Brevet FR3127546A1 — publié le 20230331

L’invention se rapporte à un procédé mis en œuvre par ordinateur et à un système pour calculer pour calculer un paramètre de transition d’un moyen de stockage pour un gaz liquéfié, le moyen de stockage comportant au moins une cuve étanche et non réfrigérée 11, le paramètre de transition caractérisant une évolution d’un mélange biphasique 13 contenu dans la cuve étanche et non réfrigérée 11, entre un état initial et un état final, le mélange biphasique 13 incluant une phase liquide et une phase vapeur, ledit paramètre de transition pouvant être une durée de la transition, un débit de soutirage de liquide ou un débit de soutirage vapeur. Figure à publier : 4 PROCÉDÉ ET SYSTÈME POUR CALCULER UN PARAMÈTRE DE TRANSITION D’UN MOYEN DE STOCKAGE POUR UN GAZ LIQUÉFIÉ L’invention se rapporte à un procédé et un système pour calculer un paramètre de transition d’un moyen de stockage de gaz liquéfié. Plus particulièrement, le paramètre de transition caractérise un processus thermodynamique d’un mélange biphasique de gaz liquéfié et de sa vapeur contenu dans une ou plusieurs cuves étanches et non réfrigérées. Arrière-plan technologique Un gaz liquéfié est un gaz aux conditions normales de température et de pression rendu liquide par refroidissement ou compression. Des cuves étanches, thermiquement isolées et non réfrigérées sont couramment utilisées pour le transport de gaz liquéfiés à basse température, tels les gaz de pétrole liquéfiés (aussi appelé « GPL ») transporté à une température comprise entre - 50°C et 0°C ou encore le gaz naturel liquéfié (ci-après appelé « GNL ») transporté à une température de - 162°C. Ces cuves peuvent également être destinées au stockage de gaz liquéfié servant de carburant pour la propulsation d’un véhicule terrestre, maritime ou aérien. Une cuve contenant un gaz liquéfié refroidi à basse température se présente comme un mélange biphasique de liquide – le gaz liquéfié – surplombé par sa vapeur – le « ciel gazeux ». Durant le transport ou sur la période de stockage du gaz liquéfié, la cuve peut être soumise à des variations de pression. Les infiltrations de chaleur à travers les parois de la cuve provoquent l’évaporation du gaz liquéfié et une augmentation de la pression dans le ciel gazeux. À l’inverse, les soutirages de vapeur, par exemple pour alimenter le moteur d’un véhicule propulsé au gaz liquéfié, entraînent une diminution de la pression dans le ciel gazeux. Une pression trop basse risque cependant d’entraîner une déformation ou un décollement de la membrane d’étanchéité de la cuve (effondrement ou « collapsing »). Une pression trop haute risque à son tour d’entraîner une détérioration de la membrane d’étanchéité, voire d’endommager la cuve elle-même. Or l’intégrité structurelle de la membrane et de la cuve contenant un gaz liquéfié est particulièrement importante compte tenu de la nature inflammable ou explosive du liquide transporté ou stocké, tel le GNL. Afin de se prémunir des effets dommageables des surpressions ou dépressions, les cuves sont équipées de soupapes de sûreté qui s’ouvrent automatiquement au-delà de leur pression de tarage, et de soupapes casse-vide qui s’ouvrent automatiquement en-deça de leur pression de tarage. Pour contrôler les variations de pression au sein de la cuve dans la fourchette des pressions de tarage des soupapes casse-vide et des soupapes de sûreté, un opérateur peut décider de réaliser des soutirages de liquide ou de vapeur. Pour limiter l’augmentation de la pression au sein de la cuve, le gaz d’évaporation peut, sur décision de l’opérateur, être brûlé ou mis à l’évent, si les conditions réglementaires le permettent. Dans d’autres circonstances, lorsque le moteur d’un véhicule propulsé au gaz liquéfié est alimenté par des soutirages de vapeur, l’opérateur peut limiter la diminution de la pression au sein de la cuve en préférant des soutirages de liquide, dont la vaporisation forcée permet de suppléer l’alimentation moteur. Le brevet EP 3 390 893 décrit un procédé et un système pour calculer en temps réel, selon une méthode itérative, la durée de la montée en pression d’une cuve non réfrigérée contenant du GNL jusqu’à la pression de tarage des soupes de sûreté. Résumé Il est souhaitable de disposer d’une grande marge de manœuvre opératoire au cours du transport ou du stockage du gaz liquéfié, et donc gagner en flexibilité dans la chaîne logistique. Ainsi, un objectif à la base de certains aspects de l’invention est de pouvoir calculer, en temps réel ou à l’avance, des paramètres de transition – durée d’une variation de pression, débit de soutirage de liquide ou débit de soutirage de vapeur – caractérisant le comportement thermodynamique du gaz liquéfié contenu dans la cuve étanche et non réfrigérée. Ces informations constituent un outil d’aide à la décision et d’optimisation pour l’opérateur, lui permettant notamment d’élaborer des scenarii de gestion pour minimiser les pertes par évaporation durant le transport ou au cours du stockage du gaz liquéfié. Une idée à la base de l’invention est de calculer directement un paramètre de transition caractérisant un processus thermodynamique d’un mélange biphasique de gaz liquéfié et de sa vapeur, contenu dans une ou plusieurs cuves étanches et non réfrigérées, en effectuant un bilan de masse et un bilan d’énergie entre un état initial et un état final spécifié par l’opérateur. Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un procédé mis en œuvre par ordinateur pour calculer un paramètre de transition d’un moyen de stockage pour un gaz liquéfié, le moyen de stockage comportant au moins une cuve étanche et non réfrigérée, le paramètre de transition caractérisant une évolution d’un mélange biphasique contenu dans la cuve étanche et non réfrigérée entre un état initial et un état final, le mélange biphasique incluant une phase liquide et une phase vapeur, ledit paramètre de transition pouvant être une durée de la transition τ , un débit de soutirage de liquide ṁ l ou un débit de soutirage vapeur ṁ v . Le procédé comporte les étapes consistant à : - déterminer, pour la phase liquide et la phase vapeur dans l’état initial, des masses volumiques initiales ρ l,i et ρ v,i , et des énergies internes massiques initiales U l,i et U v,i à partir d’une température initiale de la phase liquide T l,i , d’une température initiale de la phase vapeur T v,i , d’une pression initiale de la phase vapeur P i , d’un volume initial de la phase liquide V l,i et d’une composition initiale de la phase liquide x l,i , - déterminer, pour la phase liquide et la phase vapeur dans l’état final, des masses volumiques finales ρ l,f et ρ v,f , des énergies internes massiques finales U l,f et U v,f , et des enthalpies massiques finales H l,f et H v,f à partir d’une équation d’état et d’une pression finale de la phase vapeur P f , - calculer le paramètre de transition à l’aide de l’équation dans laquelle Q correspond à une énergie apportée par les infiltrations de chaleur à travers les parois d’une cuve par unité de temps, V t correspond à un volume total de la cuve et avec La masse et l’énergie étant des propriétés extensives, les équations de conservation de la masse et de l’énergie en multicuves s’identifient à la somme de ces mêmes équations considérées pour chaque cuve. Ainsi, selon un autre mode de réalisation, le moyen de stockage comporte une pluralité de cuves et, pour la phase liquide et la phase vapeur, les masses volumiques initiales et finales, les énergies internes massiques initiales et finales et les enthalpies massiques finales sont déterminées pour chaque cuve, et le paramètre de transition est calculé à l’aide de l’équation l’exposant j renvoyant à l’index de la cuve considérée. Selon un mode de réalisation particulier, le paramètre de transition est la durée de transition τ , le débit de soutirage de vapeur ṁ v , et le débit de soutirage de liquide ṁ l étant prédéterminés. Selon une variante, le paramètre de transition est le débit de soutirage de vapeur ṁ v , le débit de soutirage de liquide ṁ l et la durée de la transition τ étant prédéterminés. Selon une autre variante, le paramètre de transition est le débit de soutirage de liquide ṁ l , la durée de la transition τ et le débit de soutirage de vapeur ṁ v étant prédéterminés. Selon un exemple de réalisation particulier, le moyen de stockage comporte au moins un capteur de niveau configuré pour déterminer le volume de la phase liquide dans au moins une cuve étanche et non réfrigérée et le volume initial de la phase liquide V l,i est déterminé par le capteur de niveau. Selon un exemple de réalisation particulier, le moyen de stockage comporte au moins un capteur de température configuré pour mesurer la température de la phase vapeur et au moins un capteur de température configuré pour mesurer la température de la phase liquide dans au moins une cuve étanche et non réfrigérée, et la température initiale de la phase vapeur T v,i et la température initiale de la phase liquide T l,i sont mesurées par les capteurs de température. Selon un exemple de réalisation particulier, le moyen de stockage comporte au moins un capteur de pression configuré pour mesurer la pression de la phase vapeur dans au moins une cuve étanche et non réfrigrée, et la pression initiale de la phase vapeur P i est mesurée par le capteur de pression. Selon un exemple de réalisation particulier, le moyen de stockage comporte au moins un capteur de composition configuré pour déterminer la composition de la phase liquide dans au moins une cuve étanche et non réfrigérée et la composition initiale de la phase liquide x l,i est déterminée par le capteur de composition. Selon un exemple de réalisation particulier, le moyen de stockage comporte un capteur de débit configuré pour mesurer un débit massique de soutirage de liquide ou de vapeur au sortir d’une cuve étanche et non réfrigérée, et le débit massique de soutirage de liquide ṁ l ou le débit massique de soutirage de vapeur ṁ v est déterminé par le capteur de débit. Selon un mode de réalisation, le moyen de stockage comporte au moins une cuve étanche et non réfrigérée équipée d’une soupape de sûreté et la pression finale de la phase vapeur P f est inférieure ou égale à la pression de tarage de la soupape de sûreté et supérieure ou égale à la pression initiale de la phase vapeur P i . Selon un autre mode de réalisation, le moyen de stockage comporte au moins une cuve étanche et non réfrigérée équipée d’une soupape casse-vide et la pression finale de la phase vapeur P f est supérieure ou égale à la pression de tarage de la soupape casse-vide et inférieure ou égale à la pression initiale de la phase vapeur P i . Selon un exemple de réalisation particulier, le mélange biphasique est un mélange combustible. Selon un autre exemple de réalisation particulier, le mélange biphasique est du gaz naturel liquéfié. Selon un exemple de réalisation particulier, la cuve étanche et non réfrigérée est un réservoir de carburant pour la propulsion d’un véhicule terrestre, maritime, aérien ou spatial. Selon un autre exemple de réalisation particulier, le véhicule maritime est un méthanier ou un navire propulsé au gaz naturel liquéfié. Selon un mode de réalisation, l’invention fournit aussi un système pour calculer un paramètre de transition d’un moyen de stockage pour un gaz liquéfié caractérisant une évolution d’un mélange biphasique entre un état initial et un état final, le paramètre de transition pouvant être une durée de la transition τ , un débit de soutirage de liquide ṁ l ou un débit de soutirage vapeur ṁ v . Le système comporte un moyen de stockage comportant au moins une cuve étanche et non réfrigérée contenant le mélange biphasique, ledit mélange biphasique incluant une phase liquide et une phase vapeur, un dispositif de calcul configuré pour mettre en œuvre un des procédés tels que précedemment décrits, et une interface homme-machine interagissant avec le dispositif de calcul pour communiquer à un opérateur le paramètre de transition calculé. Selon un mode de réalisation, l’invention fournit aussi un véhicule terrestre, maritime ou aérien comportant un réservoir de carburant pour la propulsion du véhicule et un système précité configuré pour calculer un paramètre de transition du réservoir de carburant. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description ci-après de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. est une représentation schématique d’un navire propulsé au gaz liquéfié. est une représentation schématique en coupe d’un navire de transport de gaz liquéfié. est un organigramme représentant un procédé pour calculer un paramère de transition selon un mode de réalisation de l’invention. est une vue schématique en coupe d’un système de stockage de gaz liquéfié dans lequel le procédé de la peut être mis en oeuvre. schématise une interface pouvant être utilisée pour communiquer à l’opérateur des données d’entrées spécifiques au système de stockage et/ou un paramètre de transition. Procédé mis en œuvre par ordinateur pour calculer un paramètre de transition d’un moyen de stockage pour un gaz liquéfié, le moyen de stockage comportant au moins une cuve étanche et non réfrigérée (2, 4, 5, 6, 7 ou 11) équipée d’une soupape de sûreté (20), le paramètre de transition caractérisant une évolution d’un mélange biphasique (13) contenu dans la cuve étanche et non réfrigérée entre un état initial (8) et un état final (9), le mélange biphasique incluant une phase liquide et une phase vapeur, ledit paramètre de transition pouvant être une durée de la transition τ , un débit de soutirage de liquide ṁ l ou un débit de soutirage vapeur ṁ v , le procédé comportant les étapes consistant à : - déterminer, pour la phase liquide et la phase vapeur dans l’état initial (8), des masses volumiques initiales ρ l,i et ρ v,i , et des énergies internes massiques initiales U l,i et U v,i à partir d’une température initiale de la phase liquide T l,i , d’une température initiale de la phase vapeur T v,i , d’une pression initiale de la phase vapeur P i , d’un volume initial de la phase liquide V l,i et d’une composition initiale de la phase liquide x l,i , - déterminer, pour la phase liquide et la phase vapeur dans l’état final (9), des masses volumiques finales ρ l,f et ρ v,f , des énergies internes massiques finales U l, f et U v, f , et des enthalpies massiques finales H l, f et H v, f à partir d’une équation d’état et d’une pression finale de la phase vapeur P f , la pression finale de la phase vapeur P f étant inférieure ou égale à la pression de tarage de la soupape de sûreté (20) et supérieure ou égale à la pression initiale de la phase vapeur P i ; - calculer le paramètre de transition à l’aide de l’équation dans laquelle Q correspond à une énergie apportée par les infiltrations de chaleur à travers les parois d’une cuve par unité de temps, V t correspond à un volume total de la cuve et avec Procédé mis en œuvre par ordinateur pour calculer un paramètre de transition d’un moyen de stockage pour un gaz liquéfié, le moyen de stockage comportant au moins une cuve étanche et non réfrigérée (2, 4, 5, 6, 7 ou 11) équipée d’une soupape casse-vide (21), le paramètre de transition caractérisant une évolution d’un mélange biphasique (13) contenu dans la cuve étanche et non réfrigérée entre un état initial (8) et un état final (9), le mélange biphasique incluant une phase liquide et une phase vapeur, ledit paramètre de transition pouvant être une durée de la transition τ , un débit de soutirage de liquide ṁ l ou un débit de soutirage vapeur ṁ v , le procédé comportant les étapes consistant à : - déterminer, pour la phase liquide et la phase vapeur dans l’état initial (8), des masses volumiques initiales ρ l,i et ρ v,i , et des énergies internes massiques initiales U l,i et U v,i à partir d’une température initiale de la phase liquide T l,i , d’une température initiale de la phase vapeur T v,i , d’une pression initiale de la phase vapeur P i , d’un volume initial de la phase liquide V l,i et d’une composition initiale de la phase liquide x l,i , - déterminer, pour la phase liquide et la phase vapeur dans l’état final (9), des masses volumiques finales ρ l,f et ρ v,f , des énergies internes massiques finales U l,f et U v,f , et des enthalpies massiques finales H l,f et H v,f à partir d’une équation d’état et d’une pression finale de la phase vapeur P f , la pression finale de la phase vapeur P f étant supérieure ou égale à la pression de tarage de la soupape casse-vide (21) et inférieure ou égale à la pression initiale de la phase vapeur P i . - calculer le paramètre de transition à l’aide de l’équation dans laquelle Q correspond à une énergie apportée par les infiltrations de chaleur à travers les parois d’une cuve par unité de temps, V t correspond à un volume total de la cuve et avec Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moyen de stockage comporte une pluralité de cuves (2, 4, 5, 6, 7 et 11), et pour la phase liquide et la phase vapeur les masses volumiques initiales et finales, les énergies internes massiques initiales et finales et les enthalpies massiques finales sont déterminées pour chaque cuve, et dans lequel le paramètre de transition est calculé à l’aide de l’équation où l’exposant j renvoie à l’index de la cuve considérée. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le paramètre de transition est la durée de transition τ , et dans lequel le débit de soutirage de vapeur ṁ v et le débit de soutirage de liquide ṁ l sont prédéterminés. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le paramètre de transition est le débit de soutirage de vapeur ṁ v , et dans lequel le débit de soutirage de liquide ṁ l et la durée de la transition sont prédéterminés. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le paramètre de transition est le débit de soutirage de liquide ṁ l , et dans lequel le débit de soutirage de vapeur ṁ v et la durée de la transition sont prédéterminés. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le moyen de stockage comporte au moins un capteur de niveau (14) configuré pour déterminer le volume de la phase liquide dans au moins une cuve étanche et non réfrigérée (2, 4, 5, 6, 7 ou 11), et le volume initial de la phase liquide V l,i est déterminé par le capteur de niveau 14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le moyen de stockage comporte au moins un capteur de température (151 ou 152) configuré pour mesurer la température de la phase vapeur et au moins un capteur de température (153, 154 ou 155) configuré pour mesurer la température de la phase liquide dans au moins une cuve étanche et non réfrigérée (2, 4, 5, 6, 7 ou 11), et la température initiale de la phase vapeur T v,i et la température initiale de la phase liquide T l,i sont mesurées par les capteurs de température (151 à 155). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le moyen de stockage comporte au moins un capteur de pression (16) configuré pour mesurer la pression de la phase vapeur dans au moins une cuve étanche et non réfrigérée (2, 4, 5, 6, 7 ou 11), et la pression initiale de la phase vapeur P i est mesurée par le capteur de pression (16). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le moyen de stockage comporte au moins un capteur de composition (17) configuré pour déterminer la composition de la phase liquide dans au moins une cuve étanche et non réfrigérée (2, 4, 5, 6, 7 ou 11), et dans lequel la composition initiale de la phase liquide x l,i est déterminée par le capteur de composition. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le moyen de stockage comporte au moins un capteur de débit configuré pour mesurer un débit massique de soutirage de vapeur (18) ou de liquide (19) au sortir d’une cuve étanche et non réfrigérée (2, 4, 5, 6, 7 ou 11), et dans lequel le débit massique de soutirage de liquide ṁ l ou le débit massique de soutirage de vapeur ṁ v est déterminé par le capteur de débit (18 ou 19). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le mélange biphasique (13) est un mélange combustible, le mélange biphasique étant de préférence du gaz naturel liquéfié. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la cuve étanche et non réfrigérée est un réservoir de carburant pour la propulsion d’un véhicule terrestre, maritime, aérien ou spatial. Système (10) pour calculer un paramètre de transition d’un moyen de stockage pour un gaz liquéfié caractérisant une évolution d’un mélange biphasique (13) entre un état initial (8) et un état final (9), le paramètre de transition pouvant être une durée de la transition τ , un débit de soutirage de liquide ṁ l ou un débit de soutirage vapeur ṁ v , le système comportant : - un moyen de stockage comportant au moins une cuve étanche et non réfrigérée (2, 4, 5, 6, 7 ou 11) contenant le mélange biphasique, ledit mélange biphasique incluant une phase liquide et une phase vapeur, - un dispositif de calcul (22) configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, - une interface homme-machine interagissant avec le dispositif de calcul pour communiquer à un opérateur le paramètre de transition calculé. Véhicule terrestre, maritime, aérien ou spatial comportant un réservoir de carburant pour la propulsion du véhicule et un système selon la revendication 14 configuré pour calculer un paramètre de transition du réservoir de carburant.