Brevet FR3027376A1 — publié le 20160422

La présente invention concerne un dispositif de réfrigération, par exemple pour un système de production de gaz liquéfié, comportant au moins une machine tournante avec un joint à gaz. Un dispositif de réfrigération comporte généralement au moins un compresseur, une turbine d'expansion et un condenseur. Dans un tel dispositif de réfrigération, un fluide réfrigérant est confiné dans un circuit de réfrigération et est successivement comprimé puis détendu, afin de produire du froid qui est échangé au sein du condenseur avec un fluide extérieur, par exemple du gaz naturel qui passe alors de la phase gazeuse à la phase liquide. Le(s) compresseur(s) et la(les) turbine(s) utilisés dans un tel dispositif de réfrigération sont des machines tournantes qu'il convient de lubrifier. Ainsi donc, on a d'un côté le fluide réfrigérant utilisé pour la production de froid et d'un autre côté de l'huile, ou similaire, utilisée pour lubrifier les éléments tournants. Pour réaliser l'étanchéité entre l'huile et le fluide réfrigérant, il est connu d'utiliser du fluide réfrigérant à l'état gazeux pour former une barrière entre le fluide réfrigérant et l'huile. Le gaz utilisé pour réaliser l'étanchéité provient du circuit de réfrigération lui-même. Une partie du fluide est utilisée sous forme gazeuse afin de réaliser l'étanchéité et s'échappe petit à petit du dispositif de réfrigération. Il est ainsi nécessaire de réaliser un apport extérieur de gaz pour compenser les pertes de gaz. Pour réaliser cet apport, il est connu d'avoir une réserve de fluide réfrigérant sous forme liquide que l'on vient vaporiser avant de l'injecter dans le circuit de réfrigération en amont des compresseurs. La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération utilisant l'azote comme fluide réfrigérant. La présente invention a alors pour but de fournir un dispositif de réfrigération comportant au moins une machine tournante et utilisant du gaz pour réaliser au moins une étanchéité présentant de meilleures performances en termes de rendement énergétique que les dispositifs similaires connus. De préférence, le prix de revient de ce nouveau dispositif de réfrigération ne sera pas supérieur à celui des dispositifs de même type de l'art antérieur. À cet effet, la présente invention propose un dispositif de réfrigération avec un circuit de réfrigération comportant au moins un étage de compression, un étage de détente et un échangeur thermique, au moins une machine tournante avec un joint à gaz étant présente dans les étages de compression et de détente, un réservoir de liquide réfrigérant étant également prévu. Selon la présente invention, dans un tel dispositif de réfrigération, le circuit de réfrigération comporte un point d'injection de liquide réfrigérant disposé en aval du(des) étage(s) de compression et en amont de l'échangeur thermique, ledit point d'injection étant alimenté à partir du réservoir de fluide réfrigérant. Alors que dans les dispositifs connus de l'art antérieur le fluide réfrigérant était injecté sous phase gazeuse en amont de l'unité de compression (étage de compression ou ensemble des étages de compression), il est proposé ici d'injecter directement le fluide réfrigérant liquide dans le circuit de réfrigération en aval de l'unité de compression, avant le condenseur. Ainsi le froid produit par l'injection du fluide réfrigérant peut être mis à profit dans le condenseur. De la sorte, la puissance du dispositif peut être diminuée pour tenir compte de l'apport de froid par l'introduction du fluide réfrigérant dans le circuit. Dans une variante de réalisation préférée, le point d'injection est disposé en aval du(des) étage(s) de détente et en amont de l'échangeur thermique. Ceci permet de réaliser l'injection de liquide réfrigérant au plus près possible du condenseur. Un dispositif tel que décrit ci-dessus est particulièrement bien adapté au cas où le fluide réfrigérant utilisé est de l'azote. Pour mieux contrôler l'introduction de fluide réfrigérant dans le circuit réfrigérant, on prévoit avantageusement qu'une vanne de régulation de pression soit disposée entre le réservoir de liquide réfrigérant et le point d'injection. Selon une forme de réalisation préférée, chaque étage de compression comporte un compresseur, chaque étage de détente comporte une turbine et 30 chaque compresseur et chaque turbine présente un système d'étanchéité à gaz. Dans une variante de réalisation, le dispositif de réfrigération comporte trois étages de compression et un étage de détente. 3 0 2 73 76 3 La présente invention concerne également un système de production de gaz naturel liquide, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de réfrigération tel que décrit ci-dessus. Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux 5 de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel : L'unique figure illustre schématiquement une forme de réalisation préférée d'un dispositif de réfrigération selon la présente invention. On reconnaît sur la figure un circuit principal 2 avec son circuit 10 d'étanchéité 4 et une ligne de gaz naturel 6 en bas à gauche de la figure. Dans toute la description qui suit le fluide utilisé dans le circuit principal 2 et dans le circuit d'étanchéité 4 est de l'azote (N2), qui reste à l'état gazeux dans le circuit d'étanchéité 4 mais est soit liquide soit gazeux dans le circuit principal 2. En outre, on suppose que la ligne en bas à gauche refroidie par le 15 circuit principal 2 conduit du gaz naturel. Toutefois, l'invention peut s'appliquer à un gaz à liquéfier (ou simplement à refroidir) autre que du gaz naturel et le fluide frigorigène utilisé dans le circuit principal 2 peut être autre que de l'azote. Le circuit principal 2 forme un système de compression et de détente combinés connu de l'homme du métier et appelé aussi liquéfacteur. Il comporte 20 notamment un condenseur 8 en lien également avec la ligne de gaz naturel 6 et destiné à assurer la liquéfaction du gaz naturel dans cette ligne. Cette ligne comporte ainsi une alimentation 10 en gaz naturel à l'état gazeux et une sortie 11 de gaz naturel liquéfié (LNG). Dans le liquéfacteur, un moteur (non représenté) entraine trois 25 compresseurs Cl, C2 et C3 formant chacun un étage d'une unité de compression. Pour la suite de la description du liquéfacteur, il est proposé de suivre de l'azote se déplaçant dans ce circuit. L'azote arrive dans le compresseur Cl par une conduite R1 et en sort par une conduite R2. Il arrive alors à un premier refroidisseur 12 afin de réaliser un contrôle de la température de l'azote avant d'être renvoyé dans l'unité de compression par une conduite R3. L'azote est alors comprimé par le deuxième compresseur C2, puis amené par R4 à un deuxième refroidisseur 12 et d'atteindre par R5 un troisième étage de compression de l'unité de compression. Un troisième refroidisseur 12, relié au troisième compresseur C3 par une conduite R6, permet de contrôler la température de l'azote en sortie de l'unité de compression. Une conduite R7 mène l'azote à un échangeur à contre courant 14 puis est amené par R8 à un détendeur 16. Ce dernier est mécaniquement lié au moteur (non représenté) et à l'unité de compression. En sortie du détendeur 16, l'azote est alors amené (R9) vers le condenseur 8 où il absorbe des calories du gaz naturel que l'on souhaite liquéfier pour obtenir du gaz naturel liquéfié (LNG). En sortie du condenseur 8 l'azote est conduit (R10) vers l'échangeur à contre courant 14 qui est relié en aval au premier compresseur Cl de l'unité de compression. Chaque compresseur Cl, C2 et C3 ainsi que le détendeur 16 sont des machines tournantes qui doivent être lubrifiées. Chaque machine tournante présente alors en son sein une quantité d'huile (ou similaire) pour assurer cette lubrification. Il convient de veiller à ce que cette huile ne vienne pas se mélanger au fluide réfrigérant circulant dans le circuit principal 2. Pour empêcher un tel mélange, il est connu de créer un joint gazeux entre le fluide réfrigérant du liquéfacteur (ou circuit principal 2) et l'huile contenue dans les machines tournantes. Ce joint gazeux est réalisé avec du fluide réfrigérant, de l'azote dans la forme de réalisation préférée illustrée au dessin et décrite ici, prélevé sur le circuit principal 2. L'étanchéité au gaz est alors assurée par un système d'étanchéité au gaz 18 symbolisé schématiquement sur le circuit d'étanchéité 4. L'azote destiné au circuit d'étanchéité 4 est prélevé au sein du circuit principal 2 après l'unité de compression, de préférence en aval du troisième refroidisseur 12. L'azote prélevé est amené par le système d'étanchéité au gaz 18 par des conduites El, E2, E3 et E4 respectivement aux compresseurs Cl, C2, C3 et au détendeur 16 dans les conditions de pression requises et aux endroits prescrits pour assurer l'étanchéité de ces machines. L'azote (gazeux) consommé pour réaliser l'étanchéité des machines tournantes (Cl, C2, C3 et 16) est collecté par des conduites E5, E6, E7 et E8 vers un collecteur 20 avant d'être évacué. Un tel système permettant de réaliser une étanchéité entre le fluide réfrigérant du circuit principal 2 et le système de lubrification des machines tournantes utilisées dans ledit circuit principal 2 est déjà connu en soi et n'est donc pas décrit dans le détail ici. Pour compenser les pertes d'azote (prélevé en aval du troisième refroidisseur et évacué par le collecteur 20), de l'azote est réinjecté dans le circuit principal 2. De manière originale, il est prévu ici de réinjecter de l'azote, d'une part, en phase liquide et, d'autre part, en aval de l'unité de compression. Ainsi, comme illustré sur l'unique figure, un réservoir 22 d'azote liquide est prévu et est relié à un point d'injection 24 réalisé au niveau de la conduite R9, c'est-à-dire en aval de l'unité de compression et même en aval de l'étage de détente, ainsi qu'en amont du condenseur 8. Dans le réservoir 22, l'azote est par exemple stocké (en phase liquide) à une pression de l'ordre de 10 bars (soit 106 Pa). Le point d'injection 24 peut être réalisé par une buse d'injection cryogénique telle par exemple un injecteur à angle droit avec une buse à spirale de type TFXW commercialisée sous la marque déposée BETE. De préférence, l'azote injecté est vaporisé dans le flux de fluide réfrigérant (également de l'azote) du circuit principal 2. Cette vaporisation est réalisée avant l'entrée dans le condenseur 8. Ainsi, le froid produit est mis à profit pour la liquéfaction du gaz naturel circulant dans la ligne 6. L'injection d'azote dans le circuit principal est de préférence réalisée en continu et la quantité d'azote injectée en amont du condenseur 8 correspond à la quantité prélevée en aval de l'unité de compression pour assurer une bonne étanchéité des machines tournantes du système. En amont du point d'injection 24, entre le réservoir 22 et le point d'injection 24, il est avantageusement prévu une vanne proportionnelle 26 pour contrôler le flux d'azote introduit dans le circuit principal 2. En injectant de l'azote liquide dans le circuit de réfrigération en amont du condenseur 8, au plus près de celui-ci, de préférence après le détendeur 16, éventuellement en amont de celui-ci, on conserve la "puissance froide" de l'azote injecté par rapport aux systèmes connus de l'art antérieur où l'azote est introduit généralement en aval du condenseur 8, avant l'unité de compression. Le froid introduit dans le liquéfacteur par le point d'injection 24 peut être mis à 3 02 73 76 6 profit pour condenser le gaz au sein de la ligne de gaz naturel 6. De la sorte, dans les mêmes conditions d'entrée pour le gaz naturel au niveau de l'alimentation 10 et une même quantité de LNG en sortie 11, le liquéfacteur peut produire moins de froid par rapport à un liquéfacteur comparable de l'art 5 antérieur. Des calculs ont été réalisés pour estimer le gain de puissance réalisé avec un dispositif tel que décrit ci-dessus par rapport à un dispositif comparable de l'art antérieur dans lequel l'azote introduit pour compenser les pertes est injecté en phase gazeuse après vaporisation et en amont de l'unité 10 de compression (et en aval du condenseur 8). Les calculs ont été réalisés pour : - Un flux massique de gaz naturel liquéfié (LNG) de 2 tonnes par heure (soit 2 103 kg/h) - Une composition du LNG de 97% de CH4 et 3% de N3 15 - Une pression du gaz à l'entrée (alimentation 10) de 23 bara (soit 23 105 Pa absolus) - Une température d'entrée du gaz de 25 °C - Une pression du LNG en sortie (11) de 3 bara (soit 3 105 Pa absolus) 20 - Une température de sortie du LNG de -153 °C (c'est-à-dire sous refroidi de 0,4 °C) Dans ces conditions, on obtient les résultats suivants : 25 On remarque ainsi des gains non négligeables. Ceux-ci sont d'autant plus remarquables qu'ils sont obtenus avec un équipement d'un prix de revient 30 moins élevé que celui de l'art antérieur (pas de vaporisateur pour l'azote avant son injection dans le circuit principal) et aussi plus fiable (un vaporisateur en moins). Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de Flux de N2 (NM3/h) Puissance (kW) Variation (%) 0 1632 0 10 1615 -1,04 20 1605 -1,65 30 1601 -1,90 réalisation préférée décrite ci-dessus et illustrée sur le dessin à titre d'exemple non limitatif. Elle concerne également toutes les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Dispositif de réfrigération avec un circuit de réfrigération comportant au moins un étage de compression (Cl, C2, C3), un étage de détente (16) et un échangeur thermique (8), au moins une machine tournante avec un joint à gaz étant présente dans les étages de compression et de détente, un réservoir (22) de liquide réfrigérant étant également prévu, caractérisé en ce que le circuit de réfrigération comporte un point d'injection (24) de liquide réfrigérant disposé en aval du(des) étage(s) de compression (Cl, C2, C3) et en amont de l'échangeur thermique (8), ledit point d'injection (24) étant alimenté à partir du réservoir (22) de fluide réfrigérant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le point d'injection (24) est disposé en aval du(des) étage(s) de détente (16) et en amont de l'échangeur thermique (8). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant utilisé est de l'azote. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une vanne de régulation de pression (26) est disposée entre le réservoir (22) de liquide réfrigérant et le point d'injection (24). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 20 chaque étage de compression comporte un compresseur (Cl, C2, C3), en ce que chaque étage de détente (16) comporte une turbine, et en ce que chaque compresseur et chaque turbine présente un système d'étanchéité à gaz. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte trois étages de compression et un étage de détente. 25 7. Système de production de gaz naturel liquide, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de réfrigération selon l'une des revendications 1 à6.