Brevet FR2931213A1 — publié le 20091120

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de pompage d'un fluide cryogénique. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de pompage d'un fluide cryogénique, comprenant un réservoir de stockage d'un fluide cryogénique contenant du liquide cryogénique, une pompe cryogénique présentant une perte (NPSH) de charge d'entrée, une ligne d'aspiration reliant le réservoir à la pompe, le dispositif de pompage comprenant un système de contrôle de la pression dans le réservoir pour sélectivement maintenir la pression dans le réservoir au moins égale à la pression de saturation du fluide cryogénique stocké augmentée de la perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe cryogénique et augmentée éventuellement également de la valeur des pertes de charge dues à la tuyauterie de la ligne d'aspiration reliant le réservoir à la pompe. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine du pompage de fluides cryogéniques peu denses comprenant des gaz 15 tels que de l'hydrogène ou de l'hélium, ainsi que leurs isotopes. La compression d'hydrogène liquide permet de diminuer les coûts de compression par rapport à une compression d'hydrogène gazeux étant donné qu'il est plus facile de comprimer un volume de liquide incompressible qu'un volume de gaz. 20 La génération de cette haute pression est extrêmement coûteuse en termes d'énergie de compression. De plus, les pertes par évaporation d'hydrogène liquide dans une pompe peuvent aussi être importantes dans le cas ou la pompe n'est pas utilisée de façon optimale. La réduction des pertes (frottement et gaz) est donc un point crucial pour optimiser les coûts d'obtention de l'hydrogène haute 25 pression. Un des problèmes des pompes cryogéniques en général, et des pompes hydrogène liquide en particulier, réside dans le fait que le fluide à pomper est très peu dense (70g/l à 1 bar). Il est donc difficile voir impossible de fournir à la pompe la pression en aspiration nécessaire par simple installation physique du réservoir 30 source en charge sur l'installation de pompage (pression hydrostatique). En effet, la pression en aspiration doit tenir compte de la perte de charge en entrée de la pompe (NPSH = � Net Positive Suction Head �, c'est-à-dire la différence de pression entre la pression de saturation du gaz à pomper et la pression d'aspiration du fluide nécessaire pour que la pompe fonctionne en phase liquide pure, sans cavitation). Par exemple, une pompe d'hydrogène liquide (LH2) à 700 bar possède une perte de charge � NPSH � d'environ 250 mbar, ce qui correspond à une hauteur d'hydrogène liquide de 35 m. Il est impossible de faire fonctionner la pompe avec un réservoir source installé en charge sur la pompe à une hauteur de 35m (même si c'était industriellement possible, les pertes de charge en lignes compenseraient l'installation en charge du réservoir). Une solution est donc de � sous refroidir � le liquide et aspirer ce liquide sous refroidi. Le sous refroidissement consiste à augmenter la pression d'un fluide à saturation, ou à diminuer sa température, a pression constante, sans attendre l'établissement d'un nouvelle équilibre liquide-vapeur. L'hydrogène sous pression est cependant moins dense que l'hydrogène à la pression atmosphérique. Par exemple, la densité de l'hydrogène saturé à 1 bar absolu est de 70 g/I alors qu'elle est de 56g/l à 7 bar absolu. Etant donné que les pompes hydrogène liquide sont des systèmes volumique, il est donc intéressant d'aspirer l'hydrogène le plus dense possible, donc saturé à la plus basse pression possible (le plus froid), ceci afin d'optimiser les quantités pompées. L'invention décrite ci dessous permet notamment d'utiliser une installation de pompage d'hydrogène liquide de façon continue à partir d'une source d'hydrogène en équilibre liquide-gaz à une pression faible (comprise entre 1 et 12 bar) et d'optimiser le fonctionnement d'une telle installation en permettant un fonctionnement en continu de la pompe tout en maximisant la densité de l'hydrogène pompé, donc en maximisant le débit pompé. Dans des solutions existantes, le réservoir est mis en pression par l'intermédiaire d'un thermosiphon (réchauffeur de mise en pression atmosphérique), ou directement par de l'hydrogène haute pression en bouteilles à température ambiante. Au cours du fonctionnement de ces systèmes connus, l'hydrogène à 30 température ambiante injecté dans le ciel du réservoir réchauffe peu à peu le liquide ce qui diminue le niveau disponible de sous refroidissement. Ceci augmente alors la pression de consigne du réservoir, ce qui a pour effet de diminuer le temps de pompage disponible avant l'atteinte de la pression maximale de fonctionnement du réservoir. Le document WO2005/085637A1, au nom de la Demanderesse, décrit notamment un système de pompage comprenant des moyens de contrôle de pression aptes à maintenir la pression dans la ligne d'aspiration de la pompe au plus égale à la pression de saturation du fluide cryogénique augmentée de la perte de charge d'entrée de la pompe cryogénique. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des 10 inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le système de contrôle de la pression comprend l'un au moins parmi : une conduite reliant une sortie haute pression de la pompe au réservoir pour réinjecter 15 sélectivement du fluide froid pompé dans le réservoir, une conduite reliant une source de gaz haute pression au réservoir via un organe de refroidissement du gaz, pour injecter sélectivement du gaz refroidi dans le réservoir. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 20 - le système de contrôle de la pression comprend une conduite reliant une sortie haute pression de la pompe au réservoir pour réinjecter du fluide pompé dans le réservoir pendant le fonctionnement de la pompe, et une conduite reliant une source de gaz haute pression au réservoir via un organe de refroidissement, pour injecter du gaz refroidi dans le réservoir notamment lorsque la pompe est 25 inactive, - la conduite reliant une sortie haute pression de la pompe au réservoir comprend un détendeur pour réinjecter du gaz froid dans le réservoir, - l'organe de refroidissement situé dans la conduite reliant la source de gaz haute pression au réservoir comprend un échangeur de chaleur apte à mettre 30 sélectivement en échange thermique le gaz provenant de la source de gaz haute pression avec le fluide cryogénique pompé du réservoir, - l'échangeur de chaleur comprend un accumulateur de frigories pour maintenir une puissance de refroidissement par inertie thermique entre deux utilisations de la pompe, - la source de gaz haute pression est reliée à une sortie haute pression de la pompe via l'un au moins parmi : une vanne, un détendeur, un réchauffeur, pour permettre le remplissage sélectif de ladite source par du fluide provenant réservoir, - le dispositif comporte une ligne d'évacuation du gaz généré par le fonctionnement de la pompe, ladite ligne d'évacuation du gaz reliant une sortie de 10 gaz de la pompe au réservoir ou à un stockage dégazeur distinct, - l'accumulateur de frigories comprend au moins l'un parmi : une masse d'aluminium, une masse d'eau glycolée, de cuivre ou d'alliage à base de plomb, - l'accumulateur de frigories de l'échangeur de chaleur a une capacité calorifique massique (densité*Capacité calorifique à Pression constante) comprise 15 entre 1400 et 4000 kJ.m-3.K-1 et une conductivité thermique comprise entre 30 et 400 W/m-K, - le système de contrôle de la pression comprend un capteur de pression et un capteur de température du fluide cryogénique dans le réservoir et/ou dans la ligne d'aspiration, reliés à une logique de calcul et de commande pour fournir les 20 signaux mesurés afin de commander l'injection de fluide dans le réservoir à partir de la pompe (3) (via la conduite 9) et/ou à partir de la source (16) de gaz haute pression (via la conduite 10, 9), - le dispositif comprend une ligne d'alimentation en gaz ayant une extrémité connectable à un utilisateur et une extrémité reliée à une sortie haute pression de 25 la pompe via au moins un réchauffeur et un détendeur, - le système de contrôle de la pression comprend au moins un bloc de calcul et de commande apte calculer, à partir de la température mesurée par ledit capteur de température, une valeur minimale de la pression mesurée par ledit capteur de pression égale la pression de saturation du liquide ladite température 30 augmentée de la perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe et des éventuelles pertes de charges dans la tuyauterie dans la ligne d'aspiration, - le réservoir est rempli de fluide cryogénique saturé avec sa vapeur, le fluide cryogénique est de préférence un fluide peu dense tel que de l'hydrogène ou de l'hélium, - le gaz de la source de gaz haute pression provient du réservoir. L'invention concerne également un procédé de pompage d'un fluide cryogénique d'un réservoir de fluide cryogénique comprenant du liquide cryogénique, le fluide étant pompé via une ligne d'aspiration comprenant une pompe cryogénique présentant une perte de charge d'entrée, le procédé comprenant une étape de contrôle de la pression dans le réservoir pour sélectivement maintenir la pression dans le réservoir et/ou dans la ligne d'aspiration au moins égale la pression de saturation du fluide cryogénique augmentée de la perte de charge d'entrée de la pompe cryogénique et augmentée éventuellement également de la valeur des pertes de charge dues à la tuyauterie de la ligne d'aspiration reliant le réservoir à la pompe. Selon une particularité avantageuse le procédé est caractérisé en ce que l'étape de contrôle de la pression dans le réservoir comprend une introduction de gaz dit froid dans le réservoir à une température inférieure à la température ambiante à l'extérieur du réservoir et de préférence comprise entre 40°K et 100°K et à une pression comprise entre 1 et 12 bar. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le gaz froid introduit dans le réservoir pour contrôler la pression dans le réservoir est fourni par l'une au moins parmi : une conduite reliant une sortie haute pression de la pompe au réservoir, une conduite reliant une source de gaz haute pression au réservoir via un organe de refroidissement du gaz, - l'introduction de gaz froid dans le réservoir est fourni sélectivement par une conduite reliant une sortie haute pression de la pompe au réservoir lorsque la pompe est en fonctionnement et par une conduite reliant une source de gaz haute pression au réservoir via un organe de refroidissement du gaz lorsque la pompe est arrêtée, - le gaz froid fourni par la conduite reliant une sortie haute pression de la pompe au réservoir est obtenu par détente du fluide provenant de la sortie haute pression de la pompe, et en ce que l'organe de refroidissement du gaz provenant de la source de gaz haute pression utilise des frigories du fluide pompé du réservoir. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue schématique illustrant la structure et le fonctionnement d'un dispositif de pompage d'un fluide cryogénique selon un premier exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue schématique illustrant la structure et le fonctionnement d'un dispositif de pompage d'un fluide cryogénique selon un second exemple de réalisation de l'invention. En se référant à présent à la figure 1, le dispositif comprend un réservoir 1 de fluide cryogénique (isolé sous vide) contenant un mélange liquide-gaz, par exemple à la température et une pression compris entre 1 et 12 bar abs. La température et la pression dans le réservoir 1 sont mesurés par des capteurs 101, 10 correspondants. La partie inférieure du réservoir 1 est reliée à l'entrée d'aspiration d'une pompe 3 cryogénique par une ligne 2 d'aspiration isolée sous vide et comprenant une ou plusieurs vannes d'isolation. La pompe 3 comprend une ligne 4 d'évacuation du gaz (produit par exemple échauffement/frottement) vers la partie supérieure du réservoir 1 et munie de vannes. La pompe est reliée à une ligne 5 de refoulement haute pression incorporant généralement un clapet de refoulement (sortie haute pression du fluide pompé). La ligne 5 de refoulement haute pression est reliée à une ligne 6 d'alimentation en hydrogène froid d'un l'échangeur 10 de préférence à grande inertie. En sortie de l'échangeur 10 le fluide transite dans une ligne 11 haute pression froide puis au travers d'un réchauffeur 12 atmosphérique (ou équivalent) haute pression jusqu'à une ligne 111 d'alimentation en gaz ayant une extrémité connectable à un utilisateur U (réservoir ou bouteille par exemple) via un régulateur 13 de pression. La ligne 5 isolée thermiquement de refoulement haute pression est reliée également à la partie supérieure du réservoir 1 via une conduite 9 de pressurisation du réservoir 1 par hydrogène refroidi issu de la pompe 3. La conduite 9 de pressurisation du réservoir 1 comprend un détendeur 99 et/ou une vanne de contrôle. L'extrémité supérieure du réservoir 1 est reliée à une vanne 20 de dépressurisation du réservoir (vers l'extérieur), par exemple via la conduite 9 de pressurisation. La conduite 9 de pressurisation est également reliée à une source 16 de gaz sous pression telle que des bouteilles 16 à température ambiante via une ligne 29 transitant par l'échangeur 10 à grande inertie (avec échange thermique) et comprenant une vanne 15 de contrôle (détendeur par exemple). La ligne 111 d'alimentation en gaz est également reliée à la source 6 de gaz à haute pression via un détendeur 14. Un bloc 18 de contrôle de la de la pression du réservoir 1 reçoit l'information de pression du capteur 100 de pression et pilote un sélecteur 17 qui actionne sélectivement le détendeur/vanne de contrôle 99 de la conduite 9 de pressurisation ainsi que la vanne 15 de contrôle de la ligne 29 reliée à la source 16 de gaz sous pression. Un bloc 19 de calcul détermine la pression de saturation dans le réservoir 1 en fonction de la température relevée par le clapet 101 et commande le bloc 19 de contrôle en fonction du résultat. Dans un exemple de fonctionnement possible avec un réservoir 1 d'hydrogène liquide sous refroidi, l'hydrogène à la pression, et à la température du réservoir 1 est fourni par le réservoir 1 à la pompe 3 par l'intermédiaire de la ligne 2 isolée sous vide. L'hydrogène est pompé par la pompe 3 et est évacué à haute pression (entre 200 et 850 bar par exemple) par la ligne 5 de refoulement vers l'échangeur 10 puis la ligne 11 haute pression froide. Le réchauffeur 12 augmente la température de l'hydrogène jusqu'à la température ambiante. Le détendeur 14 s'assure que les réservoirs 16 sont à une pression maximale. Le régulateur de pression amont 13 contrôle la pression dans la pompe. Selon l'invention, le système réalise un contrôle de la pression du réservoir 1. La pression de consigne du réservoir 1 est calculée par le bloc de calcul 19 pour que la pression dans le réservoir soit égale à la pression de saturation de l'hydrogène à la température relevée (101) additionnée de la perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe 3 et des pertes de charge dans la tuyauterie 2 d'aspiration 2. La valeur de la perte de charge (NPSH) est donnée par exemple par le fournisseur de la pompe 3. Le dispositif selon l'invention a la possibilité d'utiliser, pendant le fonctionnement de la pompe 3, de l'hydrogène provenant directement de la sortie 5 haute pression froide de la pompe 3 (par exemple de l'hydrogène à environ 70°K pour 450 bar de pression). Cet hydrogène fourni par la pompe 3 peut être détendu via la vanne 99 de la conduite 9 de pressurisation et réinjecté dans le réservoir 1 sous la forme de gaz et/ou liquide froid. Le dispositif selon l'invention a de plus la possibilité d'utiliser, avant un démarrage la pompe 3, des bouteilles haute pression 16 à température ambiante pour injecter de l'hydrogène froid (par passage dans l'échangeur/accumulateur 10) dans le réservoir 1 afin de sous refroidir l'hydrogène en pressurisant le réservoir 1. L'accumulateur de froid (dans l'échangeur 10) est par exemple préalablement mis en froid lors du fonctionnement précédant de la pompe 3. L'accumulateur de froid peut être isolé par de la mousse polyuréthane ou équivalent. Ceci permet d'éviter toute cavitation à l'aspiration de la pompe 3. Lorsque la pompe 3 est arrêtée, le réservoir 1 peut être dépressurisé à l'aide de la vanne 20 de dépressurisation du réservoir 1, pour refroidir l'hydrogène restant dans le réservoir 1. Selon une particularité avantageuse de l'invention, l'hydrogène servant à la pressurisation du réservoir 1 est ainsi pré-refroidi. La stratification thermique du gaz du réservoir est alors plus faible, sa montée en pression est plus lente, ce qui augmente le temps de pompage disponible avant l'atteinte de la pression maximale de fonctionnement du réservoir 1. De plus, l'échangeur 10 à inertie élevée et de préférence isolé de l'extérieur permet de disposer d'une source de froid qui permet de mettre en pression le réservoir 1 avec de l'hydrogène froid même lorsque la pompe 3 n'est pas en service (à partir de bouteilles 16 ou équivalent). L'inertie thermique de l'échangeur 10 et son mode d'isolation est déterminé de manière à ce que sa température reste de préférence constante (+1- 10°C) entre deux phases de fonctionnement de la pompe 3. Le dispositif décrit permet une précision et une rapidité de contrôle de la pression du réservoir 1 plus grandes que selon l'art antérieur, notamment par 5 rapport à un système par thermosiphon. La figure illustre une variante qui se distingue du mode de réalisation de la figure 1 uniquement en ce qui concerne la ligne 4 d'évacuation du gaz. Les autres éléments sont désignés par les mêmes références et ne sont pas décrits une seconde fois. 10 Dans la réalisation de la figure 2, la ligne 4 d'évacuation ou de retour de l'hydrogène est renvoyée dans une capacité 21 dite de dégazage. Dans cette configuration, la ligne de retour 4 communique avec un réservoir dégazeur 21 dont le niveau est contrôlé par des vannes 23, 24 après avoir été réchauffé par un réchauffeur atmosphérique 22. Cette configuration permet d'éviter que l'hydrogène 15 chaud ne retourne dans le réservoir 1 cryogénique et ne réchauffe l'ensemble de l'hydrogène liquide contenu dans celui-ci. L'invention permet d'obtenir ainsi un sous refroidissement du fluide cryogénique et une aspiration du fluide ainsi sous-refroidi. La compensation de perte de charge d'entrée est ainsi réalisée, évitant tout phénomène de cavitation 20 dans la pompe 3 tandis que le fluide est maintenu une pression suffisamment faible pour rendre maximum la densité du fluide et donc la quantité pompée. De plus, le contrôle de la pressurisation du réservoir 1 selon l'invention n'affecte pas ou peu le niveau de liquide dans le réservoir et donc temps de pompage disponible avant l'atteinte de la pression maximale de fonctionnement 25 du réservoir 1. REVENDICATIONS1. Dispositif de pompage d'un fluide cryogénique, comprenant un réservoir (1) de stockage d'un fluide cryogénique contenant du liquide cryogénique, une pompe (3) cryogénique présentant une perte (NPSH) de charge d'entrée, une ligne (2) d'aspiration reliant le réservoir (1) à la pompe (3), le dispositif de pompage comprenant un système (9, 18, 19) de contrôle de la pression dans le réservoir (1) pour sélectivement maintenir la pression dans le réservoir (1) au moins égale à la pression de saturation du fluide cryogénique stocké augmentée de la perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe cryogénique et augmentée éventuellement également de la valeur des pertes de charge dues à la tuyauterie de la ligne (2) d'aspiration reliant le réservoir (1) à la pompe (3), caractérisé en ce que le système (9, 18, 19) de contrôle de la pression comprend l'un au moins parmi : une conduite (9) reliant une sortie haute pression de la pompe (3) au réservoir (1) pour réinjecter sélectivement du fluide froid pompé dans le réservoir (1), une conduite (9, 19) reliant une source (16) de gaz haute pression au réservoir (1) via un organe (10) de refroidissement du gaz, pour injecter sélectivement du gaz refroidi dans le réservoir (1). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système (9, 18, 19) de contrôle de la pression comprend une conduite (9) reliant une sortie (5) haute pression de la pompe (3) au réservoir (1) pour réinjecter du fluide pompé dans le réservoir (1) pendant le fonctionnement de la pompe (3), et une conduite (9, 19) reliant une source (16) de gaz haute pression au réservoir (1) via un organe (10) de refroidissement, pour injecter du gaz refroidi dans le réservoir (1) notamment lorsque la pompe (3) est inactive. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la conduite (9) reliant une sortie (5) haute pression de la pompe (3) au réservoir (1) comprend un détendeur (99) pour réinjecter du gaz froid dans le réservoir (1). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'organe (10) de refroidissement situé dans la conduite (9, 10) reliant la source (16) de gaz haute pression au réservoir (1) comprendun échangeur (10) de chaleur apte à mettre sélectivement en échange thermique le gaz provenant de la source (16) de gaz haute pression avec le fluide cryogénique pompé du réservoir (1). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'échangeur (10) de chaleur comprend un accumulateur de frigories pour maintenir une puissance de refroidissement par inertie thermique entre deux utilisations de la pompe (3). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la source (16) de gaz haute pression est reliée à une sortie haute pression de la pompe (3) via l'un au moins parmi : une vanne, un détendeur (14), un réchauffeur (10, 12), pour permettre le remplissage sélectif de ladite source (16) par du fluide provenant réservoir (1). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une ligne (4) d'évacuation du gaz généré par le fonctionnement de la pompe (3), ladite ligne (4) d'évacuation du gaz reliant une sortie de gaz de la pompe (3) au réservoir (1) ou à un stockage (21) dégazeur distinct. 8. Procédé de pompage d'un fluide cryogénique d'un réservoir (1) de fluide cryogénique comprenant du liquide cryogénique, le fluide étant pompé via une ligne (2) d'aspiration comprenant une pompe (3) cryogénique présentant une perte (NPSH) de charge d'entrée, le procédé comprenant une étape de contrôle de la pression dans le réservoir (1) pour sélectivement maintenir la pression dans le réservoir ou dans la ligne (2) d'aspiration au moins égale à la pression de saturation du fluide cryogénique augmentée de la perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe cryogénique et augmentée éventuellement également de la valeur des pertes de charge dues à la tuyauterie de la ligne (2) d'aspiration reliant le réservoir (1) à la pompe (3), caractérisé en ce que l'étape de contrôle de la pression dans le réservoir (1) comprend une introduction de gaz dit froid dans le réservoir (1) à une température inférieure à la température ambiante à l'extérieur du réservoir (1) et de préférence comprise entre 40°K et 100°K et à une pression comprise entre 1 et 12 bar. 9. Procédé de pompage selon la revendication 8, caractérisé en ce que le gaz froid introduit dans le réservoir (1) pour contrôler la pression dans le réservoir (1) est fourni par l'une au moins parmi : une conduite (9) reliant une sortie haute pression de la pompe (3) au réservoir (1), une conduite (9, 19) reliant une source (16) de gaz haute pression au réservoir (1) via un organe (10) de refroidissement du gaz. 10. Procédé de pompage selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'introduction de gaz froid dans le réservoir (1) est fourni sélectivement par une conduite (9) reliant une sortie (5) haute pression de la pompe (3) au réservoir (1) lorsque la pompe (3) est en fonctionnement et par une conduite (9, 19) reliant une source (16) de gaz haute pression au réservoir (1) via un organe (10) de refroidissement du gaz lorsque la pompe (3) est arrêtée. 11. Procédé de pompage selon la revendication 10, caractérisé en ce que le gaz froid fourni par la conduite (9) reliant une sortie haute pression de la pompe (3) au réservoir (1) est obtenu par détente du fluide provenant de la sortie (5) haute pression de la pompe (3), et en ce que l'organe (10) de refroidissement du gaz provenant de la source (16) de gaz haute pression utilise des frigories du fluide pompé du réservoir (3).