Brevet FR3010508A1 — publié le 20150313

La présente invention concerne un dispositif de récupération de gaz d'évaporation issu d'un réservoir cryogénique. Le domaine de la présente invention est par exemple le transport de liquides cryogéniques. Au cours d'un transport, un liquide cryogénique est placé dans un réservoir isolé thermiquement mais malgré la bonne isolation thermique réalisée, des échanges de chaleur entre l'intérieur du réservoir et l'extérieur se produisent. Ces échanges conduisent à un apport d'énergie de l'extérieur vers l'intérieur du réservoir et conduisent à une vaporisation d'une part du liquide se trouvant dans le réservoir. Cette vaporisation tend à faire monter la pression dans le réservoir concerné. Pour limiter cette augmentation de pression, le liquide vaporisé est prélevé sous forme de gaz hors du réservoir. Selon la nature du liquide cryogénique (et donc du gaz correspondant) le gaz d'évaporation prélevé dans le réservoir peut être traité de diverses manières. On peut ainsi par exemple envisager de le rejeter simplement à l'atmosphère. Le gaz d'évaporation récupéré peut aussi être traité pour être reliquéfié et réintroduit alors dans le réservoir. Dans le cas où le liquide cryogénique peut être utilisé comme un carburant, par exemple lorsqu'il s'agit de LNG (sigle anglais pour Liquid Natural Gas, soit en français Gaz Naturel Liquéfié), alors le gaz d'évaporation récupéré peut être utilisé pour la propulsion du véhicule de transport, généralement un navire (méthanier). La présente invention concerne ici plus particulièrement un système de récupération de gaz d'évaporation de liquide cryogénique qui permet en fonction des besoins d'alimenter un moteur en gaz à haute pression et/ou de reliquéfier ce gaz d'évaporation récupéré. Pour l'alimentation d'un moteur fonctionnant au gaz naturel, il est généralement prévu un compresseur moyenne/haute pression amenant le gaz naturel à des pressions de l'ordre de 10 à 300 bars (c'est-à-dire 1 à 30 MPa). Selon la vitesse du navire, les besoins en gaz du moteur varient et tout ou partie du gaz d'évaporation récupéré est comprimé pour alimenter le moteur ou bien est envoyé vers un dispositif permettant sa reliquéfaction. Le gaz d'évaporation qui va vers un dispositif de reliquéfaction, est classiquement à une pression d'au moins 4 bars (soit 0,4 MPa) et à une température de l'ordre de -100 à +40°C. Comme mentionné plus haut, après reliquéfaction, le liquide obtenu retourne dans le réservoir de liquide cryogénique. Le document WO-2007/117148 illustre un procédé et un appareil permettant de préchauffer un flux de gaz naturel liquéfié d'évaporation sortant d'un réservoir d'un système de reliquéfaction avant sa compression. Le procédé consiste à échanger thermiquement le flux de gaz d'évaporation dans un premier échangeur thermique avec un flux d'un second flux de refroidissement présentant une température plus élevée que le flux de gaz d'évaporation, le second flux de refroidissement étant obtenu par une division sélective d'un premier flux de refroidissement en ce second flux de refroidissement et en un troisième flux de refroidissement, ce dernier étant injecté dans un premier passage de refroidissement d'une boîte froide du système de reliquéfaction. Le gaz d'évaporation atteint ainsi des températures quasi-ambiantes avant sa compression et le froid provenant du gaz d'évaporation est sensiblement transféré au système de reliquéfaction. Avant l'étape de compression, pour préchauffer le gaz d'évaporation à des températures sensiblement ambiantes, on échange thermiquement le gaz d'évaporation froid avec le flux de refroidissement, lequel présente une température supérieure à celle du gaz d'évaporation avant l'échange thermique. La présente invention a ainsi pour but de fournir un dispositif de récupération de gaz d'évaporation de liquide cryogénique destiné à alimenter, d'une part, une unité de compression pour un moteur et, d'autre part, un système de reliquéfaction, ledit dispositif de récupération de gaz d'évaporation ayant une consommation énergétique réduite. Avantageusement, le dispositif proposé permettra d'éviter toute pollution du gaz alimentant l'unité de compression et destiné à un moteur. De préférence, ce dispositif sera de conception simple et d'un prix de revient limité. À cet effet, la présente invention propose un dispositif de récupération de gaz d'évaporation issu d'un réservoir cryogénique comportant : - une unité de compression présentant plusieurs étages de compression, ladite unité étant alimentée en gaz à partir du réservoir cryogénique et fournissant du gaz à une pression d'alimentation de moteur, - un système de reliquéfaction présentant une sortie de liquide vers le réservoir cryogénique, - un échangeur disposé entre le réservoir cryogénique et l'unité de compression pour refroidir du gaz avant son entrée dans le système de liquéfaction et par là réchauffer le gaz d'évaporation issu du réservoir avant son entrée dans l'unité de compression. Selon l'invention, le gaz d'évaporation issu du réservoir cryogénique est réchauffé par du gaz comprimé au sein de l'unité de compression à une pression inférieure ou égale à la pression d'alimentation de moteur, et le système de reliquéfaction est alimenté par du gaz comprimé au sein de l'unité de compression à une pression inférieure ou égale à la pression d'alimentation du moteur, éventuellement refroidi par le gaz d'évaporation alimentant l'unité de compression. Cette configuration s'avère particulièrement avantageuse en termes de consommation énergétique. De manière fort originale, lorsque la technologie de l'unité de compression le permet, on peut prélever une partie du gaz d'évaporation comprimé, avant qu'il atteigne sa pression nominale (correspondant à la pression d'alimentation du moteur) pour alimenter le système de reliquéfaction. En outre, ce gaz comprimé est refroidi par le gaz d'évaporation alimentant l'unité de compression. Ceci est favorable, d'une part, car il est préférable de réchauffer le gaz d'évaporation avant qu'il entre dans l'unité de compression et, d'autre part, il est aussi préférable de refroidir le gaz qui entre dans le système de reliquéfaction. Pour un meilleur contrôle de la pression et de la température à l'entrée du système de reliquéfaction, il est proposé que le dispositif de récupération de gaz d'évaporation soit tel que l'unité de compression comporte une entrée, une première sortie à la pression d'alimentation de moteur et une seconde sortie à une pression intermédiaire, et que la seconde sortie soit reliée, d'une part, à l'échangeur et, d'autre part, à une vanne trois voies, ladite vanne trois voies présentant une entrée reliée directement à la seconde sortie, une entrée alimentée par du gaz en provenance de la seconde sortie après son passage dans l'échangeur et une sortie vers le système de reliquéfaction. Pour permettre d'abaisser la pression (et la température) avant l'entrée dans le système de liquéfaction, une vanne de détente est avantageusement disposée en amont du système de reliquéfaction. Lorsque le dispositif est aussi équipé d'une vanne trois voies, la vanne de détente peut se trouver soit en aval de l'ensemble formé par l'échangeur et la vanne trois voies mais elle est de préférence en amont de cet ensemble pour limiter le risque d'avoir du liquide au sein de l'échangeur. Pour limiter les risques de pollution du gaz d'évaporation qui est par la suite reliquéfié, il est avantageusement prévu que l'unité de compression soit non lubrifiée. Dans le cas contraire, cette unité de compression comporte avantageusement au moins un étage de compression non lubrifié en amont d'au moins un étage de compression lubrifié. Une sortie à une pression intermédiaire en amont des étages de compression lubrifiés peut alors être envisagée. Il est aussi possible d'envisager l'installation d'un ensemble de traitement du gaz (par exemple un filtre coalesceur ou à charbons actifs) pour éviter, ou tout du moins limiter, l'entrainement d'huile vers le système de reliquéfaction. Dans une forme de réalisation, le dispositif de récupération de gaz d'évaporation selon la présente invention est tel que le système de reliquéfaction comporte une boucle fermée de fluide réfrigérant alimentant au moins un échangeur de chaleur pour refroidir le gaz d'évaporation entrant dans le système de reliquéfaction. Dans cette forme de réalisation, un seul échangeur peut être utilisé pour réaliser, d'une part, le réchauffage du gaz d'évaporation issu du réservoir avant son entrée dans l'unité de compression et, d'autre part, le refroidissement du gaz d'évaporation entrant dans le système de reliquéfaction mettant en oeuvre la boucle fermée de fluide réfrigérant. Lorsqu'une boucle fermée de fluide réfrigérant est prévue, celle-ci contient par exemple essentiellement de l'azote. La présente invention concerne également : - un ensemble comportant au moins un réservoir cryogénique, un moteur utilisant du gaz naturel à moyenne ou haute pression comme carburant et un dispositif de récupération de gaz d'évaporation issu desdits réservoirs cryogéniques, caractérisé en ce que le dispositif de récupération de gaz d'évaporation est un dispositif de récupération de gaz d'évaporation tel que décrit ci-dessus, et - un navire pour le transport de gaz naturel liquéfié, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de récupération de gaz d'évaporation tel que décrit ci-dessus. Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel : La figure 1 illustre schématiquement une première forme de réalisation d'un dispositif de récupération de gaz d'évaporation issu d'un réservoir cryogénique, La figure 2 est une vue similaire à la figure 1 pour une première variante de réalisation, et La figure 3 est une vue similaire à celles des figures 1 et 2 d'une seconde variante de réalisation. La description qui suit est faite en référence à un navire à bord duquel se trouve au moins un réservoir 2 de liquide cryogénique. Il est habituel sur un navire d'avoir plusieurs réservoirs ou bien un réservoir cloisonné pour éviter notamment des problèmes de tangage. Un seul réservoir sera considéré ici mais il est clair pour l'homme du métier d'appliquer l'enseignement de ce document à plusieurs réservoirs. On suppose par la suite qu'il s'agit de LNG (sigle anglais pour Liquid Natural Gas), c'est-à-dire du gaz naturel liquéfié. Le navire comporte alors au moins un moteur (non illustré) qui fonctionne en utilisant du gaz naturel comprimé comme carburant. Pour alimenter le moteur en gaz naturel comprimé, du gaz d'évaporation de LNG est récupéré dans le réservoir 2, comprimé dans une unité de compression 4 pour être envoyé par une ligne d'alimentation 6 vers le moteur où il sera alors utilisé comme carburant. Ce gaz d'évaporation est communément désigné par le sigle anglais BOG (pour Boil Off Gas). Il provient des échanges de chaleur qui sont inévitables, quelle que soit l'isolation du réservoir 2, entre le LNG stocké à des températures généralement de l'ordre de -160° C et l'extérieur. Une conduite 8 de gaz d'évaporation relie ainsi une partie haute du réservoir 2 à une entrée de l'unité de compression 4. Un échangeur 10 est disposé sur cette conduite en amont de l'unité de compression 4. Il permet ici de réchauffer le gaz d'évaporation froid en provenance du réservoir 2 avant son introduction dans l'unité de compression 4. L'unité de compression 4 comporte généralement plusieurs étages de compression car il convient d'avoir une pression d'alimentation pour le moteur qui, selon le moteur, est généralement comprise entre 10 et 300 bars (soit entre 1 et 30 MPa). Les premiers étages de compression sont représentés schématiquement par un premier étage 12 tandis que les derniers étages sont représentés schématiquement sur les figures uniquement par un second étage 14. La ligne d'alimentation 6 est connectée à la sortie du second étage 14 dans les configurations illustrées au dessin. De manière classique, un refroidissement du gaz peut être prévu après chaque étage de l'unité de compression. Les échangeurs correspondants, appelés classiquement "intercoolers" ou "aftercoolers" ne sont pas illustrés au dessin. L'unité de compression 4 présente dans les formes de réalisation illustrées une sortie intermédiaire fournissant du gaz d'évaporation à une pression intermédiaire inférieure à la pression d'alimentation du moteur en amont du second étage 14. De préférence, pour éviter tout risque de pollution du gaz qui va être reliquéfié, lorsque l'unité de compression 4 présente des étages de compression lubrifiés et des étages de compression non lubrifiés, cette sortie intermédiaire est faite en amont des étages de compression lubrifiés, c'est-à-dire avant que le gaz d'évaporation risque d'être éventuellement en contact avec du lubrifiant. La sortie intermédiaire alimente alors une conduite 16 qui s'étend de l'unité de compression 4, et plus précisément de sa sortie intermédiaire, jusqu'à une vanne trois voies 18. Une entrée de la vanne trois voies 18 est alimentée directement par la conduite 16 à partir de la sortie intermédiaire de l'unité de compression 4. Cette conduite 16 présente en amont de la vanne trois voies 18 une dérivation qui forme une branche 19. Cette dernière part donc de la conduite 16, alimente l'échangeur 10 à contre-courant du gaz d'évaporation froid en provenance du réservoir 2 afin de le réchauffer, puis se termine par une connexion à une seconde entrée de la vanne trois voies 18. Une sortie de la vanne trois voies 18 vient alors alimenter un système de reliquéfaction 20. De préférence, une vanne 22 est prévue en aval de la vanne trois voies 18 et en amont du système de reliquéfaction 20. Il est toutefois également envisageable de disposer la vanne 22 en amont de la vanne trois voies 18, c'est-à-dire sur la conduite 16, directement à la sortie intermédiaire de l'unité de compression 4 par exemple. Cette vanne 22, dans ses diverses positions, permet d'ajuster la pression du gaz d'évaporation entrant dans le système de reliquéfaction 20 en la réduisant. Au cours de cette réduction de pression du gaz d'évaporation, la température de ce dernier diminue également. Le système de reliquéfaction 20 est d'un type connu de l'homme du métier. Il fonctionne par exemple selon le cycle de Brayton et comporte une boucle fermée d'azote 24. Cette dernière comporte de manière classique un premier échangeur 26 et un deuxième échangeur 28 permettant un échange thermique entre l'azote et le gaz d'évaporation, une turbine 30, un compresseur 32 et un troisième échangeur 34 pour réaliser un échange thermique au sein de l'azote de la boucle fermée d'azote 24. Le gaz d'évaporation refroidi et liquéfié au sein du premier échangeur 26 et du deuxième échangeur 28 est généralement directement renvoyé vers le réservoir 2 grâce à une ligne 29. Lorsque le gaz d'évaporation contient une grande quantité de gaz inerte (principalement de l'azote), il est intéressant de le liquéfier et de l'envoyer par l'intermédiaire d'une ligne 41 pour qu'il passe au sein d'un séparateur 36 opérant à une pression pouvant être inférieure légèrement à la pression au sein de l'unité de reliquéfaction 20. La partie basse du séparateur présente une sortie qui permet d'alimenter une ligne de retour 38 vers le réservoir 2, par l'intermédiaire éventuellement d'une pompe 40. La partie haute du séparateur 36 permet l'évacuation des gaz inertes grâce à un conduit de dégazage 42 contrôlé par une vanne ou bien rejoindre le gaz d'évaporation en provenance directe du réservoir 2 en étant réinjecté par une ligne d'injection 44 dans la conduite 8. La variante de réalisation de la figure 2 ne prévoit qu'un seul échangeur 50 à la place du premier échangeur 26 et du deuxième échangeur 28 du système de reliquéfaction 20 de la figure 1. Sur la figure 3, il est réalisé au sein d'un même échangeur 60, d'une part, les échanges entre le gaz d'évaporation provenant directement du réservoir 2 et le gaz d'évaporation comprimé à une pression intermédiaire et, d'autre part, les échanges au sein du système de reliquéfaction entre le fluide réfrigérant (azote) et le gaz d'évaporation à liquéfier. Dans cette variante de réalisation, il est prévu de faire passer tout le flux passant par la conduite 16 en provenance de la sortie intermédiaire de l'unité de compression 4 dans l'échangeur 60. La forme de réalisation représentée ne comporte donc pas de vanne trois voies mais il apparaît à l'homme du métier qu'une telle vanne pourrait également être prévue dans ce mode de réalisation. Dans un navire transportant du liquide cryogénique, la quantité de gaz d'évaporation résultant des échanges thermiques entre le(s) réservoir(s) et l'extérieur est sensiblement constante. Par contre, la consommation des moteurs varie. La quantité de gaz d'évaporation non utilisée par les moteurs est alors de préférence reliquéfiée. Les dispositifs de récupération de gaz d'évaporation décrits ci-dessus permettent d'adapter la production de gaz à haute pression pour l'alimentation des moteurs et la reliquéfaction du gaz d'évaporation non utilisé par le(s) moteur(s). Il est proposé ici de "soutirer" une quantité de gaz d'évaporation à une pression intermédiaire dans une unité de compression alimentant le(s) moteur(s). L'échange thermique réaliser entre le gaz d'évaporation en provenance directe du réservoir et le gaz d'évaporation à une pression intermédiaire permet d'optimiser la consommation énergétique du dispositif de récupération de gaz d'évaporation. Dans la forme de réalisation illustrée, on utilise une vanne de détente 22 située en amont ou en aval de l'échange thermique afin d'optimiser les conditions de pression dans lesquelles le gaz d'évaporation rentre dans le système de reliquéfaction 20. La présence éventuelle d'une vanne trois voies, selon les caractéristiques du gaz d'évaporation à pression intermédiaire, permet de mieux contrôler la température du gaz d'évaporation avant son entrée dans le système de reliquéfaction. Les variantes illustrées ci-dessus permettent ainsi une optimisation de la consommation énergétique, d'une part, pour comprimer le gaz d'évaporation et alimenter le(s) moteur(s) et, d'autre part, reliquéfier le gaz d'évaporation non utilisé par le(s) moteur(s). Comme illustré par les variantes de réalisation, la construction est relativement modulaire et on peut limiter le nombre d'échangeurs nécessaires. Les solutions proposées ici permettent donc une adaptation à diverses configurations rencontrées à bord de navire, ou bien au niveau d'installation de récupération de LNG ou d'un autre liquide cryogénique. La présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-dessus et aux autres variantes évoquées. Elle concerne également toute forme de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Dispositif de récupération de gaz d'évaporation issu d'un réservoir (2) cryogénique comportant : - une unité de compression (4) présentant plusieurs étages de compression, ladite unité étant alimentée en gaz à partir du réservoir (2) cryogénique et fournissant du gaz à une pression d'alimentation de moteur, - un système de reliquéfaction (20) présentant une sortie de liquide vers le réservoir (2) cryogénique, - un échangeur (10) disposé entre le réservoir (2) cryogénique et l'unité de compression (4) pour refroidir du gaz avant son entrée dans le système de liquéfaction et par là réchauffer le gaz d'évaporation issu du réservoir (2) avant son entrée dans l'unité de compression (4), caractérisé en ce que le gaz d'évaporation issu du réservoir (2) cryogénique est réchauffé par du gaz comprimé au sein de l'unité de compression (4) à une pression inférieure ou égale à la pression d'alimentation de moteur, et en ce que le système de reliquéfaction (20) est alimenté par du gaz comprimé au sein de l'unité de compression (4) à une pression inférieure ou égale à la 20 pression d'alimentation du moteur, éventuellement refroidi par le gaz d'évaporation alimentant l'unité de compression (4). 2. Dispositif de récupération de gaz d'évaporation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de compression (4) comporte une entrée, une première sortie à la pression d'alimentation de moteur et une 25 seconde sortie à une pression intermédiaire, en ce que la seconde sortie est reliée, d'une part, à l'échangeur (10) et, d'autre part, à une vanne trois voies (18), ladite vanne trois voies (18) présentant une entrée reliée directement à la seconde sortie, une entrée alimentée par du gaz en provenance de la seconde sortie après son passage 30 dans l'échangeur (10) et une sortie vers le système de reliquéfaction (20). 3. Dispositif de récupération de gaz d'évaporation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une vanne de détente (22) est disposée en amont du système de reliquéfaction (20). 4. Dispositif de récupération de gaz d'évaporation selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la vanne de détente (22) est disposée en aval d'un ensemble formé par l'échangeur (10) et la vanne trois voies (18). 5. Dispositif de récupération de gaz d'évaporation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système de reliquéfaction (20) comporte une boucle fermée (24) de fluide réfrigérant alimentant au moins un échangeur de chaleur (26, 28 ; 50 ; 60) pour refroidir le gaz d'évaporation entrant dans le système de reliquéfaction (20). 6. Dispositif de récupération de gaz d'évaporation selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un seul échangeur (60) est utilisé pour réaliser, d'une part, le réchauffage de gaz d'évaporation issu du réservoir (2) avant son entrée dans l'unité de compression (4) et, d'autre part, le refroidissement du gaz d'évaporation entrant dans le système de reliquéfaction (20) par la boucle fermée (24) de fluide réfrigérant. 7. Dispositif de récupération de gaz d'évaporation selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la boucle fermée (24) de fluide réfrigérant contient essentiellement de l'azote. 8. Ensemble comportant au moins un réservoir cryogénique, un moteur utilisant du gaz naturel à haute pression comme carburant et un dispositif de récupération de gaz d'évaporation issu desdits réservoirs cryogéniques, caractérisé en ce que le dispositif de récupération de gaz d'évaporation est un dispositif de récupération de gaz d'évaporation selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Navire pour le transport de gaz naturel liquéfié, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de récupération de gaz d'évaporation selon l'une des revendications 1 à 7.