique; et - la pression de stockage du réservoir est inférieure à 4 bars. L'invention a également pour objet un réservoir de liquide cryogénique, du type contenant, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, un fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet dudit réservoir, ce réservoir comportant des moyens de raccordement à une installation consommatrice du fluide contenu dans le réservoir, et des moyens d'approvisionnement depuis l'extérieur en ledit fluide, ledit réservoir comportant à la fois des moyens de mise sous pression du gaz au sommet du réservoir, des moyens d'évacuation vers l'extérieur dudit gaz, et une unité de commande desdits moyens de mise sous pression et d'évacuation selon l'état de fonctionnement de ce réservoir. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique qui est une vue schématique d'un réservoir suivant l'invention. Sur la figure unique est représenté un réservoir d'azote 1, contenant de l'azote liquide au fond, appelé également " cuve ", et de l'azote gazeux sous une pression d'environ 2 bars au sommet, appelé également " tête ". Le niveau de liquide à l'intérieur du réservoir est repéré par la référence N. Le fond du réservoir 1 est raccordé à une installation consommatrice 2, par exemple un tunnel de surgélation, via une conduite de raccordement 3 pourvue d'une vanne de fermeture 4. Le point de raccordement de la conduite 3 au réservoir 1, qui est noté P, est couramment appelé " point de puisage ". Le réservoir 1 comporte des moyens 5 de mise sous pression du gaz au sommet du réservoir. Ces moyens 5 comportent une ligne 6 reliant le fond du réservoir à son sommet, et est pourvue, d'amont en aval, d'un appareil 7 de mesure de la pression de l'azote liquide, par exemple un manomètre, d'une vanne de fermeture 8 (préférentiellement une électrovanne) et d'un vaporiseur 9. Le réservoir 1 comporte également des moyens 10 de mise à l'air du gaz au sommet du réservoir. Ces moyens 10 comportent une ligne 11 d'évacuation vers l'extérieur, pourvue d'amont en aval d'un manomètre 12, d'une vanne de fermeture 13 et éventuellement d'un organe d'échappement à l'air non représenté, couramment appelé " silencieux ". Une unité 15, assurant la commande des moyens 5 de mise sous pression du sommet, ainsi que des moyens 10 de mise à l'air du sommet est reliée, par exemple par des liaisons électriques, d'une part aux appareils de mesure de pression 7 et 12, et d'autre part aux vannes 8 et 13. L'unité de commande 15 est de la sorte adaptée, d'une part, pour connaître, de façon continue ou à intervalles réguliers, la pression d'azote liquide au fond du réservoir 1 et d'azote gazeux au sommet de ce réservoir et, d'autre part, pour comparer la valeur de la pression au fond à une valeur prédéterminée choisie, modifiable par l'utilisateur. L'unité 15 est également à même de commander l'ouverture, totale ou partielle, ainsi que la fermeture des vannes 8 et 13 de façon à réguler les pressions du fond et du sommet du réservoir 1, comme il sera expliqué en détail plus loin. Des moyens 16 d'approvisionnement en azote sont également prévus, de façon à régulièrement, éventuellement continment, alimenter en azote liquide le réservoir 1. De façon classique, ces moyens 16 comportent une conduite 17 d'alimentation par le fond du réservoir 1 permettant un remplissage dit " en source ", et éventuellement une conduite 18 d'alimentation par le sommet du réservoir permettant un remplissage dit " en pluie ". Le réservoir 1 comporte également un organe de trop-plein 19 connu en soi, destiné à limiter la hauteur du liquide à l'intérieur du réservoir. Sur la figure unique, le niveau du liquide N est représenté à son maximum. On a illustré sur cette figure l'exemple d'un réservoir de 50000 litres, donnant lieu à une hauteur N d'environ 10 mètres, ce qui crée dans un tel cas un différentiel de pression entre le sommet et le fond du réservoir d'environ 0,6 bar. Le fonctionnement du réservoir 1, dont la pression est régulée suivant l'invention, est le suivant: On considère qu'à l'instant initial du fonctionnement du réservoir 1, ce dernier est dans l'état décrit ci-dessus, c'est-à-dire que la pression de gaz au sommet vaut sensiblement 2 bars et que la pression de liquide au niveau du point de puisage P vaut environ 2,6 bars. De plus, la valeur prédéterminée de pression mémorisée dans l'unité de commande 15 est choisie sensiblement égale à 2,6 bars. Lorsque l'installation 2 est alimentée en azote liquide par le réservoir 1, le niveau de liquide N à l'intérieur du réservoir baisse, entraînant une diminution de la hauteur d'azote liquide au-dessus du point de puisage P, et donc une diminution de la pression de liquide correspondante. Mesurée par l'appareil 7, cette pression de liquide devient inférieure à la valeur prédéterminée mémorisée dans l'unité 15 qui commande alors l'ouverture de la vanne 8 et ainsi l'alimentation en azote liquide du vaporiseur 9. L'azote liquide vaporisé forme un gaz acheminé au sommet du réservoir 1, augmentant alors sa pression. Cette augmentation de pression de gaz au sommet se répercute sur la pression de liquide au fond du réservoir, jusqu'à ce que cette pression atteigne la valeur prédéterminée précitée. De la sorte, l'unité de commande 15 maintient sensiblement constante la pression de liquide au point de puisage P, pendant toute la période de soutirage d'azote. Le débit de la ligne 3 de raccordement à l'installation consommatrice 2 reste ainsi sensiblement constant, limitant les perturbations de fonctionnement de cette installation 2. Lorsque le réservoir 1 est approvisionné (ou réapprovisionné) en azote liquide, par exemple par un remplissage en source, le niveau de liquide à l'intérieur du réservoir 1 augmente, entraînant une augmentation correspondante de la pression de gaz au sommet du réservoir. L'unité 15 détecte, par l'intermédiaire des mesures du manomètre 7, une augmentation de pression, et commande alors l'ouverture de la vanne de mise à l'air 13, ce qui fait diminuer la pression de gaz au sommet et, par conséquent, celle de liquide au fond du réservoir. L'unité 15 maintient l'ouverture de la vanne 13 tant que la pression de liquide au fond du réservoir reste supérieure à la valeur prédéterminée précitée. La régulation du réservoir 1 est sensiblement analogue lorsque l'approvisionnement en azote liquide est effectuée par le sommet. Le remplissage en source est cependant préféré au remplissage en pluie, ce dernier tendant d'une part à diminuer de manière plus importante la pression de gaz, et d'autre part à échauffer le liquide. Avantageusement, l'unité de commande 15 est adaptée pour améliorer les capacités de conservation des frigories du liquide stocké. Pour ce faire, lorsque le récipient 1 n'est pas sollicité en soutirage et ne le sera pas a priori pendant une durée de plusieurs heures (par exemple la nuit), l'unité 15 commande l'ouverture totale de la vanne de mise à l'air 13. La pression de gaz au sommet du réservoir passe alors d'une valeur de stockage d'environ 2 bars à sensiblement la pression atmosphérique (pression résiduelle de quelques centaines de grammes). Dans cet état, le réservoir 1 n'est plus à même d'alimenter l'installation 2, le déplacement du fluide à l'intérieur de la conduite 3 n'étant plus assuré. Cependant, en abaissant de la sorte la pression de stockage de l'azote, l'enthalpie de ce dernier tend à augmenter, ce qui revient à disposer d'un fluide de température plus basse que lorsqu'il était sous pression. Le fluide ainsi stocké durant ces périodes de non-utilisation du réservoir 1 présente donc une température plus basse qu'à l'ordinaire, garantissant une meilleure " qualité cryogénique " (en terme de frigories disponibles). Lorsque la période de non-utilisation du réservoir se termine, l'unité 15 commande la remise sous pression du sommet du réservoir, via les moyens 5, jusqu'à ce que la pression de liquide au fond du réservoir atteigne la valeur prédéterminée précitée. En faisant varier la pression du gaz au sommet du réservoir selon l'état de fonctionnement de ce réservoir, c'est-à-dire notamment selon que du liquide soit effectivement soutiré ou non et/ou selon que le réservoir est en cours d'approvisionnement, le procédé de régulation selon l'invention permet ainsi d'améliorer les performances de stockage, d'approvisionnement et de soutirage. En variante au procédé de régulation selon l'invention, la mesure de la pression de liquide n'est pas effectuée, comme précédemment, sensiblement au niveau du point de puisage du liquide, mais est réalisée au niveau du point d'altitude la plus haute le long de la ligne 3 de raccordement entre le réservoir 1 et l'installation consommatrice 2. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation en pression d'un réservoir (1) de fluide cryogénique raccordé à une installation (2) consommatrice de ce fluide, lequel réservoir contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, un fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir, ledit réservoir (1) étant adapté pour alimenter l'installation consommatrice (2) en liquide soutiré au fond du réservoir, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide, caractérisé en ce qu'on fait varier la pression du gaz au sommet du réservoir (1) selon l'état de fonctionnement de ce réservoir. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque le niveau (N) du liquide varie à l'intérieur du réservoir (1), on maintient la pression du liquide au fond du réservoir à une valeur prédéterminée constante, en faisant varier la pression du gaz au sommet du réservoir. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la pression du liquide maintenue à ladite valeur prédéterminée est mesurée au point de puisage (P) du liquide vers l'installation consommatrice (2). 4. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la pression du liquide maintenue à ladite valeur prédéterminée est mesurée au point d'altitude la plus haute le long d'une ligne (3) de raccordement du réservoir (1) à l'installation consommatrice (2). 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que, lorsqu'on soutire du liquide depuis le réservoir (1) et que le niveau de liquide (N) baisse, on vaporise du liquide prélevé au fond du réservoir pour former du gaz envoyé au sommet dudit réservoir. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que, lorsqu'on approvisionne le réservoir (1) en fluide et que le niveau de liquide (N) monte, on évacue à l'extérieur du réservoir au moins une partie du gaz au sommet dudit réservoir. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le fluide d'approvisionnement est introduit au fond du réservoir (1), à l'état liquide. 8. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque le réservoir (1) n'alimente pas l'installation consommatrice (2), on abaisse la pression du gaz au sommet du réservoir jusqu'à sensiblement la pression atmosphérique. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression de stockage du réservoir (1) est inférieure à 4 bars. 10. Réservoir (1) de fluide cryogénique, du type contenant, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, un fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet dudit réservoir, ce réservoir comportant des moyens (3) de raccordement à une installation (2) consommatrice du fluide contenu dans le réservoir, et des moyens (16) d'approvisionnement depuis l'extérieur en ledit fluide, caractérisé en ce qu'il comporte à la fois des moyens (5) de mise sous pression du gaz au sommet du réservoir (1), des moyens (10) d'évacuation vers l'extérieur dudit gaz, et une unité 15 de commande desdits moyens de mise sous pression (5) et d'évacuation (10) selon l'état de fonctionnement du réservoir.