Brevet FR3090812A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : POSTE DE DÉTENTE D'UN GAZ Domaine technique [0001] La présente invention vise un poste de détente d'un gaz. Elle s'applique, notamment, aux postes de détente de gaz situés à distance d'un réseau électrique. Technique antérieure [0002] La détente d'un gaz entraîne l'apparition d'une énergie fatale (énergie de détente) aujourd'hui peu ou mal valorisée et donc majoritairement ou totalement perdue. [0003] La détente d'un gaz depuis un réseau amont, telle une infrastructure de transport, vers un réseau aval, tel un réseau de distribution, a lieu dans un poste de détente situé à la frontière entre les réseaux aval et amont. Certains postes de détente se situent dans des lieux où l'alimentation électrique est intermittente ou absente. Il découle de cette contrainte une conception essentiellement mécanique des postes de détente situés dans ces lieux. Or, des modèles plus perfectionnés nécessitent de l'énergie électrique pour mettre en fonctionnement certains éléments (écrans, capteurs, transmetteurs, vannes). D'autre part, le gaz détendu présente généralement une température trop basse pour que cc gaz soit injecté dans le réseau aval et un échange thermique doit alors avoir lieu pour que le gaz soit mis en condition d'injection. [0004] On connaît des postes de détente pour lesquels la chaleur de l'énergie de détente est utilisée pour générer de l'électricité grâce à un générateur couplé à la turbine de détente. Cette électricité est alors utilisée pour alimenter un échangeur de chaleur pour réchauffer le gaz détendu. [0005] De même, il existe des postes dans lesquels le gaz détendu est ensuite réchauffé par combustion d'une partie du gaz, pour réchauffer la partie restante, avant son injection dans le réseau aval. [0006] 11 existe également la possibilité de générer du courant électrique en utilisant un moteur à gaz prélevé sur le réseau aval ou amont. [0007] Toutefois, les solutions existantes permettent de récupérer l'énergie fatale mais aucune ne permet de stocker cette énergie pour l'employer au moment opportun. En outre, le réchauffage du gaz détendu nécessite des moyens importuns peu compatibles avec la taille des postes ou leur coût. Exposé de l'invention 100081 La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. 100091 À cet effet, la présente invention vise un poste de détente d'un flux d'un gaz, présentant en entrée une température T, et une pression Pa, qui comporte : une turbine de détente configurée pour abaisser la pression du flux de gaz à 2 une pression Pb et à une température TE, tel les que P5 P1 et T11> T' et un échangeur de chaleur entre le flux de gaz en sortie ou en entrée de la turbine de détente et le flux du fluide en sortie ou en entrée du compresseur pour réchauffer le gaz et pour refroidir le fluide. [0010] Grâce à ces dispositions, l'énergie de détente est stockée sous forme de gaz comprimé dans le réservoir, permettant une valorisation ultérieure de cette énergie tout en, simultanément, réchauffant le flux de gaz, permettant son injection sur un réseau aval sans apport d'énergie extérieure. [0011] Dans des modes de réalisation, le poste de détente objet de la présente invention comporte un générateur relié à une sortie du couple formé par l'échangeur dc chaleur et le compresseur, le générateur étant configuré pour générer dc l'électricité électrique à partir dc fluide comprimé. [0012] Dans des modes de réalisation, le poste de détente objet de la présente invention comporte un moyen de stockage d'énergie électrique généré par le générateur. [0013] Dans des modes de réalisation, l'électricité alimente au moins un élément dudit poste de détente. [0014] Ces modes de réalisation permettent de transformer l'énergie stockée sous forme de gaz stocké en énergie électrique, pour alimenter le poste de détente ou un autre équipement relié électriquement au générateur. [0015] Dans des modes de réalisation, le fluide en sortie du générateur est fourni en entrée du compresseur. [0016] Ces modes de réalisation permettent de réaliser un cycle du fluide, le fluide pouvant être choisi pour sa capacité à stocker de manière optimale l'énergie de détente. [0017] Dans des modes de réalisation, le poste de détente objet de la présente invention comporte un réservoir de stockage du fluide en sortie de l'échangeur de chaleur. [0018] Dans des modes de réalisation, le fluide est de l'air. [0019] Ces modes de réalisation permettent une conception simple du poste de détente. [0020] Dans des modes de réalisation, l'échangeur de chaleur est configuré pour être au moins partiellement enterré dans un sol. [0021] Ces modes de réalisation permettent d'optimiser le fonctionnement de l'échangeur de chaleur en termes de capacité à réchauffer le gaz et à refroidir le fluide. [0022] Dans des modes de réalisation, le poste objet de la présente invention comporte une pluralité de turbines de détente et/ou une pluralité de compresseurs étagés. [0023] Ces modes de réalisation augmentent la performance de la détente/compression. 3 100241 Dans des modes de réalisation, l'échangeur de chaleur est positionné entre deux étages de turbines de détente et/ou de compresseurs. [0025] Ces modes de réalisation permettent de réaliser un échange de chaleur intermédiaire. [0026] Dans des modes de réalisation, le poste de détente objet de la présente invention comporte un échangeur thermique entre un flux d'huile issu d'un compresseur et un flux de gaz fourni audit poste. [0027] Dans des modes de réalisation, le poste de détente objet de la présente invention comporte un échangeur thermique entre le générateur et un flux de gaz fourni audit poste. Brève description des dessins [0028] D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l'invention ressortiront de la description non limitative qui suit d'au moins un mode de réalisation particulier du poste de détente objet de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : [0029] [fig.1] représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du poste de détente objet de la présente invention, [0030] [fig.] représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du poste de détente objet de la présente invention et [0031] [fig.3] représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du poste de détente objet de la présente invention. Description des modes de réalisation 100321 La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d'un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse. 100331 On note dès à présent que les figures ne sont pas à l'échelle. 100341 On note que le terme « gai » fait référence, par exemple, à du méthane. 100351 On note que le terme « réseau amont » désigne, par exemple, un réseau de transport de gaz. 100361 On note que le terme « réseau aval » désigne, par exemple, un réseau de distribution de gaz. 100371 On observe, sur la figure 1, qui n'est pas à l'échelle, une vue schématique d'un mode de réalisation du poste de détente 100 objet de la présente invention. Ce poste de détente 100 d'un flux d'un gai, présentant en entrée une température Ta et une pression P, comporte : une turbine 105 de détente contigu& pour abaisser la pression du flux de gaz à une pression Pb et à une température Tb telles que Pb Pi. et Ta> T1. et un échangeur 115 de chaleur entre le flux de gaz en sortie ou en entrée de la turbine de détente et le flux du fluide en sortie ou en entrée du compresseur pour réchauffer le gaz et pour refroidir le fluide. [0038] La turbine 105 de détente est, par exemple, une turbine de détente de gaz de tout type connu de l'Homme du Métier dans le contexte de la détente d'un gaz entre une réseau amont et un réseau aval de gaz. Le choix d'implémentation de la turbine 105 dépend ainsi de la valeur de pression en entrée du gaz et de la valeur de pression en sortie du gaz Pb. Typiquement, la pression en entrée du gaz P. est de l'ordre 60 bar de et de la valeur de pression en sortie du gaz P, est de l'ordre de 20 bar. [0039] Par exemple, la turbine 105 peut être de type axiale multi-étagée. [0040] Dans des variantes, telle que celle représentée en figure 3, le poste 300 comporte unc pluralité de turbines 105 étagées. [0041] Dans des variantes, la turbine 105 est remplacée par tout autre moyen de détente d'un gaz connu. Dans des variantes, plusieurs turbines 105 et/ou moyen de détente sont disposés en cascade. [0042] Le compresseur 110 est, par exemple, un compresseur de gaz de tout type connu de l'Homme du Métier dans le contexte du transfert d'une énergie mécanique en énergie gazeuse. Le choix d'implémentation du compresseur 110 dépend ainsi de la valeur de pression en entrée du fluide Pc et de la valeur de pression en sortie du fluide Pd. [0043] Ce compresseur 110 est, par exemple, un compresseur centrifuge ou axial multi- étagé. Le compresseur 110 est, par exemple, configuré pour en entrée, recevoir de l'air à pression atmosphérique et en sortie fournir de l'air comprimé selon une pression comprise entre 100 et 200 bar. [0044] Dans des variantes, le compresseur 110 est remplacé par tout autre moyen de com- pression d'un gaz connu. Dans des variantes, plusieurs compresseurs 110 et/ou moyens de compression sont étagés. [0045] La turbine 105 de détente et le compresseur 110 sont mécaniquement associés pour que le déplacement de la turbine 105 lors de la détente du gaz entraîne l'actionnement du compresseur 110 de sorte que le fluide soit comprimé. Par exemple, un arbre peut être solidarisé à la turbine 105, cet arbre étant mis en rotation sur lui-même lors du déplacement de la turbine 105, cet arbre étant également solidarisé au compresseur 110 de sorte que la rotation de l'arbre entraîne la rotation du compresseur 110 et donc la compression du fluide. [0046] Dans des variantes, le poste 100 comporte une boite de vitesses entre la turbine 105 et le compresseur 110 de sorte à permettre des vitesses de rotation et des couples différents entre la turbine 105 et le compresseur 110. [0047] L'échangeur 115 de chaleur est, par exemple, un échangeur tubulaire ou à ailettes. Dans des variantes, l'échangeur 115 peut comporter un circuit caloporteur intermédiaire. [0048] Au sein de l'échangeur 115 de chaleur, le rapport des pressions Pb et Pd demeure inchangé tandis que la température Tb augmente et que la température T' baisse. L'échangeur 115 est configuré pour qu'en sortie, la température du gaz soit compatible avec une plage de valeurs de température acceptée par le réseau aval. Par exemple, le gaz en sortie de l'échangeur 115 est grossièrement à température ambiante. Typiquement, la valeur de température en entrée T' est de l'ordre de 5 °C et la température en sortie de l'échangeur 115 est de l'ordre de 10°C ou 20°C. [0049] Le fluide en sortie de l'échangeur 115 de chaleur peut être relâché dans l'environnement autour du poste 100 de détente. [0050] Ce fluide peut également être fourni directement à un générateur 125 d'énergie électrique. [0051] Ce fluide peut également être injecté sur un réseau d'air comprimé. [0052] Ce fluide peut également être stocké dans un réservoir 120 de stockage du fluide comprimé refroidi dans l'échangeur 115 de chaleur. [0053] Le réservoir 120 est, par exemple, une bombonne configurée pour stocker le fluide selon une pression déterminée. Dans des variantes, le réservoir 120 est formé de plusieurs bombonnes. [0054] Dans des variantes, le réservoir est configuré pour pouvoir être relié à un réseau de gaz comprimé. Dans d'autres variantes, le poste 100 ne comporte pas de réservoir et le gaz comprimé est injecté directement sur un réseau de gaz. [0055] Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1 et 2, le poste, 100 ou 200, comporte un générateur 125 configuré pour générer de l'électricité électrique à partir du fluide comprimé en sortie 140 du couple formé par l'échangeur 115 de chaleur et le compresseur 110. [0056] Dans des variantes, le générateur 125 est configuré pour générer de l'électricité à partir du fluide stocké dans un réservoir 120. [0057] Le générateur 125 est, par exemple, un générateur d'électricité à partir de gaz comprimé fonctionnant par l'actionnement d'une turbine par le flux de gaz relâché. Ce générateur 125 peut être, par exemple, de type asynchrone triphasé. [0058] Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1 et 2, le poste, 100 ou 200, comporte un moyen 130 de stockage d'énergie électrique généré par le gé- 6 nérateur. [0059] Le moyen 130 de stockage d'énergie est, par exemple, une batterie. [0060] Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1 et 2, le poste, 100 ou 200, l'électricité alimente au moins un élément 135 dudit poste de détente. [0061] L'élément 135 peut être de toute nature pourvu qu'il requière une alimentation électrique. Cet élément 135 est, par exemple, un écran, un capteur, un actionneur, un détecteur. Par exemple, cet élément 135 est une vanne ou un moteur. [0062] Dans des variantes, l'électricité alimente un équipement extérieur au poste de détente, 100 011 200, c'est-à-dire non compris dans les éléments nécessaires au fonctionnement dudit poste de détente, 100 ou 200, en tant que tel. [0063] Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 2, le fluide en sortie du générateur 115 est fourni en entrée du compresseur 110. [0064] Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1 et 2, le poste, 100 ou 200, le fluide est de l'air par exemple. Cc fluide peut être de tout autre type avantageux en termes de capacité de stockage d'énergie. [0065] Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1 et 2, le poste, 100 ou 200, l'échangeur 115 de chaleur est configure pour être au moins partiellement enterré dans un sol. [0066] Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le poste 300 comporte une pluralité de turbines 105 de détente et/ou une pluralité de compresseurs 110 étagés. [0067] Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, l'échangeur 115 de chaleur est positionné entre deux étages de turbines 105 de détente et/ou de turbines 110 de compression. [0068] Dans des variantes, l'échangeur 115 est positionné en amont de chaque turbine 105 et/ou de chaque compresseur 110. [0069] Dans des variantes, telles que celles représentées en figures 1 et 2, l'échangeur 115 est positionné en aval de chaque turbine 105 et/ou de chaque compresseur 110. [0070] Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le poste 300 comporte un échangeur 305 thermique entre un flux d'huile issu d'un compresseur 110 et un flux de gaz fourni audit poste. [0071] Cet échangeur 305 thermique peut être de tout type apte à l'échange thermique entre le gaz et l'huile issue du compresseur 110. [0072] Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le poste 300 comporte un échangeur 310 thermique entre le générateur 125 et un flux de gaz fourni audit poste. [0073] Cet échangeur 310 thermique peut être de tout type apte à l'échange thermique entre le gaz et le générateur 125. Cet échange thermique peut être réalisé entre le flux d'air 7 entrant ou quittant le générateur 125 et le gaz ou entre l'air à proximité du générateur 125 et le gaz. Le gaz considéré ici peut être en amont de toute turbine 105 ou entre deux étages d'une turbine 105. [0074] Dans des modes de réalisation, le poste 300 comporte un échangeur 125 de chaleur en amont de chaque étage de turbine 105 et/ou de compresseur 110. Réchauffer le gaz à chaque étage de détente est permet de ne pas descendre trop bas en température et éviter la formation d'hydrates (i.e. sublimation de molécules contenant de l'eau) qui pourraient endommager la turbine 105. De même refroidir le gaz à chaque étage de compression permet d'éviter que les gaz trop chauds ne détériorent certaines pièces du compresseur 110. 8