Brevet FR3106650A1 — publié le 20210730

TITRE DE L’INVENTION : DISPOSITIF DE DÉCOMPRESSION D’UN TRONÇON DE RÉSEAU DE GAZ Le dispositif (40) de décompression d’un tronçon (12) de réseau de gaz, par extraction du gaz présent dans ce tronçon, compression du gaz extrait et injection du gaz comprimé dans un contenant de gaz (13), par exemple un réseau de gaz ou un réservoir de gaz, comporte : - un surpresseur pneumatique (30) muni d’une chambre de détente (17) et d’une chambre de compression (23), - une première conduite de gaz (31) entre le tronçon de réseau et une entrée (18) de la chambre de détente, - une deuxième conduite de gaz (32) entre une sortie (19) de la chambre de détente et un compresseur de gaz (14) configuré pour injecter du gaz comprimé dans le contenant de gaz, - une troisième conduite de gaz (33) entre le tronçon de réseau et une entrée (15) de la chambre de compression et - une quatrième conduite de gaz (34) comprimé entre une sortie (16) de la chambre de compression et le contenant de gaz. Préférentiellement, le surpresseur pneumatique (30) comporte un piston libre (11) entre la chambre de détente (17) et la chambre de compression (23). Figure pour l'abrégé : figure 2 DISPOSITIF DE DÉCOMPRESSION D’UN TRONÇON DE RÉSEAU DE GAZ DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention vise un dispositif de décompression d’un tronçon de réseau de gaz. Elle s’applique, notamment, au domaine des réseaux de transport et de distribution de gaz naturel, de biogaz et d’hydrogène. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Il est parfois nécessaire de décomprimer un tronçon de réseau de gaz sur lequel des interventions sont prévues, par exemple, des travaux de modification, de maintenance ou de réparation. Afin de limiter la perte du gaz contenu dans ce tronçon, une station de compression mobile peut être utilisée pour extraire le gaz du tronçon à purger et le réinjecter dans un réseau de gaz opérationnel. Puisque la pression du tronçon à purger doit être abaissée jusqu’au plus proche de zéro, le compresseur de la station de compression doit être dimensionné pour fonctionner à une pression d’aspiration faible. La pression dans le tronçon à purger étant, au début de l’opération, très supérieure à la pression d’aspiration pour laquelle le compresseur est conçu, un module de détente est placé entre le tronçon à purger et le compresseur. Cela revient à détendre un gaz pour le recomprimer ensuite, ce qui constitue une perte d’énergie. La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de décompression d’un tronçon de réseau de gaz, par extraction du gaz présent dans ce tronçon, compression du gaz extrait et injection du gaz comprimé dans un contenant de gaz, par exemple un réseau de gaz ou un réservoir de gaz, qui comporte : - un surpresseur pneumatique muni d’une chambre de détente et d’une chambre de compression, - une première conduite de gaz entre le tronçon de réseau et une entrée de la chambre de détente, - une deuxième conduite de gaz entre une sortie de la chambre de détente et un compresseur de gaz configuré pour injecter du gaz comprimé dans le contenant de gaz, - une troisième conduite de gaz entre le tronçon de réseau et une entrée de la chambre de compression et - une quatrième conduite de gaz comprimé entre une sortie de la chambre de compression et le contenant de gaz. Grâce à ces dispositions, l’énergie libérée par la détente du gaz dans le surpresseur pneumatique en amont du compresseur permet la compression de gaz dans le surpresseur pneumatique. L’énergie de détente n’est donc plus perdue. De plus, l’extraction de gaz du tronçon de réseau à purger est plus rapide puisque le compresseur et la chambre de compression du surpresseur véhiculent parallèlement du gaz depuis ce tronçon vers le contenant de gaz. Dans des modes de réalisation, le surpresseur pneumatique comporte un piston libre entre la chambre de détente et la chambre de compression. La détente du gaz, prélevé sur le tronçon à purger, réalisée par le dispositif, permet d’alimenter le compresseur à une pression pour laquelle il est conçu et de mouvoir le piston libre du surpresseur, qui comprime du gaz prélevé sur le tronçon à purger, à une pression suffisamment élevée pour être injecté dans le contenant de gaz, par exemple un réseau opérationnel. Ainsi, l’invention permet d’augmenter, sans dépense d’énergie, le débit de gaz d’une station de compression placée entre un tronçon de réseau de gaz à purger et un réseau de gaz opérationnel. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte un échangeur de chaleur configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé dans la quatrième conduite de gaz vers le gaz dans la première conduite de gaz. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte un échangeur de chaleur configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé dans la quatrième conduite de gaz vers le gaz dans la deuxième conduite de gaz. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte un échangeur de chaleur configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé en sortie du compresseur vers le gaz dans la première conduite de gaz. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte un échangeur de chaleur configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé en sortie du compresseur vers le gaz dans la deuxième conduite de gaz. Grâce à chacune de ces dispositions, on réchauffe ainsi le gaz avant ou après sa détente en utilisant le gaz chaud en sortie de la chambre de compression ou du compresseur. On réduit ainsi les problèmes dus à la chute de température lors de la détente du gaz dans le surpresseur, en amont du compresseur. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte un régulateur de pression amont positionné sur la quatrième conduite de gaz. Grâce à ces dispositions, la pression en sortie de la chambre de compression du surpresseur et la température en un échangeur de chaleur positionné sur la quatrième conduite de gaz sont constantes. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte un régulateur de pression aval primaire sur la deuxième conduite de gaz entre la chambre de détente du surpresseur et le compresseur. Ainsi, le compresseur est alimenté en gaz à pression constante. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte un régulateur de pression aval secondaire sur une cinquième conduite de gaz entre le tronçon à purger et le compresseur. Ainsi, le compresseur continue à être alimenté en gaz quand la pression dans le tronçon à purger est devenue insuffisante pour faire fonctionner le surpresseur. Dans des modes de réalisation, le point de consigne du régulateur de pression aval secondaire est inférieur au point de consigne du régulateur de pression aval primaire. Ainsi, le régulateur de pression aval secondaire est fermé lorsque le surpresseur fonctionne. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES 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 dispositif de compression objet de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention, représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention, représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier d’un piston libre mis en œuvre dans différents modes de réalisation du dispositif objet de l’invention, représente, schématiquement, une première phase de fonctionnement d’un piston libre à ouverture traversante, représente, schématiquement, une deuxième phase de fonctionnement d’un piston libre à ouverture traversante, représente, schématiquement, une troisième phase de fonctionnement d’un piston libre à ouverture traversante et représente, schématiquement, une quatrième phase de fonctionnement d’un piston libre à ouverture traversante. 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. On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l’échelle. Le dispositif objet de l’invention met préférentiellement en œuvre, pour utiliser l’énergie de détente d’un fluide pour en comprimer un second, un surpresseur pneumatique ou un piston libre. C’est la version avec un piston libre qui est représentée dans les figures 1 à 7. On rappelle que, dans un surpresseur à piston libre, le mouvement du piston répond uniquement à la pression du gaz, sans qu'une bielle ne l’actionne ou le retienne. L’homme du métier sait aisément remplacer ce piston libre par un surpresseur pneumatique à membranes, par exemple. Dans le premier mode de réalisation illustré en figure 1, le dispositif de décompression 10 d’un tronçon de réseau de gaz 12, fonctionne par extraction du gaz présent dans ce tronçon 12, compression du gaz extrait et injection du gaz comprimé dans un contenant de gaz 13, par exemple un réseau de gaz, comme représenté, ou un réservoir de gaz. Le dispositif 10 comporte un surpresseur pneumatique 30 muni d’une chambre de détente 17 et d’une chambre de compression 23. Une première conduite de gaz 31 relie le tronçon de réseau 12 à une entrée 18 de la chambre de détente 17. Une deuxième conduite de gaz 32 relie une sortie 19 de la chambre de détente 17 à un compresseur de gaz 14 qui injecte du gaz comprimé dans le contenant de gaz 13. Une troisième conduite de gaz 33 relié le tronçon de réseau 12 à une entrée 15 de la chambre de compression 23. Une quatrième conduite 34 de gaz comprimé relie une sortie 16 de la chambre de compression 23 au contenant de gaz 13. Ainsi, l’énergie libérée par la détente du gaz dans le surpresseur pneumatique 30 en amont du compresseur 14 permet la compression de gaz dans le surpresseur pneumatique 30. L’énergie de détente n’est donc plus perdue. De plus, l’extraction de gaz du tronçon de réseau 12 à purger est plus rapide puisque le compresseur 14 et la chambre de compression 23 du surpresseur 30 véhiculent parallèlement du gaz depuis ce tronçon 12 vers le contenant de gaz 13. La détente du gaz, prélevé sur le tronçon 12 à purger, réalisée par le dispositif 10, permet d’alimenter le compresseur 14 à une pression pour laquelle il est conçu. Préférentiellement, le surpresseur pneumatique 30 comporte un piston libre 11 se déplaçant entre la chambre de détente 17 et la chambre de compression 23. Deux modes de réalisation du surpresseur à piston libre sont décrits en regard des figures 3, d’une part, et 4 à 7, d’autre part. La détente du gaz, prélevé sur le tronçon 12 à purger, réalisée par le dispositif 10, permet de mouvoir le piston libre 11 du surpresseur 30, piston libre 11 qui comprime du gaz prélevé sur le tronçon 12 à purger, à une pression suffisamment élevée pour être injecté dans le contenant de gaz 13. Ainsi, le dispositif 10 permet d’augmenter, sans dépense d’énergie, le débit de gaz d’une station de compression placée entre un tronçon de réseau 12 de gaz à purger et un réseau de gaz opérationnel 13. Dans des modes de réalisation, tels que celui illustré en figure 2, on ajoute des éléments pour automatiser le fonctionnement du dispositif 40 objet de l’invention. On note que la détente du gaz provoque une baisse de sa température, ce qui peut se révéler problématique. Pour réduire cette baisse de température, le dispositif 40 comporte un échangeur de chaleur 41 configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé dans la quatrième conduite de gaz 34 vers le gaz dans la première conduite de gaz 31. Dans le même but, dans des variantes (non représentées) : - le dispositif de décompression 40 comporte un échangeur de chaleur configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé dans la quatrième conduite de gaz 34 vers le gaz dans la deuxième conduite de gaz 32 ; - le dispositif de décompression 40 comporte un échangeur de chaleur configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé en sortie du compresseur 14 vers le gaz dans la première conduite de gaz 31 et/ou - le dispositif de décompression 40 comporte un échangeur de chaleur configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé en sortie du compresseur 14 vers le gaz dans la deuxième conduite de gaz 32. Dans chacune de ces configurations, on réchauffe ainsi le gaz avant ou après sa détente en utilisant le gaz chaud en sortie de la chambre de compression et/ou du compresseur. On réduit ainsi, sans dépense d’énergie, les problèmes dus à la chute de température lors de la détente du gaz dans le surpresseur, en amont du compresseur. Le dispositif de décompression 40 comporte un régulateur de pression amont 35 positionné sur la quatrième conduite de gaz 34. On rappelle qu’un régulateur de pression amont (aussi appelé « déverseur ») régule la pression en son amont. La pression en sortie de la chambre de compression 23 du surpresseur 30 et la température dans l’échangeur de chaleur 41 positionné sur la quatrième conduite de gaz 34 sont ainsi constantes. Le dispositif de décompression 40 comporte un régulateur de pression aval primaire 36 sur la deuxième conduite de gaz 32 entre la chambre de détente 17 du surpresseur 30 et le compresseur 14. Ainsi, le compresseur 14 est alimenté en gaz à pression constante. On rappelle qu’un régulateur de pression aval régule la pression en son aval. Le dispositif de décompression 40 comporte un régulateur de pression aval secondaire 37 sur une cinquième conduite de gaz 38 reliant le tronçon 12 à purger et l’entrée du compresseur 14. Ainsi, le compresseur 14 continue à être alimenté en gaz quand la pression dans le tronçon 12 à purger est devenue insuffisante pour faire fonctionner le surpresseur 30. Le point de consigne du régulateur de pression aval secondaire 37 est inférieur au point de consigne du régulateur de pression aval primaire 36. Ainsi, le régulateur de pression aval secondaire 37 est fermé lorsque le surpresseur 30 fonctionne. La figure 3 représente un surpresseur, c’est-à-dire un couple détendeur 70, à gauche, et compresseur 72, à droite, à piston libre. Le détendeur 70 comporte une chambre 75 munie d’une entrée de gaz à haute pression provenant de la première conduite de gaz 31 et une sortie de gaz à basse pression dans la deuxième conduite de gaz 32. Dans la chambre 75, un piston de détente 74 est mis en mouvement par la pression du gaz et transmet cette pression, par l’intermédiaire d’un arbre 76 à un piston de compression 77 qui comprime le fluide dans une chambre 78. L’ensemble des pistons 74 et 77 et de l’arbre 76 constitue un piston libre. Des clapets 15 et 16 assurent l’étanchéité et le sens de déplacement du fluide depuis la troisième conduite de gaz 33 d’entrée de fluide gazeux à basse pression jusqu’à la quatrième conduite de gaz 34 de sortie de fluide à haute pression. Le système de commande de l’entrée de gaz dans la chambre 75 et de sortie de gaz de la chambre 75, n’est pas décrit ici, étant bien connu de l’homme du métier. Ainsi, un piston libre est mis en déplacement dans une première chambre 75 par le gaz et compresse le fluide dans une deuxième chambre 78. L’entraînement du compresseur par le détendeur se fait avec des pertes mécaniques très limitées, ce qui augmente le rendement du poste de détente. On note que la pression du fluide en sortie du compresseur peut être plus élevée que la pression du gaz en entrée du poste de détente, en fonction du ratio des surfaces des pistons 74 et 77. En variante, le piston libre est remplacé par des membranes, comme dans les surpresseurs à membranes de type connu. Dans le mode de réalisation illustré en figures 4 à 7, un surpresseur à piston libre 11. Les flèches en traits discontinus représentent les mouvements de gaz. La flèche en traits continus représente les mouvements du piston libre. Le piston libre 11 comporte une tête de détente 20 et une tête de compression 22 reliées par un arbre. Une ouverture traversante 24 débouche d’une part, dans la tête de détente 20 du côté opposé à la tête de compression 22 et, d’autre part, dans une paroi latérale de l’arbre. La première conduite de gaz 31 débouche dans la partie 21 de la chambre de détente 17 en regard de l’arbre. En conséquence, l’embouchure de l’ouverture traversante 24 ne se trouve dans la partie 21 que lorsque le volume libre de la chambre de compression 23 est maximum. La sortie de la chambre de détente 17 à laquelle est reliée la deuxième conduite de gaz 32 se trouve sur une face latérale de la chambre de détente 17 et n’est pas obstruée par la tête de détente 20 que lorsque l’ouverture traversante 24 ne débouche pas dans la partie 21 de la chambre de détente 17. Plus particulièrement, la sortie de la chambre de détente est obstruée par la tête de détente sauf dans la position du piston libre où le volume libre de la chambre de compression est minimal. Au début du cycle de fonctionnement du surpresseur, comme illustré en figure 4, le volume libre de la chambre de compression est intermédiaire entre ses valeurs extrêmes. La pression dans la partie 17 de la chambre de détente opposée à la chambre de compression 23 est à la valeur Pb du réseau aval 13. Le gaz provenant de la première conduite de gaz 31 pénètre dans la partie intermédiaire 21 de la chambre de détente, à une pression Pa. Le ratio des pressions Pa/Pb est supérieur au ratio des surfaces de la tête de détente 20 dans la partie 17 et dans la partie 21. Le piston libre 11 se déplace donc vers la gauche, comme illustré en figure 5. Ce mouvement du piston libre 11 entraîne l’aspiration de fluide gazeux provenant de la troisième conduite de gaz 33 à travers le clapet d’entrée 15. Lorsque le volume libre de la chambre de compression 23 est maximal, l’ouverture traversante 24 débouche sur la partie 21 de la chambre de détente et le gaz provenant de la première conduite de gaz 31 traverse la tête de détente. La pression dans la partie 17 de la chambre de détente atteint alors Pa, ce qui provoque le mouvement du piston libre 11 vers la chambre de compression 23, comme illustré en figure 6. Ce mouvement obstrue l’ouverture traversante 24 et comprime le fluide gazeux présent dans la chambre de compression 23. Le fluide gazeux comprimé traverse le clapet de sortie 16 puis la quatrième conduite de gaz 34. Lorsque le volume libre de la chambre de compression 23 est minimal, la partie 17 de la chambre de détente est pneumatiquement reliée à la deuxième conduite de gaz 32, comme illustré en figure 7. Suite à l’augmentation du volume de la partie 17, la pression dans la partie 17 de la chambre de détente chute pour atteindre la valeur Pb. Le cycle recommence alors. Comme on le comprend à la lecture de ce qui précède, ce surpresseur à piston libre 11 fonctionne sans partie mobile externe et tant qu’il y a une différence de pression suffisante entre la première conduite de gaz et la deuxième conduite de gaz. Dispositif (10, 40) de décompression d’un tronçon (12) de réseau de gaz, par extraction du gaz présent dans ce tronçon, compression du gaz extrait et injection du gaz comprimé dans un contenant de gaz (13), par exemple un réseau de gaz ou un réservoir de gaz, caractérisé en ce qu’il comporte : - un surpresseur pneumatique (30) muni d’une chambre de détente (17) et d’une chambre de compression (23), - une première conduite de gaz (31) entre le tronçon de réseau et une entrée (18) de la chambre de détente, - une deuxième conduite de gaz (32) entre une sortie (19) de la chambre de détente et un compresseur de gaz (14) configuré pour injecter du gaz comprimé dans le contenant de gaz, - une troisième conduite de gaz (33) entre le tronçon de réseau et une entrée (15) de la chambre de compression et - une quatrième conduite de gaz (34) comprimé entre une sortie (16) de la chambre de compression et le contenant de gaz. Dispositif (10, 40) selon la revendication 1, dans lequel le surpresseur pneumatique (30) comporte un piston libre (11) entre la chambre de détente (17) et la chambre de compression (23). Dispositif (10, 40) selon la revendication 2, dans lequel : - le piston libre (11) comporte une tête de détente (20) et une tête de compression (22) reliées par un arbre, une ouverture traversante (24) débouchant d’une part, dans la tête de détente du côté opposé à la tête de compression et, d’autre part, dans une paroi latérale de l’arbre, - la première conduite (31) de gaz débouche dans la chambre de détente (17) en regard de l’arbre et - la sortie de la chambre de détente à laquelle est reliée la deuxième conduite (32) se trouve sur une face latérale de la chambre de détente et n’est pas obstruée par la tête de détente que lorsque l’ouverture traversante ne débouche pas dans la chambre de détente. Dispositif (40) selon l’une des revendications 1 à 3, qui comporte un échangeur de chaleur (41) configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé dans la quatrième conduite de gaz (34) vers le gaz dans la première conduite de gaz (31). Dispositif (40) selon l’une des revendications 1 à 4, qui comporte un échangeur de chaleur configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé dans la quatrième conduite de gaz (34) vers le gaz dans la deuxième conduite de gaz (32). Dispositif (40) selon l’une des revendications 1 à 5, qui comporte un échangeur de chaleur configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé en sortie du compresseur (14) vers le gaz dans la première conduite de gaz (31). Dispositif (40) selon l’une des revendications 1 à 6, qui comporte un échangeur de chaleur configuré pour transférer de la chaleur du gaz comprimé en sortie du compresseur (14) vers le gaz dans la deuxième conduite de gaz (32). Dispositif (40) selon l’une des revendications 1 à 7, qui comporte un régulateur de pression amont (35) positionné sur la quatrième conduite de gaz (34). Dispositif (40) selon l’une des revendications 1 à 8, qui comporte un régulateur de pression aval primaire (36) sur la deuxième conduite de gaz (32) entre la chambre de détente (23) du surpresseur (30) et le compresseur (14). Dispositif (40) selon l’une des revendications 1 à 9, qui comporte un régulateur de pression aval secondaire (37) sur une cinquième conduite de gaz (38) entre le tronçon (12) à purger et le compresseur (14). Dispositif (40) selon les revendications 9 et 10, dans lequel le point de consigne du régulateur de pression aval secondaire (37) est inférieur au point de consigne du régulateur de pression aval primaire (36).