EP1521933B1 - Procede de regulation en pression d'un reservoir de fluide cryogenique, et reservoir correspondant - Google Patents

Procede de regulation en pression d'un reservoir de fluide cryogenique, et reservoir correspondant Download PDF

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EP1521933B1
EP1521933B1 EP03762706A EP03762706A EP1521933B1 EP 1521933 B1 EP1521933 B1 EP 1521933B1 EP 03762706 A EP03762706 A EP 03762706A EP 03762706 A EP03762706 A EP 03762706A EP 1521933 B1 EP1521933 B1 EP 1521933B1
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EP
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tank
liquid
pressure
fluid
gas
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Alain Résidence du Moulin Saint-Martin CLOAREC
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F17C7/00—Methods or apparatus for discharging liquefied, solidified, or compressed gases from pressure vessels, not covered by another subclass
    • F17C7/02—Discharging liquefied gases
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    • F17C5/02—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures for filling with liquefied gases
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    • F17C2227/0107—Propulsion of the fluid by pressurising the ullage
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    • F17C2250/00—Accessories; Control means; Indicating, measuring or monitoring of parameters
    • F17C2250/04—Indicating or measuring of parameters as input values
    • F17C2250/0404—Parameters indicated or measured
    • F17C2250/043—Pressure
    • F17C2250/0434—Pressure difference
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F17C2250/00—Accessories; Control means; Indicating, measuring or monitoring of parameters
    • F17C2250/06—Controlling or regulating of parameters as output values
    • F17C2250/0605—Parameters
    • F17C2250/0626—Pressure

Definitions

  • the present invention relates to a method of pressure regulation of a cryogenic fluid reservoir connected to an installation consuming this fluid, which reservoir contains, under a storage pressure greater than atmospheric pressure, a cryogenic fluid in the liquid phase at the bottom of the reservoir and in the gaseous phase at the top of the tank, this tank being adapted to supply the consumer facility liquid withdrawn from the bottom of the tank, and to be supplied from the outside with fluid. It also relates to such a tank.
  • a pressure control method of a tank is described in the document US 2,850,882 .
  • the invention is particularly applicable to tanks called "low storage pressure", that is to say, the maximum pressure reached at the top of the tank is generally less than about 4 bar, the pressure indicated here and the pressures indicated thereafter being in absolute bars.
  • Such reservoirs are commonly used to store a cryogenic fluid, that is to say a fluid that at atmospheric pressure is liquid at a temperature much lower than 0 ° C. They are connected to at least one consumer installation, such as a freezing tunnel of food products.
  • the storage pressure of the tank being greater than the atmospheric pressure, the opening of a valve placed on the connection line of the tank to the consuming installation causes the liquid to move from its point of drawing to its point of use, without forced drive means and despite the pressure drops.
  • the pressure of the gas at the top of the tank is conventionally regulated so that this pressure remains substantially equal to a predetermined value. fixed, generally of the order of 2 to 3 bars.
  • the pressure of the liquid at the bottom of the tank varies according to the height of the liquid inside the tank, so that as the liquid level drops, the pressure of the liquid withdrawn decreases and tends to get closer to the gas pressure at the top.
  • a liquid height of about 10 meters implies a differential of pressure of the order of 0.6 bar between the gas pressure at the top and the liquid pressure at the bottom of the tank, at the drawing.
  • the object of the present invention is to provide a control method which guarantees a drawing flow at the bottom of the substantially constant reservoir and which, more generally, improves the storage, supply and withdrawal performance of the cryogenic fluid reservoir.
  • the subject of the invention is a method for regulating the pressure of a cryogenic fluid reservoir as defined above, in which the pressure of the gas at the top of the tank is varied according to the operating state of the this tank.
  • operating state of the reservoir must be understood to mean the different phases that it traverses during its use: drawing of liquid causing a drop in level, re-supply of the reservoir causing a rise in level , or even stand-by phases of the consumer installation where the tank is at rest.
  • a nitrogen tank 1 containing liquid nitrogen at the bottom, also called “tank”, and nitrogen gas under a pressure of about 2 bars at the top, also called “head” .
  • the level of liquid inside the tank is marked by the reference N.
  • the bottom of the tank 1 is connected to a consumer installation 2, for example a freezing tunnel, via a connecting pipe 3 provided with a closing valve 4.
  • the connection point of the pipe 3 to the tank 1, which is noted P, is commonly called "point of draw”.
  • the tank 1 comprises means 5 for pressurizing the gas at the top of the tank.
  • These means 5 comprise a line 6 connecting the bottom of the tank to its top, and is provided, upstream to downstream, of a device 7 for measuring the pressure of the liquid nitrogen, for example a manometer, a closing valve 8 (preferably a solenoid valve) and a vaporizer 9.
  • the tank 1 also comprises means 10 for venting the gas at the top of the tank.
  • These means 10 comprise a line 11 for outward evacuation, provided upstream downstream of a manometer 12, a closure valve 13 and possibly an air exhaust member, not shown, commonly called "silent".
  • a unit 15, controlling the means 5 for pressurizing the top, as well as means 10 for venting the top, is connected, for example by electrical connections, on the one hand to the pressure measuring apparatus 7 and 12, and on the other hand to the valves 8 and 13.
  • the control unit 15 is in this way adapted, on the one hand, to know, continuously or at regular intervals, the liquid nitrogen pressure at bottom of the tank 1 and nitrogen gas at the top of the tank and, secondly, to compare the value of the bottom pressure to a predetermined value selected, modifiable by the user.
  • the unit 15 is also able to control the opening, total or partial, and the closing of the valves 8 and 13 so as to regulate the pressures of the bottom and the top of the tank 1, as will be explained in detail later .
  • Means 16 for supplying nitrogen are also provided, so as to regularly, possibly continuously, supply liquid nitrogen to the tank 1.
  • these means 16 comprise a feed pipe 17 through the bottom of the tank 1 allowing a filling said "source”, and possibly a feed pipe 18 by the top of the tank for filling said "rain”.
  • the tank 1 also comprises an overflow member 19 known per se, for limiting the height of the liquid inside the tank.
  • the level of the liquid N is represented at its maximum.
  • This figure illustrates the example of a tank of 50000 liters, giving rise to a height N of about 10 meters, which creates in such a case a pressure differential between the top and the bottom of the tank. about 0.6 bar.
  • control unit 15 substantially maintains the liquid pressure at the point of drawdown P during the entire nitrogen withdrawal period.
  • the flow rate of the connection line 3 to the consumer installation 2 thus remains substantially constant, limiting the operating disturbances of this installation 2.
  • the level of liquid inside the tank 1 increases, causing a corresponding increase in the gas pressure at the top of the tank.
  • the unit 15 detects, by means of the measurements of the manometer 7, a pressure increase, and then controls the opening of the venting valve 13, which which decreases the gas pressure at the top and, consequently, that of liquid at the bottom of the tank.
  • the unit 15 maintains the opening of the valve 13 as the liquid pressure at the bottom of the tank remains greater than the aforementioned predetermined value.
  • the regulation of the tank 1 is substantially similar when the supply of liquid nitrogen is made by the top.
  • Source filling is, however, preferred over filling with rain, the latter tending on the one hand to decrease more significantly the gas pressure, and on the other hand to heat the liquid.
  • control unit 15 is adapted to improve the storage capacities of the frigories of the stored liquid. To do this, when the container 1 is not biased in racking and will not be biased a priori for a period of several hours (for example at night), the unit 15 controls the total opening of the valve of setting. 13. The gas pressure at the top of the tank then changes from a storage value of about 2 bars to substantially atmospheric pressure (residual pressure of a few hundred grams). In this state, the tank 1 is no longer able to supply the installation 2, the displacement of the fluid inside the pipe 3 is no longer ensured. However, by lowering the nitrogen storage pressure in this way, the enthalpy of the latter tends to increase, which amounts to having a lower temperature fluid than when it was under pressure. The fluid thus stored during these periods of non-use of the tank 1 therefore has a lower temperature than usual, guaranteeing a better "cryogenic quality" (in terms of available frigories).
  • the unit 15 controls the pressurization of the top of the tank, via the means 5, until the liquid pressure at the bottom of the tank reaches the predetermined value mentioned above.
  • the regulation method according to the invention makes it possible thus improve storage, supply and withdrawal performance.
  • the measurement of the liquid pressure is not carried out, as above, substantially at the point of drawing of the liquid, but is carried out at the highest point of altitude. along the connection line 3 between the tank 1 and the consumer installation 2.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé de régulation en pression d'un réservoir de fluide cryogénique raccordé à une installation consommatrice de ce fluide, lequel réservoir contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, un fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir, ce réservoir étant adapté pour alimenter l'installation consommatrice en liquide soutiré au fond du réservoir, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide. Elle concerne également un tel réservoir. Un procédé de régulation en pression d'un réservoir est décrit dans le document US 2 850 882 .
  • L'invention s'applique tout particulièrement à des réservoirs dits « à basse pression de stockage », c'est-à-dire dont la pression maximale atteinte au sommet du réservoir est en général inférieure à environ 4 bars, la pression indiquée ici et les pressions indiquées par la suite étant en bars absolus.
  • De tels réservoirs sont couramment utilisés pour stocker un fluide cryogénique, c'est-à-dire un fluide qui, à la pression atmosphérique est liquide à une température très inférieure à 0°C. Ils sont raccordés à au moins une installation consommatrice, telle qu'un tunnel de surgélation de produits alimentaires. La pression de stockage du réservoir étant supérieure à la pression atmosphérique, l'ouverture d'une vanne placée sur la conduite de raccordement du réservoir à l'installation consommatrice provoque le déplacement du liquide de son point de puisage à son point d'utilisation, sans moyen d'entraînement forcé et malgré les pertes de charge.
  • Pour s'assurer que l'entraînement du liquide cryogénique est toujours effectif quel que soit le niveau de liquide dans le réservoir, on régule classiquement la pression du gaz au sommet du réservoir de façon à ce que cette pression reste sensiblement égale à une valeur prédéterminée, fixe, généralement de l'ordre de 2 à 3 bars.
  • Cependant, la pression du liquide au fond du réservoir varie en fonction de la hauteur du liquide à l'intérieur du réservoir, de sorte que, au fur et à mesure que le niveau de liquide baisse, la pression du liquide soutiré baisse et tend à se rapprocher de la pression du gaz au sommet. Par exemple, pour de l'azote, une hauteur de liquide de 10 mètres environ implique un différentiel de pression de l'ordre de 0,6 bar entre la pression de gaz au sommet et la pression de liquide au fond du réservoir, au niveau du puisage.
  • Cette variation de pression du liquide au point de puisage conduit nécessairement à une variation du débit de liquide soutiré, entraînant des perturbations de fonctionnement pour l'installation consommatrice située en aval. Un effet symétrique se produit lors du re-approvisionnement du réservoir en fluide.
  • Le but de la présente invention est de proposer un procédé de régulation qui garantisse un débit de puisage au fond du réservoir sensiblement constant et qui, plus généralement, améliore les performances de stockage, d'approvisionnement et de soutirage du réservoir de fluide cryogénique.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de régulation en pression d'un réservoir de fluide cryogénique tel que défini ci-dessus, dans lequel on fait varier la pression du gaz au sommet du réservoir selon l'état de fonctionnement de ce réservoir.
  • Comme développé plus précisément ci-dessous, on doit entendre par « état de fonctionnement » du réservoir les différentes phases qu'il traverse lors de son utilisation : tirage de liquide entraînant une baisse de niveau, ré-approvisionnement du réservoir entraînant une remontée de niveau, ou encore phases de stand-by de l'installation consommatrice où le réservoir est donc au repos.
  • Suivant d'autres caractéristiques de ce procédé, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
    • lorsque le niveau du liquide varie à l'intérieur du réservoir, on maintient la pression du liquide au fond du réservoir à une valeur prédéterminée constante, en faisant varier la pression du gaz au sommet du réservoir ;
    • la pression du liquide maintenue à ladite valeur prédéterminée est mesurée au point de puisage du liquide vers l'installation consommatrice ;
    • la pression du liquide maintenue à ladite valeur prédéterminée est mesurée au point d'altitude la plus haute le long d'une ligne de raccordement du réservoir à l'installation consommatrice ;
    • lorsqu'on soutire du liquide depuis le réservoir et que le niveau de liquide baisse, on vaporise du liquide prélevé au fond du réservoir pour former du gaz envoyé au sommet dudit réservoir ;
    • lorsqu'on approvisionne le réservoir en fluide et que le niveau de liquide monte, on évacue à l'extérieur du réservoir au moins une partie du gaz situé au sommet dudit réservoir ;
    • le fluide d'approvisionnement est introduit au fond du réservoir, à l'état liquide ;
    • lorsque le réservoir n'alimente pas l'installation consommatrice, on abaisse la pression du gaz au sommet du réservoir jusqu'à sensiblement la pression atmosphérique ; et
    • la pression de stockage du réservoir est inférieure à 4 bars.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique qui est une vue schématique d'un réservoir suivant l'invention.
  • Sur la figure unique est représenté un réservoir d'azote 1, contenant de l'azote liquide au fond, appelé également « cuve », et de l'azote gazeux sous une pression d'environ 2 bars au sommet, appelé également « tête ». Le niveau de liquide à l'intérieur du réservoir est repéré par la référence N.
  • Le fond du réservoir 1 est raccordé à une installation consommatrice 2, par exemple un tunnel de surgélation, via une conduite de raccordement 3 pourvue d'une vanne de fermeture 4. Le point de raccordement de la conduite 3 au réservoir 1, qui est noté P, est couramment appelé « point de puisage ».
  • Le réservoir 1 comporte des moyens 5 de mise sous pression du gaz au sommet du réservoir. Ces moyens 5 comportent une ligne 6 reliant le fond du réservoir à son sommet, et est pourvue, d'amont en aval, d'un appareil 7 de mesure de la pression de l'azote liquide, par exemple un manomètre, d'une vanne de fermeture 8 (préférentiellement une électrovanne) et d'un vaporiseur 9.
  • Le réservoir 1 comporte également des moyens 10 de mise à l'air du gaz au sommet du réservoir. Ces moyens 10 comportent une ligne 11 d'évacuation vers l'extérieur, pourvue d'amont en aval d'un manomètre 12, d'une vanne de fermeture 13 et éventuellement d'un organe d'échappement à l'air non représenté, couramment appelé « silencieux ».
  • Une unité 15, assurant la commande des moyens 5 de mise sous pression du sommet, ainsi que des moyens 10 de mise à l'air du sommet est reliée, par exemple par des liaisons électriques, d'une part aux appareils de mesure de pression 7 et 12, et d'autre part aux vannes 8 et 13. L'unité de commande 15 est de la sorte adaptée, d'une part, pour connaître, de façon continue ou à intervalles réguliers, la pression d'azote liquide au fond du réservoir 1 et d'azote gazeux au sommet de ce réservoir et, d'autre part, pour comparer la valeur de la pression au fond à une valeur prédéterminée choisie, modifiable par l'utilisateur. L'unité 15 est également à même de commander l'ouverture, totale ou partielle, ainsi que la fermeture des vannes 8 et 13 de façon à réguler les pressions du fond et du sommet du réservoir 1, comme il sera expliqué en détail plus loin.
  • Des moyens 16 d'approvisionnement en azote sont également prévus, de façon à régulièrement, éventuellement continûment, alimenter en azote liquide le réservoir 1. De façon classique, ces moyens 16 comportent une conduite 17 d'alimentation par le fond du réservoir 1 permettant un remplissage dit « en source », et éventuellement une conduite 18 d'alimentation par le sommet du réservoir permettant un remplissage dit « en pluie ».
  • Le réservoir 1 comporte également un organe de trop-plein 19 connu en soi, destiné à limiter la hauteur du liquide à l'intérieur du réservoir. Sur la figure unique, le niveau du liquide N est représenté à son maximum.
  • On a illustré sur cette figure l'exemple d'un réservoir de 50000 litres, donnant lieu à une hauteur N d'environ 10 mètres, ce qui crée dans un tel cas un différentiel de pression entre le sommet et le fond du réservoir d'environ 0,6 bar.
  • Le fonctionnement du réservoir 1, dont la pression est régulée suivant l'invention, est le suivant :
    • On considère qu'à l'instant initial du fonctionnement du réservoir 1, ce dernier est dans l'état décrit ci-dessus, c'est-à-dire que la pression de gaz au sommet vaut sensiblement 2 bars et que la pression de liquide au niveau du point de puisage P vaut environ 2,6 bars. De plus, la valeur prédéterminée de pression mémorisée dans l'unité de commande 15 est choisie sensiblement égale à 2,6 bars.
  • Lorsque l'installation 2 est alimentée en azote liquide par le réservoir 1, le niveau de liquide N à l'intérieur du réservoir baisse, entraînant une diminution de la hauteur d'azote liquide au-dessus du point de puisage P, et donc une diminution de la pression de liquide correspondante. Mesurée par l'appareil 7, cette pression de liquide devient inférieure à la valeur prédéterminée mémorisée dans l'unité 15 qui commande alors l'ouverture de la vanne 8 et ainsi l'alimentation en azote liquide du vaporiseur 9. L'azote liquide vaporisé forme un gaz acheminé au sommet du réservoir 1, augmentant alors sa pression. Cette augmentation de pression de gaz au sommet se répercute sur la pression de liquide au fond du réservoir, jusqu'à ce que cette pression atteigne la valeur prédéterminée précitée.
  • De la sorte, l'unité de commande 15 maintient sensiblement constante la pression de liquide au point de puisage P, pendant toute la période de soutirage d'azote. Le débit de la ligne 3 de raccordement à l'installation consommatrice 2 reste ainsi sensiblement constant, limitant les perturbations de fonctionnement de cette installation 2.
  • Lorsque le réservoir 1 est approvisionné (ou réapprovisionné) en azote liquide, par exemple par un remplissage en source, le niveau de liquide à l'intérieur du réservoir 1 augmente, entraînant une augmentation correspondante de la pression de gaz au sommet du réservoir. L'unité 15 détecte, par l'intermédiaire des mesures du manomètre 7, une augmentation de pression, et commande alors l'ouverture de la vanne de mise à l'air 13, ce qui fait diminuer la pression de gaz au sommet et, par conséquent, celle de liquide au fond du réservoir. L'unité 15 maintient l'ouverture de la vanne 13 tant que la pression de liquide au fond du réservoir reste supérieure à la valeur prédéterminée précitée.
  • La régulation du réservoir 1 est sensiblement analogue lorsque l'approvisionnement en azote liquide est effectuée par le sommet. Le remplissage en source est cependant préféré au remplissage en pluie, ce dernier tendant d'une part à diminuer de manière plus importante la pression de gaz, et d'autre part à échauffer le liquide.
  • Avantageusement, l'unité de commande 15 est adaptée pour améliorer les capacités de conservation des frigories du liquide stocké. Pour ce faire, lorsque le récipient 1 n'est pas sollicité en soutirage et ne le sera pas a priori pendant une durée de plusieurs heures (par exemple la nuit), l'unité 15 commande l'ouverture totale de la vanne de mise à l'air 13. La pression de gaz au sommet du réservoir passe alors d'une valeur de stockage d'environ 2 bars à sensiblement la pression atmosphérique (pression résiduelle de quelques centaines de grammes). Dans cet état, le réservoir 1 n'est plus à même d'alimenter l'installation 2, le déplacement du fluide à l'intérieur de la conduite 3 n'étant plus assuré. Cependant, en abaissant de la sorte la pression de stockage de l'azote, l'enthalpie de ce dernier tend à augmenter, ce qui revient à disposer d'un fluide de température plus basse que lorsqu'il était sous pression. Le fluide ainsi stocké durant ces périodes de non-utilisation du réservoir 1 présente donc une température plus basse qu'à l'ordinaire, garantissant une meilleure « qualité cryogénique » (en terme de frigories disponibles).
  • Lorsque la période de non-utilisation du réservoir se termine, l'unité 15 commande la remise sous pression du sommet du réservoir, via les moyens 5, jusqu'à ce que la pression de liquide au fond du réservoir atteigne la valeur prédéterminée précitée.
  • En faisant varier la pression du gaz au sommet du réservoir selon l'état de fonctionnement de ce réservoir, c'est-à-dire notamment selon que du liquide soit effectivement soutiré ou non et/ou selon que le réservoir est en cours d'approvisionnement, le procédé de régulation selon l'invention permet ainsi d'améliorer les performances de stockage, d'approvisionnement et de soutirage.
  • En variante au procédé de régulation selon l'invention, la mesure de la pression de liquide n'est pas effectuée, comme précédemment, sensiblement au niveau du point de puisage du liquide, mais est réalisée au niveau du point d'altitude la plus haute le long de la ligne 3 de raccordement entre le réservoir 1 et l'installation consommatrice 2.

Claims (9)

  1. Procédé de régulation en pression d'un réservoir (1) de fluide cryogénique raccordé à une installation (2) consommatrice de ce fluide, lequel réservoir contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, un fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir, ledit réservoir (1) étant adapté pour alimenter l'installation consommatrice (2) en liquide soutiré au fond du réservoir, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide, caractérisé en ce que l'on fait varier la pression du gaz au sommet du réservoir (1) selon l'état de fonctionnement de ce réservoir :
    - phase de tirage de liquide par ladite installation consommatrice,
    - phase de ré-approvisionnement du réservoir en fluide cryogénique,
    - phases d'attente de l'installation consommatrice où le réservoir est au repos.
  2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque le niveau (N) du liquide varie à l'intérieur du réservoir (1), on maintient la pression du liquide au fond du réservoir à une valeur prédéterminée constante en faisant varier la pression du gaz au sommet du réservoir.
  3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la pression du liquide maintenue à ladite valeur prédéterminée est mesurée au point de puisage (P) du liquide vers l'installation consommatrice (2).
  4. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la pression du liquide maintenue à ladite valeur prédéterminée est mesurée au point d'altitude la plus haute le long d'une ligne (3) de raccordement du réservoir (1) à l'installation consommatrice (2).
  5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que, lorsqu'on soutire du liquide depuis le réservoir (1) et que le niveau de liquide (N) baisse, on vaporise du liquide prélevé au fond du réservoir pour former du gaz envoyé au sommet dudit réservoir.
  6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que, lorsqu'on approvisionne le réservoir (1) en fluide et que le niveau de liquide (N) monte, on évacue à l'extérieur du réservoir au moins une partie du gaz au sommet dudit réservoir.
  7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le fluide d'approvisionnement est introduit au fond du réservoir (1), à l'état liquide.
  8. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque le réservoir (1) n'alimente pas l'installation consommatrice (2), on abaisse la pression du gaz au sommet du réservoir jusqu'à sensiblement la pression atmosphérique.
  9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression de stockage du réservoir (1) est inférieure à 4 bars.
EP03762706A 2002-07-05 2003-06-24 Procede de regulation en pression d'un reservoir de fluide cryogenique, et reservoir correspondant Expired - Lifetime EP1521933B1 (fr)

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