Brevet FR3131952A1 — publié le 20230721

TITRE DE L’INVENTION : DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE RÉCHAUFFEMENT PUIS DÉTENTE D’UN GAZ Le dispositif (100) de détente d’un gaz comporte au moins un détendeur principal (105) et au moins un système thermodynamique principal (120), utilisant un fluide calorifique (125) pour réchauffer le gaz à détendre en amont du détendeur principal, comportant : - un échangeur thermique (130) entre le fluide calorifique et le gaz à détendre, - un détendeur secondaire (135) qui détend le fluide calorifique, - un séparateur (140) qui sépare le flux de fluide calorifique en un flux de liquide calorifique (145) et un flux de gaz calorifique (150), - un évaporateur (155) pour évaporer le liquide calorifique en gaz calorifique et - au moins un compresseur principal (160), disposé en aval de l’évaporateur et en amont de l’échangeur thermique, pour comprimer le gaz calorifique issu directement du séparateur et/ou issu de l’évaporateur. Figure pour l'abrégé : figure 1 DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE RÉCHAUFFEMENT PUIS DÉTENTE D’UN GAZ Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un dispositif et un procédé de réchauffement puis détente d’un gaz. Elle s’applique, en particulier, aux réseaux d’acheminement de gaz et notamment à l’alimentation en gaz d’un réseau de distribution à partir d’un réseau de transport. État de la technique L’acheminement de gaz naturel nécessite notamment l’utilisation de réseaux de transport avec des artères opérées à différentes gammes de pression comprises entre 20 et 85 barg, et de réseaux de distribution à pression inférieure comprise entre 4 barg et 10 barg. L’alimentation d’un réseau de distribution à partir d’un réseau de transport ainsi que le passage d’une artère haute pression vers une artère moyenne pression nécessitent une détente du gaz. Cependant, au cours de la détente, le gaz est considérablement refroidi. Sous certaines conditions de pression, les basses températures peuvent entraîner la formation de condensats organiques et/ou d’eau libre à l’origine de la formation des hydrates de gaz naturel. Ces composés solides sont responsables de l’endommagement non seulement du détendeur mais également des équipements en aval du détendeur. Ces basses températures entraînent également un risque de rupture fragile des canalisations en aval du détendeur. On appelle « risque froid » l’ensemble des conséquences énoncées précédemment, liées aux basses températures. Ainsi, des difficultés majeures sont présentes dans le réseau de gaz détendu à basse température. Il est possible de définir, à partir des basses températures obtenues après détente du gaz, une température minimale acceptable. On note que, lorsque la température du gaz est au-dessus de la température minimale acceptable, les risques froids précédemment décrits sont évités. La température minimale acceptable (d’acronyme « TMA ») dépend notamment de la teneur en eau et de la pression du gaz dans le réseau. Par exemple, la température minimale acceptable est fixée par défaut à 0°C pour une canalisation dont l’ancienneté ne permet plus de déterminer sa température de rupture fragile. Dans d’autres exemples, la TMA est égale à -20°C ou -29°C lorsque le matériau constituant le réseau de distribution est respectivement en polyéthylène ou en acier. Des solutions de l’art antérieur décrivent l’utilisation d’un dispositif de réchauffement de gaz en amont de la détente. Par exemple, un tel dispositif met en œuvre l’utilisation d’un réseau de chaleur urbain puisant une énergie thermique depuis une source géothermale. La présence d’une telle source de chaleur à proximité du dispositif constitue une contrainte technique qui limite l’utilisation d’un tel dispositif. De plus, ce dispositif nécessite l’utilisation d’une unité de cogénération d’énergie thermique et électrique afin de produire le complément d’énergie thermique nécessaire au réchauffement du gaz. Un autre dispositif de réchauffement de gaz en amont de la détente met en œuvre l’utilisation d’une chaudière à combustion de gaz. Cependant, la mise en œuvre d’un tel dispositif nécessite une consommation de gaz et entraîne des émissions de gaz à effet de serre constituant une source de pollution. D’autres solutions de l’art antérieur décrivent l’utilisation de dispositif de réchauffement de gaz en aval de la détente. Cependant, la mise en œuvre d’un tel dispositif implique d’opérer à basse température et dans la limite de la TMA. Cela contraint notamment le dispositif à effectuer la détente en au moins deux étages avec un réchauffage inter-étage, afin de maintenir la température au-dessus de la TMA à chaque étage de détente. Malgré cette précaution, les détentes opérées à des températures du gaz proches des TMA induisent un risque pour les équipements et le réseau aval en cas de perturbation ou de défaillance. L’augmentation du nombre d’étages implique également une augmentation des coûts. 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 détente d’un gaz, qui comporte au moins un détendeur principal entre un premier réseau de gaz à une première pression et un deuxième réseau de gaz à une deuxième pression inférieure à la première pression, le dispositif comportant, de plus, au moins un système thermodynamique principal, utilisant un fluide calorifique pour réchauffer le gaz à détendre en amont du détendeur principal, ce système comportant : - un échangeur thermique entre le fluide calorifique et le gaz à détendre, configuré pour réchauffer le gaz à détendre, - un détendeur secondaire en aval de l’échangeur thermique, qui détend le fluide calorifique, - un séparateur disposé en aval du détendeur secondaire, qui sépare le flux de fluide calorifique en un flux de liquide calorifique et un flux de gaz calorifique, - un évaporateur disposé en aval du séparateur, configuré pour évaporer le liquide calorifique en gaz calorifique et - au moins un compresseur principal, disposé en aval de l’évaporateur et en amont de l’échangeur thermique, configuré pour comprimer le gaz calorifique issu directement du séparateur et/ou issu de l’évaporateur. Grâce à ces dispositions, le dispositif permet le réchauffement du gaz en amont de la détente et donc de maintenir le gaz à une température supérieure à la température minimale acceptable au cours de la détente. De plus, le dispositif permet de maintenir des conditions de pression et de température du gaz éloignées des conditions de formation des hydrates et condensats. Ainsi, le risque froid inhérent à la détente est évité. Par ailleurs, le système thermodynamique principal permet l’utilisation d’un fluide calorifique réalisant un cycle de transformation et d’échanges de chaleur adaptable aux différentes contraintes de température du gaz circulant dans les réseaux de transport et distribution. De plus, le système thermodynamique principal permet notamment l’utilisation d’une énergie nécessaire à la réalisation du cycle provenant de nombreuses sources énergétiques de nature variée, par exemple de sources de chaleur renouvelables et/ou gratuites et/ou fatales. Enfin, le réchauffement du gaz réalisé par le système thermodynamique principal permet notamment d’utiliser une source de chaleur externe dont la température ne permettrait pas un réchauffement direct du gaz. Par exemple, la source de chaleur externe est un cours d’eau. La nécessité de la présence d’une source de chaleur de haute température à proximité du dispositif est donc évitée, ce qui élimine une contrainte d’installation conditionnant l’implantation du dispositif. Dans des modes de réalisation optionnels, le détendeur principal est une turbine couplée à une génératrice produisant une énergie électrique. Grâce à ces dispositions, le dispositif permet une production d’énergie électrique générée par la détente du gaz. Ainsi, une production d’énergie électrique valorisable est réalisée. Dans des modes de réalisation optionnels, le compresseur principal est alimenté, au moins en partie, par l’énergie électrique produite par la génératrice. Grâce à ces dispositions, le dispositif réalise une auto-alimentation énergétique au moins partielle. De plus, le dispositif permet de valoriser l’énergie électrique produite par la génératrice. Ainsi, une optimisation énergétique est réalisée. Dans des modes de réalisation optionnels, l’évaporateur est alimenté, au moins en partie, par une source de chaleur de récupération. Grâce à ces dispositions, le dispositif permet de valoriser les sources de chaleur de récupération dont la température est insuffisante pour un réchauffement direct du gaz à une température prédéterminée. Dans des modes de réalisation optionnels, le système thermodynamique principal comporte, de plus, un deuxième échangeur thermique disposé en aval du premier échangeur, entre le fluide calorifique en sortie du premier échangeur et le gaz à détendre du premier réseau de gaz, pré-réchauffant le gaz à détendre et sous-refroidissant le fluide calorifique. Grâce à ces dispositions, le dispositif permet un pré-réchauffement du gaz en amont du réchauffement du gaz dans le premier échangeur thermique. La quantité de chaleur nécessaire au réchauffement du gaz est donc diminuée. La diminution de la quantité de chaleur permet notamment de diminuer le débit de fluide calorifique et donc l’énergie, notamment électrique, consommée par le compresseur principal. Ainsi, une réduction de la taille du système thermodynamique principal est réalisée et le bilan global de consommation d’énergie du dispositif est réduit. Par ailleurs, lorsque le détendeur principal est une turbine couplée à une génératrice, la production globale d’énergie réalisée par le dispositif est augmentée puisque l’énergie électrique transmise au compresseur principal est diminuée. De plus, le dispositif permet un sous-refroidissement du fluide calorifique en amont du détendeur secondaire. Ainsi, lorsque le fluide calorifique est utilisé comme source froide dans l’échangeur thermique, la quantité de frigories transmise est augmentée. Dans des modes de réalisation optionnels, le détendeur secondaire est une turbine de détente couplée au compresseur principal. Grâce à ces dispositions, le dispositif permet de réaliser un transfert énergétique de la turbine de détente au compresseur principal. L’énergie, notamment électrique, consommée par le compresseur principal est donc diminuée. Ainsi, le bilan global de consommation énergétique du dispositif est réduit. Par ailleurs, lorsqu’une production d’énergie électrique est réalisée dans le dispositif par une génératrice couplée à une turbine, la production globale d’énergie électrique est augmentée puisque l’énergie électrique transmise au compresseur est diminuée. Dans des modes de réalisation optionnels, le système thermodynamique principal comporte, de plus, un compresseur secondaire pré-comprimant le gaz calorifique en amont de l’évaporateur, l’évaporateur en amont de l’injection dans le compresseur principal étant configuré pour réaliser un échange thermique et refroidir le gaz calorifique pré-comprimé. Grâce à ces dispositions, le gaz calorifique en sortie du compresseur secondaire est refroidi avant d’être comprimé dans le compresseur principal. Le dispositif permet donc de réaliser une compression à deux étages avec un refroidissement inter-étage. Ainsi, le rendement isentropique de compression est augmenté, ce qui entraîne une amélioration du rendement global du dispositif. Par ailleurs, le dispositif comprend une intégration thermique supplémentaire permettant de réduire l’énergie consommée provenant de la source de chaleur. Cette réduction contribue ainsi à l’amélioration du rendement global du dispositif. Dans des modes de réalisation optionnels, le dispositif comporte, de plus, un système thermodynamique secondaire utilisant un deuxième fluide calorifique, comportant un moyen de transfert thermique configuré pour réaliser un échange thermique dans l’évaporateur entre le deuxième fluide calorifique et le liquide calorifique à évaporer. Grâce à ces dispositions, le système thermodynamique secondaire réalise, par exemple, un deuxième cycle de transformation et d’échanges de chaleur. Ce deuxième cycle permet de puiser la chaleur dans des sources à plus basse température. Notamment, la chaleur est puisée dans des sources à très basses températures, par exemple inférieures à 0 °C. Ainsi, une optimisation des transferts thermiques est réalisée par le dispositif. Par ailleurs, lorsque la chaleur est puisée dans l’air ambiant à l’aide d’un évaporateur à air, l’utilisation du système thermodynamique secondaire permet d’augmenter la capacité de cet évaporateur à air. Ainsi, l’efficacité du dispositif est améliorée. Dans des modes de réalisation optionnels, le système thermodynamique secondaire produit le deuxième fluide calorifique froid utilisé comme une source froide. Grâce à ces dispositions, le dispositif permet de valoriser une source froide, et donc des frigories, au niveau de l’évaporateur. Les frigories produites par le dispositif sont, par exemple, valorisées dans un réseau de froid. L’utilisation du système thermodynamique secondaire, réalisant un deuxième cycle de transformation et d’échanges de chaleur, permet notamment d’élargir la gamme de température d’application du réseau de froid. Ainsi, le nombre de cas d’application est augmenté. Par ailleurs, lorsque le dispositif comporte un deuxième échangeur thermique disposé en aval du premier échangeur, la quantité de frigories présente dans la source froide est augmentée. Dans des modes de réalisation optionnels, le système thermodynamique secondaire est alimenté, au moins en partie, par l’énergie électrique produite par la génératrice. Grâce à ces dispositions, l’auto-alimentation et donc l’indépendance énergétique du dispositif comportant le système thermodynamique secondaire sont renforcées. De plus, le dispositif permet également de valoriser l’énergie électrique produite par la génératrice. Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte, de plus, un échangeur thermique subsidiaire disposé en aval du détendeur principal, configuré pour récupérer des frigories provenant du gaz détendu par le détendeur principal. Grâce à ces dispositions, lorsque de basses températures en sortie du détendeur principal sont visées, une production et un transfert de frigories sont réalisés. Par exemple, le transfert de frigories est réalisé vers un réseau de froid. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de détente d’un gaz, qui comporte au moins une étape de détente principale entre un premier réseau de gaz à une première pression et un deuxième réseau de gaz à une deuxième pression inférieure à la première pression, le procédé comportant de plus, en amont de l’étape de détente principale : - une étape d’échange thermique entre un fluide calorifique comprimé et le gaz à détendre qui réchauffe le gaz à détendre, - une étape de détente secondaire du fluide calorifique refroidi en sortie de l’étape d’échange thermique, - une étape de séparation du flux de fluide calorifique, en sortie de l’étape de détente secondaire, en un flux de liquide calorifique et un flux de gaz calorifique, - une étape d’évaporation du flux de liquide calorifique et - une étape de compression qui comprime le gaz calorifique en sortie de l’étape de séparation et/ou en sortie de l’étape d’évaporation et qui forme le fluide calorifique comprimé. Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de l’invention étant similaires à ceux du dispositif objet de l’invention, ils ne sont pas rappelés ici. 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 et du procédé objets de l’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 troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention, représente, schématiquement, un quatrième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention, représente, schématiquement, un cinquième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention, représente, schématiquement, un sixième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention, représente, sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de l’invention, représente, schématiquement, un septième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention, représente, graphiquement une étude de sensibilité de différents modes de réalisation particuliers du dispositif objet de l’invention en fonction de la température, représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier d’un compresseur pouvant être utilisé dans le dispositif objet de l’invention, représente, schématiquement, un surpresseur à piston d’un compresseur du dispositif objet de l’invention, représente, schématiquement, une première phase de fonctionnement d’un surpresseur à piston libre et ouverture traversante, représente, schématiquement, une deuxième phase de fonctionnement du surpresseur illustré en , représente, schématiquement, une troisième phase de fonctionnement du surpresseur illustré en , représente, schématiquement, une quatrième phase de fonctionnement surpresseur illustré en , représente, schématiquement, un huitième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention et représente, schématiquement, un neuvième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention. Dispositif (100, 200, 300, 400, 500, 500, 600, 800, 4000, 5000) de détente d’un gaz, qui comporte au moins un détendeur principal (105) entre un premier réseau de gaz (110) à une première pression et un deuxième réseau de gaz (115) à une deuxième pression inférieure à la première pression, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un système thermodynamique principal (120, 220, 320, 420, 520, 620, 4020, 5020), utilisant un fluide calorifique (125) pour réchauffer le gaz à détendre en amont du détendeur principal, comportant : - un échangeur thermique (130) entre le fluide calorifique et le gaz à détendre, configuré pour réchauffer le gaz à détendre, - un détendeur secondaire (135) en aval de l’échangeur thermique, qui détend le fluide calorifique, - un séparateur (140) disposé en aval du détendeur secondaire, qui sépare le flux de fluide calorifique en un flux de liquide calorifique (145) et un flux de gaz calorifique (150), - un évaporateur (155) disposé en aval du séparateur, configuré pour évaporer le liquide calorifique en gaz calorifique et - au moins un compresseur principal (160), disposé en aval de l’évaporateur et en amont de l’échangeur thermique, configuré pour comprimer le gaz calorifique issu directement du séparateur et/ou issu de l’évaporateur. Dispositif (100, 300, 200, 400, 500, 600, 800, 4000, 5000) selon la revendication 1, dans lequel le détendeur principal (105) est une turbine couplée à une génératrice (101) produisant une énergie électrique. Dispositif (100, 300, 200, 400, 500, 600, 800) selon la revendication 2, dans lequel le compresseur principal (160) est alimenté, au moins en partie, par l’énergie électrique produite par la génératrice (101). Dispositif (100, 300, 200, 400, 500, 600, 800, 4000, 5000) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’évaporateur (155, 356) est alimenté, au moins en partie, par une source de chaleur de récupération (102). Dispositif (200) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le système thermodynamique principal (220) comporte, de plus, un deuxième échangeur thermique (231) disposé en aval du premier échangeur (130), entre le fluide calorifique (125) en sortie du premier échangeur et le gaz à détendre du premier réseau de gaz (110), pré-réchauffant le gaz à détendre et sous-refroidissant le fluide calorifique. Dispositif (500) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le détendeur secondaire (135) est une turbine de détente couplée au compresseur principal (160). Dispositif (600) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le système thermodynamique principal (620) comporte, de plus, un compresseur secondaire (661) pré-comprimant le gaz calorifique en amont de l’évaporateur (155), l’évaporateur en amont de l’injection dans le compresseur principal (160) étant configuré pour réaliser un échange thermique et refroidir le gaz calorifique pré-comprimé. Dispositif (100, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 4000, 5000) selon l’une des revendications 1 à 7, qui comporte, de plus, un système thermodynamique secondaire (321) utilisant un deuxième fluide calorifique (326), comportant un moyen de transfert thermique configuré pour réaliser un échange thermique dans l’évaporateur (155) entre le deuxième fluide calorifique et le liquide calorifique (145) à évaporer. Dispositif (100, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 4000, 5000) selon la revendication 8, dans lequel le système thermodynamique secondaire (321) produit le deuxième fluide calorifique froid (326) utilisé comme une source froide (103). Dispositif (300) selon l’une des revendications 2 ou 3 et l’une des revendications 8 ou 9, dans lequel le système thermodynamique secondaire (321) est alimenté, au moins en partie, par l’énergie électrique produite par la génératrice (101). Dispositif (800) selon l’une des revendications 1 à 10, qui comporte, de plus, un échangeur thermique subsidiaire (801) disposé en aval du détendeur principal (105), configuré pour récupérer des frigories (104) provenant du gaz détendu par le détendeur principal (105). Procédé (700) de détente d’un gaz, qui comporte au moins une étape de détente principale (730) entre un premier réseau de gaz à une première pression et un deuxième réseau de gaz à une deuxième pression inférieure à la première pression, caractérisé en ce qu’il comporte, en amont de l’étape de détente principale : - une étape d’échange thermique (725) entre un fluide calorifique comprimé et le gaz à détendre qui réchauffe le gaz à détendre, - une étape de détente secondaire (705) du fluide calorifique refroidi en sortie de l’étape d’échange thermique, - une étape de séparation (710) du flux de fluide calorifique, en sortie de l’étape de détente secondaire, en un flux de liquide calorifique et un flux de gaz calorifique, - une étape d’évaporation (715) du flux de liquide calorifique et - une étape de compression (720) qui comprime le gaz calorifique en sortie de l’étape de séparation et/ou en sortie de l’étape d’évaporation et qui forme le fluide calorifique comprimé.