Brevet FR3114870A1 — publié le 20220408

Installation (1) de réfrigération et/ou de liquéfaction d’un fluide comprenant un circuit (2) de fluide à refroidir comprenant une extrémité amont (21) destinée à être reliée à une source de fluide à refroidir et une extrémité aval (22) destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi et/ou liquéfié, l’installation (1) comprenant un ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) de fluide à refroidir, l’installation (1) comprenant un dispositif de refroidissement en échange thermique avec l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur, ledit dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur (5) à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le circuit de travail du réfrigérateur (5) comprenant un mécanisme (6) de compression du gaz de cycle, un système (3, 4) de refroidissement du gaz de cycle, un mécanisme (7) de détente du gaz de cycle et un système (4, 3) de réchauffage du gaz de cycle, le mécanisme (7) de détente du gaz de cycle comprenant plusieurs turbines (7) solidaires d’arbres montées rotatifs sur des paliers (17) de type aérostatiques, l’installation (1) comprenant des mécanismes de freinage des turbines (17), lesdits mécanismes de freinage comprenant chacun un compresseur (27) de freinage solidaires d’un axe de turbine (7) et un circuit (9) de gaz de freinage intégrant le compresseur (27) de freinage, les circuits (9) de gaz de freinage comprenant un système de refroidissement du gaz de freinage en aval du compresseur (27) de freinage et un mécanisme (11) de détente du gaz de freinage, l’installation (1) étant munie d’un circuit de gaz comprimé de sustentation comprenant une extrémité reliée à une source de gaz comprimé de sustentation et une extrémité aval reliée aux paliers (17), caractérisée en ce que la source de gaz comprimé de sustentation comprend au moins un des circuits (9) de freinage. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Installation et procédé de réfrigération et/ou de liquéfaction d’un fluide L’invention concerne une installation et un procédé de réfrigération et/ou de liquéfaction d’un fluide. L’invention concerne plus particulièrement une installation de réfrigération et/ou de liquéfaction d’un fluide comprenant un circuit de fluide à refroidir comprenant une extrémité amont destinée à être reliée à une source de fluide à refroidir et une extrémité aval destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi et/ou liquéfié, l’installation comprenant un ensemble d’échangeur(s) de chaleur en échange thermique avec le circuit de fluide à refroidir, l’installation comprenant un dispositif de refroidissement en échange thermique avec l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur, ledit dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le circuit de travail du réfrigérateur comprenant un mécanisme de compression du gaz de cycle, un système de refroidissement du gaz de cycle, un mécanisme de détente du gaz de cycle et un système de réchauffage du gaz de cycle, le mécanisme de détente du gaz de cycle comprenant plusieurs turbines solidaires d’arbres montées rotatifs sur des paliers de type aérostatiques, l’installation comprenant des mécanismes de freinage des turbines, lesdits mécanismes de freinage comprenant chacun un compresseur de freinage solidaires d’un axe de turbine et un circuit de gaz de freinage intégrant le compresseur de freinage, les circuits de gaz de freinage comprenant un système de refroidissement du gaz de freinage en aval du compresseur de freinage et un mécanisme de détente du gaz de freinage, l’installation étant munie d’un circuit de gaz comprimé de sustentation comprenant une extrémité reliée à une source de gaz comprimé de sustentation et une extrémité aval reliée aux paliers. De nombreux réfrigérateurs ou liquéfacteurs cryogéniques utilisent des turbines de détente du gaz de cycle à palier de type appelé « statique » ou « aérostatique ». Ces turbines à gaz sur paliers statiques nécessitent une alimentation continuelle de gaz sous pression des paliers pour réaliser la sustentation de l’arbre en rotation. Classiquement, une portion du débit du gaz de cycle du procédé est comprimée à température ambiante et n’est pas détendu au sein du procédé pour refroidir le fluide principal mais est injecté aux niveaux des paliers de chaque turbine du procédé pour réaliser la sustentation. Ainsi, une partie du gaz de cycle comprimé n’est pas utilisé pour extraire de l’énergie de l’application à refroidir. Une autre solution consiste à utiliser des paliers à gaz dits « dynamiques », où aucune injection de gaz n’est réalisée pour sustenter l’arbre en rotation mais cette technologie est peu robuste lors des démarrages et arrêts et nécessite une architecture de type coin d’air, induisant une certaine sensibilité aux variations de charge (liées aux jeux réduits nécessaire, notamment lors de l’emploi de fluides de travail de type gaz légers tels que l’hélium ou l’hydrogène). Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, l’installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que la source de gaz comprimé de sustentation comprend au moins un des circuits de freinage. Ceci permet de supprimer ou diminuer la consommation de gaz de cycle comprimé par le compresseur principal. Le gaz de freinage est ainsi capable de fournir suffisamment d’énergie potentielle de pression afin de sustenter tout ou partie des arbres en rotation. Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : plusieurs circuits de gaz de freinage sont reliés fluidiquement dans un circuit commun dans lequel les compresseurs de freinage sont disposés en série et en ce que la source de gaz comprimé de sustentation comprend une extrémité du circuit commun en aval des compresseurs de freinage en série, le circuit de gaz comprimé de sustentation comprend des conduites d’amenée respectives comprenant chacune une extrémité amont reliée au circuit commun en aval des compresseurs en série et une extrémité aval reliée à une entrée d’un palier, le circuit de gaz comprimé de sustentation comprend des conduites de retour respectives comprenant chacune une extrémité amont reliée à une sortie d’un palier et une extrémité aval reliée au circuit commun, en amont des compresseurs en série. L’invention concerne également un procédé de de réfrigération et/ou de liquéfaction d’un fluide utilisant une installation selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, et comprenant une étape de prélèvement d’au moins une partie du flux de gaz de freinage d’au moins un des circuits de freinage en aval du compresseur de freinage, une étape d’injection dudit gaz prélevé dans au moins un palier pour sustenter l’axe de turbine, une étape de récupération du gaz de freinage ayant circulé dans le palier et une étape de renvoi dudit gaz récupéré dans le au moins un circuits de freinage. Selon d’autres caractéristiques possibles : le procédé comprend une étape d’injection d’un débit de gaz de sustentation à partir d’une source de gaz de freinage sous pression distincte des circuits de freinage au moins pendant une phase de démarrage et/ou d’arrêt de l’installation, le flux de gaz de freinage injecté dans le(s) palier(s) a une pression comprise entre cinq et soixante bar, le gaz de freinage comprend au moins l’un parmi : He, H2, Ne, N2, O2, Ar, Co, CO2, CH4 ou autres composés de l’air. L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’une installation de réfrigération et/ou de liquéfaction selon l’invention. L’installation 1 représentée à titre d’exemple est un réfrigérateur et/ou un liquéfacteur cryogénique d’un fluide. Cette installation 1 comprend un circuit 2 de fluide à refroidir/liquéfier comprenant une extrémité amont 21 destinée à être reliée à une source de fluide à refroidir et une extrémité aval 22 destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi et/ou liquéfié. Le fluide à refroidir peut comprendre par exemple : de l’hydrogène, de l’hélium, du néon ou tout autre gaz de l’air ou autre mélange. L’installation 1 comprenant à cet effet un ensemble d’échangeurs 3, 4 de chaleur en série en échange thermique avec le circuit 2 de fluide à refroidir. L’installation 1 comprend un dispositif de refroidissement en échange thermique avec l’ensemble d’échangeurs 3, 4 de chaleur. Le dispositif de refroidissement comprend un réfrigérateur 5 à cycle de réfrigération d’un gaz dans un circuit de travail. Par exemple ce gaz de cycle comprend l’un au moins parmi : hydrogène, hélium, néon … Le circuit de travail du réfrigérateur 5 (de préférence un circuit fermé en boucle) comprend un mécanisme 6 de compression du gaz de cycle (un ou plusieurs compresseurs), un système 3, 4 de refroidissement du gaz de cycle (un ou plusieurs échangeurs, par exemple récupératif à contre-courant comme représenté), un mécanisme 7 de détente du gaz de cycle et un système 4, 3 de réchauffage du gaz de cycle (par exemple tout ou partie des échangeurs de chaleur précités). Le mécanisme 7 de détente du gaz de cycle comprend plusieurs turbines 7 (en série dans cet exemple mais qui pourraient pour certaines être montées en parallèle pour détendre des fractions distinctes du flux de gaz de cycle). Dans l’exemple représenté chaque turbine 7 est montée à une extrémité d’un arbre rotatif monté sur palier 17 de type aérostatique. L’installation 1 comprend des mécanismes de freinage distincts pour chacune des turbines 7. Chaque mécanisme de freinage comprend un compresseur 27 de freinage solidaire d’une autre extrémité de l’axe portant la turbine 7 et un circuit 9 de gaz de freinage intégrant le compresseur 27 de freinage. Le circuit de freinage de chaque turbine 7 forme une boucle comprenant en série un système 10 de refroidissement du gaz de freinage en aval du compresseur 27 de freinage (par exemple un échangeur gaz de freinage avec un caloporteur tel que de l’eau ou de l’air) et un mécanisme 11 de détente du gaz de freinage en aval (vanne de détente ou orifice calibré par exemple). Ainsi chaque circuit de freinage peut former une boucle de gaz de freinage qui est comprimé dans une roue de frein formant un compresseur puis refroidi puis détendu etc... L’installation 1 est munie d’un circuit de gaz comprimé de sustentation de l’axe des turbines 7. Selon une particularité avantageuse, ce gaz sous pression de sustentation est fourni au(x) palier(s) 17 par le ou les circuits 9 de gaz de freinage (au lieu ou en plus du gaz du cycle). De préférence, plusieurs circuits 9 de gaz de freinage (par exemple tous) sont reliés fluidiquement dans un circuit commun dans lequel les compresseurs 27 de freinage sont disposés en série avec refroidissements intermédiaires. C’est-à-dire que les compresseurs 27 de freinage en série peuvent être situés dans une boucle commune. Le gaz de freinage sortant du dernier compresseur 27 de freinage (en aval) peut être détendu dans le détendeur 11 du premier compresseur (en amont). Comme illustré, les circuits de freinage de chacun des compresseurs 27 de freinage peuvent comporter des conduites de dérivation munies chacune de vanne(s) et/ou détendeur 11 (et/ou orifice(s) calibrés), reliant respectivement le circuit commun à l’entrée d’admission de chacun des compresseurs de freinage 27 intermédiaires entre le premier compresseur 27 de freinage (amont) et le dernier compresseur 27 de freinage (aval). Dans une variante possible tout ou partie du ou des flux pourrait être renvoyé à l’aspiration du premier compresseur. Cette configuration permet le cas échéant d’ajuster le débit de gaz de freinage comprimé dans chaque étage de compresseur 7 de freinage. Ce débit de freinage peut être adapté au besoin de chaque arbre en rotation soumis à des efforts axiaux et radiaux. La source de gaz comprimé de sustentation peut être située à une extrémité du circuit commun, en aval du dernier des compresseurs 27 de freinage en série. Ceci permet de disposer d’un débit de gaz sous pression suffisant pour assurer la sustentation de tout ou partie des axes des turbines 7. En effet, le circuit de freinage commun additionne le gaz de freinage des différents circuits de freinage. Comme illustré, le circuit de gaz comprimé de sustentation peut comprendre plusieurs conduites 12 d’amenée respectives de gaz sous pression comprenant chacune une extrémité amont reliée au circuit commun en aval des compresseurs 17 en série et une extrémité aval reliée à une entrée d’un palier 17 respectif. C’est-à-dire que le circuit commun fournit en gaz de sustentation les paliers 17, via des lignes parallèles respectives. De même, le circuit de gaz comprimé de sustentation peut comprendre des conduites 13 de retour respectives comprenant chacune une extrémité amont reliée à une sortie d’un palier 17 et une extrémité aval reliée au circuit commun, en amont du premier compresseur 17 de freinage en série. C’est-à-dire que les flux de gaz sous pression ayant servi à la sustentation des paliers 17 sont ensuite renvoyés vers le circuit de freinage commun (cf. réf. A, B et C qui symbolisent le renvoi des flux de gaz de sustentation vers le circuit de freinage pour faciliter la compréhension des flux). Cette mutualisation des circuits de freinage permet d’atteindre des débits et pression de gaz de travail plus importants par rapport à l’utilisation de gaz de freinage séparés de circuits de freinage distincts et indépendants. En effet, le circuit de freinage commun dispose d’un taux de compression global élevé, permettant ainsi de fournir suffisamment d’énergie potentielle de pression afin de sustenter tous les arbres en rotation. Par exemple, selon les installations, cet agencement permet de fournir un flux de gaz sous pression de sustentation à un débit compris entre 10 et 50 grammes par seconde et à une pression comprise entre 15 et 50 bar . L’invention présente de nombreux avantages : un taux de compression disponible élevé permet de sustenter les arbres en rotation tout en permettant de supprimer une consommation de gaz de cycle à cet effet. Ceci améliore l’efficacité et le coût de l’installation 1 (par exemple de l’ordre de 2 à 10%). Comme illustré, le circuit de travail du réfrigérateur 5 peut comprendre, à la sortie du mécanisme 6 de compression, un réservoir 120 tampon de stockage de gaz de cycle sous pression qui peut être utilisé comme gaz de sustentation dans les paliers 17 si besoin (phases transitoires et notamment démarrage et arrêt de l’installation) par exemple par l’intermédiaire d’une conduite de dérivation en aval du stockage 120 tampon munie d’une vanne 28. Ce gaz fourni par le réservoir 120 tampon peut être utilisé notamment dans certaines phases transitoires et/ou l’ors d’une phase d’ajustement au démarrage des turbines 7. Alternativement ou cumulativement, une conduite peut être prévue (munie d’une vanne 29) pour décharger du gaz de freinage vers l’aspiration du compresseur 6 de cycle (en phase transitoire par exemple sans impacter le rendement du réfrigérateur). Comme illustré également un système 8 de refroidissement du gaz de cycle comprimé peut être prévu entre le mécanisme 6 de compression et le réservoir 12 tampon. Bien entendu l’invention n’est pas limitée à cet exemple de réalisation. Ainsi, les échangeurs 10 de refroidissement distincts des circuits de freinage pourraient être combinées au sein d’un seul équipement. Dans l’exemple représenté les quatre circuits de fluide caloporteur de refroidissement du gaz de freinage pourraient être refroidis par un circuit commun de fluide caloporteur (eau ou eau glycolée par exemple). Ces circuits pourraient être logés au sein d’un même équipement. De même, le circuit du réfrigérateur 5 pourrait comporter une ou plusieurs pressions intermédiaires de travail (par exemple, un étage de pression intermédiaire sur lesquelles, les deux premières turbines amont pourraient être installées en série et dont l’échappement de la seconde turbine serait raccordé à ce niveau de pression intermédiaire. Installation (1) de réfrigération et/ou de liquéfaction d’un fluide comprenant un circuit (2) de fluide à refroidir comprenant une extrémité amont (21) destinée à être reliée à une source de fluide à refroidir et une extrémité aval (22) destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi et/ou liquéfié, l’installation (1) comprenant un ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) de fluide à refroidir, l’installation (1) comprenant un dispositif de refroidissement en échange thermique avec l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur, ledit dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur (5) à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le circuit de travail du réfrigérateur (5) comprenant un mécanisme (6) de compression du gaz de cycle, un système (3, 4) de refroidissement du gaz de cycle, un mécanisme (7) de détente du gaz de cycle et un système (4, 3) de réchauffage du gaz de cycle, le mécanisme (7) de détente du gaz de cycle comprenant plusieurs turbines (7) solidaires d’arbres montées rotatifs sur des paliers (17) de type aérostatiques, l’installation (1) comprenant des mécanismes de freinage des turbines (17), lesdits mécanismes de freinage comprenant chacun un compresseur (27) de freinage solidaires d’un axe de turbine (7) et un circuit (9) de gaz de freinage intégrant le compresseur (27) de freinage, les circuits (9) de gaz de freinage comprenant un système de refroidissement du gaz de freinage en aval du compresseur (27) de freinage et un mécanisme (11) de détente du gaz de freinage, l’installation (1) étant munie d’un circuit de gaz comprimé de sustentation comprenant une extrémité reliée à une source de gaz comprimé de sustentation et une extrémité aval reliée aux paliers (17), caractérisée en ce que la source de gaz comprimé de sustentation comprend au moins un des circuits (9) de freinage. Installation (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que plusieurs circuits (9) de gaz de freinage sont reliés fluidiquement dans un circuit commun dans lequel les compresseurs (27) de freinage sont disposés en série et en ce que la source de gaz comprimé de sustentation comprend une extrémité du circuit commun en aval des compresseurs (27) de freinage en série. Installation (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le circuit de gaz comprimé de sustentation comprend des conduites (12) d’amenée respectives comprenant chacune une extrémité amont reliée au circuit commun en aval des compresseurs (17) en série et une extrémité aval reliée à une entrée d’un palier (17). Installation (1) selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le circuit de gaz comprimé de sustentation comprend des conduites (13) de retour respectives comprenant chacune une extrémité amont reliée à une sortie d’un palier (17) et une extrémité aval reliée au circuit commun, en amont des compresseurs (17) en série. Procédé de de réfrigération et/ou de liquéfaction d’un fluide utilisant une installation (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de prélèvement d’au moins une partie du flux de gaz de freinage d’au moins un des circuits (9) de freinage en aval du compresseur (27) de freinage, une étape d’injection dudit gaz prélevé dans au moins un palier (17) pour sustenter l’axe de turbine, une étape de récupération du gaz de freinage ayant circulé dans le palier (17) et une étape de renvoi dudit gaz récupéré dans le au moins un circuits (9) de freinage. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’injection d’un débit de gaz de sustentation à partir d’une source (12) de gaz de freinage sous pression distincte des circuits (9) de freinage au moins pendant une phase de démarrage et/ou d’arrêt de l’installation. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le flux de gaz de freinage injecté dans le(s) palier(s) a une pression comprise entre cinq et soixante bar. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le gaz de freinage comprend au moins l’un parmi : He, H2, Ne, N2, O2, Ar, Co, CO2, CH4 ou autres composés de l’air.