Brevet FR2916522A1 — publié le 20081128

SYSTEME DE RECHAUFFAGE DU GAZ NATUREL DANS UNE CONDUITE ET POSTE DE DETENTE EQUIPE D'UN TEL SYSTEME. L'invention concerne un système de réchauffage du gaz naturel dans une conduite. L'invention s'applique à toute installation de gaz naturel dans laquelle le gaz passe d'une haute à une basse pression. L'invention s'applique tout particulièrement à un poste de détente. Le transport du gaz naturel se fait sous haute pression H.P. Le gaz est compressé afin d'occuper le moins de volume possible pour faciliter son transport. A l'intérieur des gazoducs, on augmente la pression pour diminuer le volume du gaz. Ainsi, le réseau de transport comporte de nombreuses canalisations sous H.P. Cependant le gaz circule en basse pression dans les réseaux de distribution afin de permettre son utilisation par les consommateurs. Les postes de détente de gaz naturel sont des installations qui permettent d'abaisser la pression du gaz dans les conduites pour l'alimentation en gaz d'un réseau de distribution. L'abaissement de la pression est réalisé par détente du gaz à travers un détendeur placé sur la conduite d'arrivée du gaz haute pression. La détente du gaz provoque un abaissement de sa température, cet abaissement de température conduit à des températures inférieures à 0 C. Par exemple, le gaz soumis à une pression de 40 bar est détendu pour être à une pression de 4 bar et sa température de 5 C passerait en l'absence de réchauffage à -13 C. Pour empêcher que le gaz soit à une température négative, le gaz est réchauffé en amont du détendeur. Ref : 0242-CITBA La solution retenue et utilisée couramment car elle répond aux contraintes relatives aux rejets de gaz toxiques et aux zones ATEX (zone à risques d'explosion) est un réchauffeur électrique. Le réchauffeur électrique est un thermoplongeur placé dans la conduite de gaz en amont du détendeur. Le fonctionnement du thermoplongeur est piloté par une armoire de commande afin d'obtenir une régulation de la température. Sans pilotage du réchauffeur, ce dernier fonctionnerait en permanence et la température du gaz pourrait atteindre localement 100 C. La commande du réchauffeur est prévue pour obtenir une régulation de la température de manière à ce que la température du gaz ne dépasse pas 50 C. Cette solution présente cependant deux inconvénients majeurs. Le premier est le coût élevé de la consommation électrique du système. Le deuxième est la complexité de l'armoire de commande électrique permettant de piloter la régulation de la température de chauffage. La présente invention apporte une solution à ces deux problèmes En effet, le système proposé par la présente invention a une consommation électrique inférieure de 70% à celle du système électrique classique pour une puissance restituée similaire. En outre le contrôle de la température ne nécessite aucune armoire de commande et par conséquent pas de compétence particulière pour l'utilisation et la maintenance. Le système de réchauffage de gaz naturel proposé est nouveau en ce qu'il comprend une pompe à chaleur. Les économies d'énergie sont certaines et la régulation de la température de chauffage est extrêmement simple. Cependant l'utilisation d'une pompe à chaleur pour réchauffer du gaz naturel d'une conduite de gaz telle que par exemple dans un poste de détente, n'est pas une solution évidente car les pompes à chaleur sont utilisées pour le chauffage à usage domestique et non industriel. Ref : 0242-CITBA Il y a un préjugé à vaincre dans l'utilisation d'une pompe à chaleur qui est d'autant plus fort si l'on veut utiliser une pompe à chaleur du commerce. Il y a aussi un obstacle à surmonter d'autant plus difficile qu'il s'agit de réchauffer des conduites de gaz naturel et que les contraintes liées aux règles de sécurité sont très sévères. De façon pratique, il est nécessaire de mettre en oeuvre un échange thermique entre la conduite de gaz et la pompe à chaleur. Or le couplage permettant cet échange ne doit pas modifier le circuit du gaz et son débit et doit respecter les contraintes liées aux règles de sécurité. En outre les coûts d'installation ne doivent pas faire perdre le bénéfice des économies d'énergie réalisées avec l'utilisation d'une pompe à chaleur. A cette fin la présente invention a pour objet un système de réchauffage du gaz naturel soumis à une baisse de pression dans une conduite principalement caractérisé en ce qu'il comprend une pompe à chaleur dans laquelle circule un premier fluide comportant un premier échangeur dans lequel circule un deuxième fluide, ledit fluide étant destiné à être réchauffé par le premier fluide ; le système comprenant également un circuit de transport du deuxième fluide et un deuxième échangeur couplé à une conduite de gaz, cet échangeur étant relié au premier échangeur par le circuit de transport du deuxième fluide de sorte que ce deuxième fluide circule dans le deuxième échangeur et réchauffe le gaz circulant dans la conduite. Pour ne pas que le gaz atteigne des températures négatives (en degrés Celsius) à aucun moment, le deuxième échangeur est couplé à la conduite de gaz avant la baisse de pression exercée sur le gaz, la température du gaz est ainsi élevée avant même qu'elle ne chute sans toutefois dépasser 45 à 50 C avant détente. Le circuit de transport du deuxième fluide comprend des conduites reliant le premier et deuxième échangeur par leurs entrées sorties, de manière à établir un sens de circulation Ref : 0242-CITBA du deuxième fluide qui se réchauffe en absorbant de l'énergie calorifique dans le premier échangeur et qui se refroidit dans le deuxième échangeur en libérant son énergie calorifique au gaz de la conduite. Pour empêcher les pertes de chaleur du circuit de transport du deuxième fluide, les conduites du circuit sont recouvertes d'une gaine calorifuge. Le deuxième échangeur traversé par la conduite de gaz et recouvert d'une coque calorifugée. Le circuit de transport a une longueur L déterminée de manière à ce que la distance LS entre les entrées et sorties du circuit et les entrées et sorties du deuxième échangeur soit supérieure ou égale à une valeur prédéterminée. Afin de piloter le réglage de la pompe à chaleur et maintenir une température Tx du gaz positive après baisse de la pression, le système comporte une sonde de mesure de la température du gaz placée dans la conduite avant ou après baisse de la pression du gaz, ladite sonde étant reliée à la pompe à chaleur. L'invention s'applique à un poste de détente de gaz naturel. Le poste comprend sur une conduite d'arrivée de gaz un détendeur abaissant la pression du gaz à une valeur fixée, l'échangeur du système étant placé en amont du détendeur pour empêcher que la température Tx soit négative, à la sortie du détendeur. Dans l'exemple de réalisation, le circuit de transport a une longueur prédéterminée permettant de déporter la pompe à chaleur à une distance LS respectant les règles de sécurité réglementaires. A titre d'exemple la longueur LS est d'au moins 3 mètres. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui Ref : 0242-CITBA est faite ci-après et qui est donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et en regard des figures sur lesquelles : La figure 1 représente un schéma de principe du système de chauffage selon la présente invention ; La figure 2 représente le schéma d'une coupe de la tubulure du circuit 10 ; La figure 3 représente le schéma du deuxième échangeur ; La figure 4 représente le schéma de l'échangeur vu en coupe. Le système proposé comporte une pompe à chaleur 1 de type classique que l'on trouve dans le commerce. Cette pompe 1 comporte de façon connue, un échangeur de chaleur évaporateur 2 ; un échangeur de chaleur condenseur 3 et un circuit 4 dans lequel circule un fluide frigorigène 7. Le circuit comprend un détenteur 5 et un compresseur 6. Le circuit est fermé de sorte que le liquide 7 du circuit 4 circule dans le sens indiqué par les flèches : condenseur 3, détendeur 5 évaporateur 2, compresseur 6 et condenseur 3. Sur son parcourt, le fluide frigorigène 7 constitué par exemple par un mélange R407C sous haute pression P1, passe dans le détendeur 5, sa pression diminue et passe à une valeur P2. Le fluide 7 se vaporise, lorsque le fluide passe dans l'évaporateur, il se trouve en contact avec l'air extérieur constituant une source froide, dont la température et néanmoins plus élevée que celle du liquide 7. Le fluide 7 absorbe la chaleur de cet air plus chaud et s'évapore complètement à température et pression constantes. La vapeur toujours à basse pression P2 est ensuite comprimée dans le compresseur 6 et ressort à l'état de vapeur chaude à la même haute pression P1. Cette vapeur se condense au contact d'une paroi froide de l'échangeur 3 contre laquelle circule un fluide 8 utilisé dans le système 1 comme fluide de réchauffage pour le gaz naturel. Ref : 0242-CITBA Le fluide 8 reçoit de l'énergie thermique libérée par la vapeur chaude qui se condense sous pression P1. Le liquide sortant du condenseur passe à nouveau par le détendeur et le cycle se poursuit. L'échangeur 3 constitue une source chaude. Le fluide 8 est un fluide intermédiaire utilisé pour transmettre la chaleur fournie par cette source chaude au gaz passant dans la conduite de gaz 10 avant détente de ce dernier, de manière à ce que sa température soit supérieure ou égale à 1 C après son passage dans un détendeur 50. A titre d'exemple le fluide 8 est un liquide tel que de l'eau glycolée ou de l'eau déminéralisée. La température TX du gaz de la conduite est de 5 C sous une pression X de 40bar et passerait -13 C en passant à une pression x de 4bar après passage dans le détendeur 50. Avec le système de réchauffage 1 selon l'invention, dans l'exemple particulier de réalisation, la température TX du gaz augmente en sortie de l'échangeur et est supérieure à 23 C avant le détendeur 50 de manière à rester à une température Tx supérieure à 0 C en sortie du détenteur 50. Cette température Tx est de façon pratique maintenue à environ 1 C. Une sonde de température 51 est placée dans la conduite, après détente du gaz dans l'exemple illustré par la figure 1. Cette sonde 51 permet de contrôler la température Tx. La sonde 51 est reliée à la pompe à chaleur pour piloter les pressions du fluide frigorigène du circuit de la pompe à chaleur 1. Ce pilotage est classique pour une pompe à chaleur, il permet ici de réguler la température de consigne de l'échangeur 3 afin de maintenir la température Tx désirée. Le fluide 8 est acheminé par un circuit 20 vers un échangeur de chaleur 40, couplé à la conduite de gaz 10 afin de transmettre les calories au gaz de la conduite. Le circuit 20 comporte un chemin de circulation Cl permettant au fluide de chauffage 8 du gaz d'aller de la Ref : 0242-CITBA source chaude 30 de la pompe vers l'entrée de l'échangeur 40 et de la sortie de l'échangeur 40 vers la source chaude 30. Dans l'échangeur 40 le fluide chaud 8 circule et ses calories sont absorbées par le gaz plus froid de la conduite 10. La température du gaz augmente de manière à atteindre la température prévue. A cette fin, le circuit de circulation 20 du fluide 8 comprend une tubulure 21 couplée par une extrémité à la sortie du fluide chaud 8 de l'échangeur 3 de la pompe à chaleur et couplée par l'autre extrémité, à l'entrée de l'échangeur 40 couplé à la conduite de gaz 10. Ce circuit 20 comprend une autre tubulure 22 couplée par une extrémité à la sortie de l'échangeur 40 couplé à la conduite 10 et par l'autre extrémité, à l'entrée de l'échangeur 3 de la source chaude 30. Un fluide 8 circule dans ce circuit 20 et passe dans les deux échangeurs 3, 40, absorbe des calories dans l'échangeur de la source chaude et perd des calories au contact du gaz froid. En effet, la circulation du fluide 8 dans l'échangeur 40 permet au gaz froid d'absorber des calories du fluide 8 et de se réchauffer. Pour éviter des pertes de calorie dans le circuit 20, les tubulures 21, 22 sont recouvertes d'une gaine calorifugée 23 comme on peut le voir sur la coupe de la figure 2. Le circuit 20 permet de réaliser un couplage entre la pompe à chaleur et l'échangeur 40 couplé à la conduite de gaz sans imposer de changement pour une pompe à chaleur existante et pour le poste de détente. En outre, le circuit 20 permet de déporter la pompe à chaleur des conduites de gaz ce qui permet de résoudre les problèmes liés au respect des règles de sécurité. La pompe à chaleur utilisée peut être une pompe à chaleur du commerce. Le circuit 20 a une longueur d prédéterminée de manière à répondre aux règles Ref : 0242-CITBA 15 imposées pour le poste de détente dans lequel il est installé. L'échangeur 40 est représenté de manière plus détaillée sur les figures 3 et 4. L'échangeur 40 comporte des tubes 43 formant un chemin de circulation pour le fluide 8 qui arrive par l'entrée 41 et après passage dans les tubes, ressort par la sortie 42. Le fluide circule sous une pression P3 déterminée, en circuit fermé, de l'échangeur 3 à l'échangeur 40 en 10 empruntant le circuit 20. Le fluide 8 est un liquide tel que, à titre d'exemple, de l'eau glycolée. La pression de l'eau glycolée est de 1,5 bar et sa température de consigne est de 38,5 C. Ref : 0242-CITBA REVENDICATIONS 1. Système de réchauffage du gaz naturel soumis à une baisse de pression dans une conduite, ledit système comprenant une pompe à chaleur (1) dans laquelle circule un premier fluide (7), la pompe à chaleur comportant un premier échangeur ( 30) dans lequel circule un deuxième fluide (8), ledit fluide étant destiné à être réchauffé par le premier fluide; le système comprenant également un circuit de transport (20) du deuxième fluide (8) et un deuxième échangeur (40) couplé à une conduite de gaz (10), cet échangeur (40) étant relié au premier échangeur (30) par le circuit de transport (20) du deuxième fluide de sorte que ce deuxième fluide circule dans le deuxième échangeur et réchauffe le gaz circulant dans la conduite. 2. Système de réchauffage du gaz naturel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième échangeur (40) est couplé à la conduite de gaz avant la baisse de pression exercée sur le gaz. 3. Système de réchauffage du gaz naturel selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de transport (20) du deuxième fluide comprend des conduites reliant le premier et deuxième échangeur par leurs entrées sorties, de manière à établir un sens de circulation du deuxième fluide qui se réchauffe en absorbant de l'énergie calorifique dans le premier échangeur et qui se refroidit dans le deuxième échangeur en libérant son énergie calorifique au gaz de la conduite. 4. Système de réchauffage du gaz naturel selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de transport a une longueur L déterminée de manière à ce que la Ref : 0242-CITBA 10 distance LS entre les entrées et sorties du circuit et les entrées et sorties du deuxième échangeur soit supérieure ou égale à une valeur prédéterminée. 5. Système de réchauffage du gaz naturel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde (51) de mesure de la température du gaz placée dans la conduite avant ou après baisse de la pression du gaz, ladite sonde étant reliée à la pompe à chaleur afin de piloter le réglage de la pompe à chaleur et maintenir une température Tx du gaz après baisse de la pression positive. 6. Système de réchauffage du gaz naturel selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que les conduites du circuit de transport du deuxième fluide sont recouvertes d'une gaine calorifuge. 7. Système de réchauffage du gaz naturel selon la 20 revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième échangeur est recouvert d'une coque calorifuge. 8. Poste de détente de gaz naturel, caractérisé en ce qu'il comprend un système de réchauffage du gaz selon l'une 25 quelconque des revendications précédentes. 9. Poste de détente de gaz naturel selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend sur une conduite d'arrivée de gaz un détendeur abaissant la pression 30 du gaz à une valeur fixée, et en ce que l'échangeur du système de réchauffage est placé en amont du détendeur pour empêcher que la température Tx soit négative à la sortie du détendeur. Ref : 0242-CITBA 11 10. Poste de détente de gaz naturel selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de transport (20) a une longueur prédéterminée permettant de déporter la pompe à chaleur à une distance LS respectant les règles de sécurité réglementaires. Ref : 0242-CITBA