FR3045726A1 - Dispositifs et procede d'extraction et de valorisation de l'energie de detente d'un gaz sous pression non chauffe - Google Patents
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Abstract
Le dispositif (10) d'extraction et de valorisation de l'énergie de détente d'un gaz sous pression non chauffé, comporte : - un détendeur (110) de gaz de type machine tournante, comportant un arbre (111) libre en rotation pour réaliser une détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l'énergie mécanique sur l'arbre en rotation, - un échangeur (115) de chaleur condenseur/réchauffeur comportant une entrée (125) pour un fluide organique vaporisé, le fluide organique présentant une température d'ébullition inférieure à 40°C à pression ambiante ; - un circuit (140) fermé pour le fluide organique, dit « machine ORC » (pour Cycle Organique de Rankine), reliant : - la sortie de l'échangeur de chaleur à une pompe (155), - la pompe à un échangeur (145) évaporateur, - l'échangeur évaporateur à un détendeur (170) de fluide organique vaporisé et - le détendeur de fluide organique à l'échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur, de type machine tournante et réalisant une détente quasi-adiabatique du fluide organique, et produisant de l'énergie mécanique sur un arbre en rotation et - une connexion (145) de sortie pour le gaz détendu en aval de l'échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur.
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention vise des dispositifs et un procédé d’extraction et de valorisation d’énergie de détente d’un gaz sous pression non chauffé. Elle s’applique notamment aux postes de détente de gaz, notamment de gaz naturel, CO2 ou encore hydrogène, situés entre les réseaux à haute pression, et les réseaux, à basse pression.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Pour détendre du gaz d’un réseau haute pression (par exemple dans le cas d’un réseau de transport) à un réseau basse pression (par exemple dans le cas d’un réseau de distribution), l’homme du métier dispose aujourd’hui de plusieurs solutions.
Dans certains systèmes actuels, une vanne de laminage est mise en oeuvre. Ce dispositif crée une forte perte de charge, détendant de manière quasi-isotherme le gaz d’une pression élevée, par exemple de 22 ou 63 bar, à une pression faible, par exemple 2 ou 11 bar, propice à la distribution aux utilisateurs de gaz. La détente étant quasi-isotherme, le gaz détendu est en sortie à une température à peu près égale à la température initiale.
Dans cette configuration, l’exergie de l’état à haute pression est détruite et il n’y a pas de récupération d’énergie mécanique possible.
Dans d’autres systèmes actuels, un détendeur permettant une détente quasi-adiabatique est mis en œuvre. L’utilisation d’un détendeur, parfois appelé « expandeur », produit de l’énergie mécanique, sous la forme d’un arbre mis en rotation. L’énergie de pression est récupérée lors de la détente quasi-adiabatique qui provoque un fort refroidissement du gaz. Dans le cadre d’une détente de gaz naturel à 22 bar vers une pression de 2 bar sur un détendeur de conventionnel de type machine tournante avec un rendement isentropique de 85%, la température obtenue en fin de détente est de l’ordre de - 100°C pour un gaz initialement à 15°C. L’énergie mécanique récupérée sur le détendeur peut être utilisé pour mettre un arbre en rotation, permettant d’actionner un générateur électrique et produire ainsi de l’électricité.
Il existe différents dispositifs de détendeurs quasi-isentropiques générant de l’énergie mécanique, dont des détendeurs de type volumétrique (expandeur à vis, à piston) ou des détendeurs de type turbomachine (turbine axiale ou radiale). Ces dispositifs sont des machines tournantes.
Dans le cadre d’une détente quasi-adiabatique, le refroidissement obtenu lors de la détente peut créer d’important problème de formation de cristaux de glace dans les réseaux et sur les tuyauteries. Le gaz est donc généralement réchauffé par la suite par un échangeur air/gaz, par exemple, afin de ramener le gaz détendu à une température supérieure à 0°C. Dans cette configuration, de l’énergie électrique est produite mais le froid généré est évacué et de l’exergie est également détruite. À titre d’exemple de détendeur réalisant une détente quasi-adiabatique, on peut citer le brevet français FR 2438158 qui enseigne une configuration turbine-génératrice de courant spécifique et la gestion des étanchéités.
On note que la gestion du froid généré par la détente du gaz constitue une préoccupation importante. A titre d’exemple, le Brevet US 8375717 considère le préchauffage du gaz par un système électrique pour maintenir la température suite à la détente (également appelée expansion) du gaz et éviter la formation de cristaux de glace. Dans cette configuration, la grande partie de l’électricité générée n’est pas valorisée au-delà du procédée.
Dans le cas de détendeur quasi-adiabatique, l’état de l’art décrit également des utilisations du froid produit pour des besoins industriels par exemple, et dans le but de réchauffer le gaz ainsi détendu.
On note que, d’un point de vue théorique, une succession infinie de détente adiabatique avec réchauffage partiel a pour limite une détente isotherme.
Par ailleurs, concernant la technologie des machines à cycles organiques de Rankine qui permettent de produire de l’électricité à partir d’une différence de température entre deux sources de chaleurs, celle-ci est abondamment explicitée dans la littérature pour la production d’électricité entre une source chaude (récupérée sur un procédé de type chaudière, four, sur de l’eau géothermale, ou sur des fluides chauds provenant d’un procédé exothermique) et une source froide (généralement de l’eau refroidie par l’air ambiant, de l’air ambiant ou un fluide thermique utilisé pour des applications de chauffage ou de procédé à basse température).
Ainsi, par exemple, la demande de brevet américain US2013160486 décrit une invention destinée à produire de l’électricité en combinaison avec une unité de regazéification de LNG (pour « Liquified Natural Gas », traduit par gaz naturel liquéfiée). Ce document fait référence à l’utilisation de la technologie des Cycles Organiques de Rankine (ORC) pour la production d’énergie à partir de l’évaporation du LNG (“Design of Rankine Cycles for power génération from evaporating LNG”, Maertens, J., International Journal of Réfrigération, 1986, Vol. 9, May).
Les systèmes décrits ci-dessus visent à produire de l’électricité en utilisant une source froide provenant d’un procédé extérieur tel la regazéification du Gaz Naturel Liquéfié ci-dessus.
Ainsi, on note que : - les systèmes existants pour extraire et valoriser l’énergie de détente d’un gaz sous pression non chauffée ou d’une source froide ainsi créée ne maximisent pas l’ensemble de l’exergie (c’est-à-dire l’énergie dans sa meilleure qualité, sous forme mécanique ou électrique) disponible initialement et que - les systèmes qui permettent de récupérer l’énergie de pression en énergie mécanique ou électrique ont pour inconvénient la formation de cristaux de glace, avec une détérioration possible des infrastructures de transport et distribution du gaz détendu. S’il existe des systèmes pour produire de l’électricité à partir d’une source froide, l’origine de celle-ci est externe au dispositif mis en oeuvre dans les systèmes décrits.
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif d’extraction et de valorisation de l’énergie de détente d’un gaz sous pression non chauffé, qui comporte : - un détendeur de gaz de type machine tournante, comportant un arbre libre en rotation configuré pour réaliser une détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur l’arbre en rotation, - un échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur comportant : - une entrée pour le gaz détendu ; - une entrée pour un fluide organique sous forme vapeur, le fluide organique présentant une température d’ébullition inférieure à 40°C à pression ambiante ; - une sortie pour gaz détendu réchauffé et - une sortie pour fluide organique refroidi et condensé, - un circuit fermé pour le fluide organique, dit « machine ORC » (pour Organic Rankine Cycle, traduit par Cycle Organique de Rankine), reliant : - la sortie de l’échangeur de chaleur à une pompe, - la pompe à un échangeur évaporateur, - l’échangeur évaporateur à un détendeur de fluide organique vaporisé et - le détendeur de fluide organique à l’échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur, le détendeur de fluide organique étant une machine tournante et réalisant une détente quasi-adiabatique du fluide organique, et produisant de l’énergie mécanique sur un arbre en rotation et - une connexion de sortie pour le gaz détendu en aval de l’échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur.
Grâce à ces dispositions, la source froide de la machine ORC est formée par le gaz détendu et la source chaude par l’air ambiant, ou une source thermique extérieure. Ce dispositif permet ainsi : - d’une part de permettre le réchauffage du gaz détendu et éviter la formation de cristaux de glace dans le gaz détendu et - d’autre part d’optimiser la production de courant électrique à la fois lors de la détente du gaz dans le détendeur et via la valorisation du froid généré dans un circuit de fluide organique interne à au dispositif.
Si la littérature scientifique et technique décrit amplement le cas des systèmes avec détente de gaz sous pression chauffé, éventuellement en cycle combiné avec un moyen supplémentaire de production d’énergie à partir de la chaleur résiduelle encore disponible à l’issue de la première détente, la présente invention ne concerne pas cette thématique, car elle traite de la détente de gaz sous pression non chauffé et de la valorisation du froid généré lors de la détente du gaz (comme source froide de la machine thermodynamique), et non pas de la chaleur résiduelle (comme source chaude de la machine thermodynamique).
Dans des modes de réalisation, au moins un détendeur est une turbomachine, un arbre de chaque turbomachine étant relié à une génératrice configurée pour convertir l’énergie mécanique produite par ledit détendeur en électricité.
Dans des modes de réalisation, les arbres de chaque détendeur sont couplés à un arbre commun.
Ces modes de réalisations permettent d’optimiser l’architecture mécanique des détendeurs.
Dans des modes de réalisation, les écoulements de gaz et/ou de fluide organique vaporisé dans le dispositif sont partiellement diphasiques gaz-liquide, avec un titre de vapeur supérieur à 80% en masse pour la partie gaz.
Ces modes de réalisation permettent d’optimiser le fonctionnement des cycles thermodynamiques.
Dans des modes de réalisation, chaque détendeur comporte un échappement, chaque échappement étant relié à un échangeur commun.
Ces modes de réalisation permettent d’optimiser la performance énergétique du dispositif en réduisant les pertes de charges côté gaz et d’améliorer le réchauffage du gaz détendu, en réduisant la formation de glace.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte, en aval de la sortie pour gaz détendu réchauffé de l’échangeur condenseur/réchauffeur, un échangeur réchauffeur du gaz détendu réchauffé.
Ces modes de réalisation permettent de mettre le gaz détendu aux spécifications de distribution, dans le cas d’un réchauffage partiel seulement du flux de gaz détendu.
Dans des modes de réalisation, le fluide organique est un mélange zéotropique.
Ces modes de réalisation permettent d’optimiser la production d’énergie mécanique et le réchauffage du gaz détendu
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un dispositif de valorisation et d’optimisation de l’énergie de détente d’un gaz sous pression non chauffé, qui comporte : - un premier détendeur de gaz de type machine tournante, comportant un arbre libre en rotation configuré pour réaliser une détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur l’arbre en rotation, - un premier échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur comportant : - une entrée pour le gaz détendu issu du premier détendeur ; - une entrée pour un fluide organique vaporisé, le fluide organique présentant une température d’ébullition inférieure à 40°C à pression ambiante ; - une sortie pour gaz détendu réchauffé et - une sortie pour fluide organique refroidi et condensé, - un deuxième détendeur, de type machine tournante, relié à la sortie pour gaz détendu du premier échangeur de chaleur, comportant un arbre libre en rotation configuré pour réaliser une détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur l’arbre en rotation, - un deuxième échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur comportant : - une entrée pour le gaz détendu issu du deuxième détendeur ; - une entrée pour le fluide organique ; - une sortie pour gaz détendu réchauffé et - une sortie pour fluide organique refroidi et condensé, - un circuit fermé pour le fluide organique, dit « machine ORC » (pour Organic Rankine Cycle, traduit par Cycle Organique de Rankine), reliant : - la sortie de fluide organique de chaque échangeur de chaleur à une pompe, - chaque pompe à un échangeur évaporateur, - l’échangeur évaporateur à un détendeur de fluide organique vaporisé et - le détendeur de fluide organique à l’entrée pour fluide organique de chaque échangeur de chaleur de type condenseur/réchauffeur, le détendeur étant une machine tournante et réalisant une détente quasi-adiabatique du fluide organique, et produisant de l’énergie mécanique sur un arbre en rotation et - une connexion de sortie pour le gaz détendu en aval du deuxième échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur.
Les buts, avantages et caractéristiques particulières du dispositif objet du deuxième aspect de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet du premier aspect objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici.
En plus de ces avantages, ce deuxième aspect permet d’optimiser le réchauffage du gaz détendu.
Selon un troisième aspect, la présente invention vise un procédé de valorisation et d’optimisation de l’énergie de détente d’un gaz sous pression non chauffé, qui comporte : - une étape de détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur un arbre en rotation du gaz entré dans un détendeur, le détendeur comportant l’arbre en rotation, - une étape d’échange de chaleur comportant : - d’une part : - une étape d’entrée pour le gaz détendu ; - une étape de réchauffage du gaz détendu par un fluide organique vaporisé et - une étape de sortie du gaz détendu réchauffé et - d’autre part : - une étape d’entrée pour le fluide organique vaporisé, le fluide organique présentant une température d’ébullition inférieure à 40°C à pression ambiante ; - une étape de condensation et de refroidissement du fluide organique lors du réchauffement du gaz détendu et - une étape de sortie pour fluide organique refroidi et condensé, - une étape de circulation en circuit fermé pour le fluide organique comportant : - une étape de déplacement du fluide organique en sortie de l’étape d’échange de chaleur vers une pompe ; - une étape de déplacement du fluide organique depuis la pompe vers un échangeur évaporateur ; - une étape d’échange par évaporation du fluide organique ; - une étape de déplacement du fluide organique depuis l’échangeur évaporateur vers un détendeur de fluide organique vaporisé ; - une étape de détente du fluide organique vaporisé ; - une étape de déplacement du fluide organique depuis le détendeur pour servir de fluide organique au cours de l’étape d’entrée pour le fluide de l’étape d’échange de chaleur et - une étape de sortie pour le gaz détendu en aval de l’étape d’échangeur de chaleur.
Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici.
BREVE 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 la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, - la figure 2 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, - la figure 3 représente, schématiquement, un premier diagramme particulier de température-entropie du cycle thermodynamique mis en œuvre par le dispositif objet de la présente invention, - la figure 4 représente, schématiquement, un deuxième diagramme particulier de température-entropie du cycle thermodynamique mis en œuvre par le dispositif objet de la présente invention, - la figure 5 représente, schématiquement, un troisième diagramme particulier de température-entropie du cycle thermodynamique mis en œuvre par le dispositif objet de la présente invention, - la figure 6 représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, - la figure 7 représente, schématiquement, un quatrième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et - la figure 8 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention.
DESCRIPTION D’EXEMPLES DE REALISATION DE L’INVENTION
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.
On appelle « fluide organique », tout fluide de travail issu de la chimie du carbone, et en particulier les composés chimiques majoritairement composé d’alcanes, d’alcanes fluorés, d’éthers et/ou d’éthers fluorés. Ce fluide organique est composé, par exemple, d’éthane ou d’éthylène. Dans des variantes, ce fluide organique est un mélange zéotropique. Un tel mélange zéotropique permet une évaporation à température et pression non constante, ceci dans le but de mieux réchauffer le gaz sous pression détendu et/ou de mieux valoriser la source froide générée lors de la détente du gaz sous pression détendu.
On observe, sur la figure 1, qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 10 objet de la présente invention. Ce dispositif 10 de détente d’un gaz sous pression, comporte : - un détendeur 110 de gaz de type machine tournante, comportant un arbre 111 libre en rotation configuré pour réaliser une détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur l’arbre en rotation, - préférentiellement, une vanne 105 de réglage du débit de gaz entrant dans le détendeur 110, - un échangeur 115 de chaleur condenseur/réchauffeur comportant : - une entrée 120 pour le gaz détendu ; - une entrée 125 pour un fluide organique vaporisé, le fluide organique présentant une température d’ébullition inférieure à 40°C à pression ambiante ; - une sortie 130 pour gaz détendu réchauffé et - une sortie 135 pour fluide organique refroidi et condensé, - un circuit 140 fermé pour le fluide organique, dit « machine ORC » pour Organic Rankine Cycle, traduit par Cycle Organique de Rankine, reliant : - la sortie de l’échangeur de chaleur à une pompe 155, - la pompe à un échangeur 145 évaporateur, - l’échangeur évaporateur à un détendeur 170 de fluide organique vaporisé et - le détendeur de fluide organique à l’échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur, le détendeur étant une machine tournante et réalisant une détente quasi-adiabatique du fluide organique, et produisant de l’énergie mécanique sur un arbre en rotation et - une connexion 145 de sortie pour le gaz détendu en aval de l’échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur.
Le dispositif 10 peut être positionné sur une dérivation d’une conduite 190 de gaz sous pression.
Le détendeur 110 est, par exemple, une turbomachine de type turbine comportant un arbre 111 actionnant un arbre 185 mis en mouvement au cours de la détente du gaz dans l’enceinte du détenteur 110.
Le gaz entrant dans le détendeur 110 est détendu à une température basse puis dirigé vers l’échangeur 115 de chaleur pour y être réchauffé. L’échangeur 115 est, par exemple, un échangeur de type condenseur de fluide organique. Au sein de cet échangeur 115, le fluide organique cède la chaleur latente de condensation au gaz entré dans l’échangeur 115. L’entrée 120 pour le gaz détendu est, par exemple, une tuyauterie reliant le détendeur 110 à l’échangeur 115. Cette entrée 120 est reliée à une première ouverture de l’échangeur 115. L’entrée 125 pour le fluide organique est, par exemple, une tuyauterie reliant le détendeur 170 à l’échangeur 115. Cette entrée 125 est reliée à une deuxième ouverture de l’échangeur 115.
La sortie 130 pour le gaz détendu et réchauffé est, par exemple, une tuyauterie reliant l’échangeur 115 à la connexion de sortie 145 ou à un échangeur 144 réchauffeur tel que celui décrit ci-dessous. Cette sortie 130 est reliée à une troisième ouverture de l’échangeur 115.
La sortie 150 pour le fluide organique est, par exemple, une tuyauterie reliant l’échangeur 115 à la pompe 155. Cette sortie 150 est reliée à une quatrième ouverture de l’échangeur 115.
Ainsi, comme on le comprend, l’échangeur 115 comporte : - un circuit de gaz détendu arrivant froid par une tuyauterie 120 et ressortant réchauffé par une tuyauterie 130 et - un circuit de fluide organique vapeur basse pression arrivant chaud par une tuyauterie 125 et ressortant condensé et refroidi par une tuyauterie 150.
Le circuit fermé 140 pour le fluide organique est formé par : - la tuyauterie 150 reliant l’échangeur de chaleur 115 à la pompe 155, - une tuyauterie 160 reliant la pompe 155 à l’échangeur 145 évaporateur, - une tuyauterie 185 reliant l’échangeur 145 évaporateur au détendeur 170 et - la tuyauterie 125 reliant le détendeur 170 à l’échangeur 115.
Le gaz détendu et réchauffé issu de l’échangeur 115 est préférentiellement réchauffé dans un échangeur 144 réchauffeur puis réinjecté dans une conduite de gaz 195 reliée à un réseau de distribution, cette conduite 195 de gaz étant reliée à la connexion 145 de sortie.
Dans des modes de réalisation préférentiels, les écoulements de gaz et/ou de fluide dans le dispositif 10 sont diphasiques gaz-liquide, avec un titre de vapeur supérieur à 80% en masse pour la partie gaz. L’échangeur 145 évaporateur est, par exemple, un échangeur avec l’air ambiant ou un échangeur avec un autre fluide, tel de l’eau chaude ou de l’huile chaude issu d’un procédé externe tel, par exemple, un système de chauffage de type chaudière ou chaudière solaire, ou par géothermie ou par valorisation de rejets thermiques industriels. Dans ce cas de figure, les fluides organiques utilisés pour le cycle permettent la valorisation au mieux de cette température. A titre d’illustration, s’il existe des sources de chaleur sous forme par exemple d’eau chaude à une température de plusieurs dizaines de degré devant être refroidie, l’utilisation d’un fluide tel que le propane, dont la température d’ébullition à 1 bar est inférieure à 40°C mais supérieure à celle de l’éthane, ou d’un mélange de fluide zéotropique utilisant le propane améliore le rendement électrique de l’ensemble.
La pompe 155 permet la mise en circulation du fluide organique sous forme liquide présentant une faible pression en sortie de l’échangeur 115 et la régulation du fonctionnement de l’ensemble de la machine à cycle organique de Rankine.
Le détendeur 170 est, par exemple, une turbomachine munie d’un arbre 171 actionnant un arbre 185. Ce détendeur 170 est, dans des variantes, de type volumétrique tel, par exemple, un expandeur à vis ou un expandeur à piston.
Le choix du type de détendeur 170 dépend de paramètres techniques tels quel la nature, le débit et la chute de pression réalisées par le gaz détendu, ainsi que la vitesse de rotation de l’ensemble voulue. L’ensemble formé par l’échangeur 115, le détendeur 170, l’échangeur 145 évaporateur et la pompe 155 est une machine à cycle organique de Rankine. Cette machine correspond aux différents dispositifs positionnés le long du circuit fermé 140.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui illustré en figure 1, au moins un détendeur, 170 et/ou 110, est une turbomachine, un arbre de chaque turbomachine étant relié à une génératrice 180 configurée pour convertir l’énergie mécanique produite par ledit détendeur en électricité. La rotation de chaque arbre peut entraîner la rotation d’un unique arbre 185 commun couplé aux arbres de chaque détendeur, 110 et 170. Cet arbre 185 est couplé à une génératrice 180 configurée pour produite de l’électricité grâce à la rotation de chaque arbre. La génératrice 180 est reliée en couplage direct, ou via la mise en œuvre d’une boîte de vitesse.
Dans des variantes, le dispositif 10 comporte un couplage entre le détendeur 110 de gaz et le détendeur 170 de fluide organique chauffé et vaporisé. Ce couplage est réalisé au moyen : - d’un arbre commun sur lequel à une extrémité est fixée une roue ou plusieurs roues de turbines de détente de gaz et à l’autre extrémité une roue ou plusieurs routes de turbine de détende fluide organique, cet arbre étant posé sur deux paliers et - d’une génératrice disposée sur l’arbre entre les deux roues et entre les deux paliers.
Dans des modes de réalisation, l’énergie thermique dissipée par les paliers, des systèmes de lubrification des détendeurs de gaz et de la génératrice électrique, est utilisée pour réchauffer le gaz sous pression détendu, ce gaz étant devenu froid lors de la détente.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui illustré en figure 1, le dispositif 10 comporte, en aval de la sortie 130 pour gaz détendu réchauffé, un échangeur 144 réchauffeur du gaz détendu réchauffé. Cet échangeur 144 réchauffeur est configuré pour amener le gaz à une température proche de la température du gaz en entrée 100 du dispositif 10.On observe, sur la figure 2, schématiquement, un mode de réalisation particulier du dispositif 20 objet de la présente invention. Ce dispositif 20 de détente d’un gaz sous pression comporte : - un premier détendeur 211 de gaz de type machine tournante, comportant un arbre libre en rotation configuré pour réaliser une détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur l’arbre en rotation, - préférentiellement, une vanne 205 de réglage du débit de gaz entrant dans le premier détendeur 211, - un premier échangeur 221 de chaleur condenseur/réchauffeur comportant : - une entrée 223 pour le gaz détendu issu du premier détendeur ; - une entrée 224 pour un fluide organique, le fluide organique présentant une température d’ébullition inférieure à 40°C à pression ambiante ; - une sortie 225 pour gaz détendu réchauffé et - une sortie 226 pour fluide organique refroidi et condensé, - un deuxième détendeur 212, de type machine tournante, relié à la sortie pour gaz détendu du premier échangeur de chaleur, comportant un arbre libre en rotation configuré pour réaliser une détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur l’arbre en rotation, - un deuxième échangeur 222 de chaleur condenseur/réchauffeur comportant : - une entrée 227 pour le gaz détendu issu du deuxième détendeur ; - une entrée 228 pour le fluide organique ; - une sortie 229 pour gaz détendu réchauffé et - une sortie 230 pour fluide organique refroidi et condensé, - un circuit 240 fermé pour le fluide organique, dit « machine ORC » pour Organic Rankine Cycle, traduit par Cycle Organique de Rankine, reliant : - la sortie de fluide organique de chaque échangeur de chaleur à une pompe 261,262, - chaque pompe à un échangeur 270 évaporateur, - l’échangeur évaporateur à un détendeur 271 de fluide organique vaporisé et - le détendeur de fluide organique vaporisé à l’entrée pour fluide organique de chaque échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur ; le détendeur étant de type machine tournante et réalisant une détente quasi-adiabatique du fluide organique, et produisant de l’énergie mécanique sur un arbre en rotation et - une connexion 255 de sortie pour le gaz détendu en aval du deuxième échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur, - préférentiellement, un échangeur 250 réchauffeur du gaz issu de la sortie 229 du deuxième échangeur 22, - préférentiellement, une génératrice 281 reliée au détendeur, 211 et/ou 212, de manière correspondante à la génératrice 180 décrite en regard de la figure 1 et - préférentiellement, une génératrice 282 reliée au détendeur 271.Dans ce dispositif 20 de détente de gaz amélioré, la détente du gaz sous pression non chauffé est réalisée en deux étapes, avec réchauffage intermédiaire.
Dans cette variante du dispositif 10, le dispositif 20 présente plusieurs étages intermédiaires de détente quasi-adiabatique du gaz sous pression non chauffé. Comme on le comprend, le nombre d’étages peut être supérieur à deux par ajout d’un détendeur supplémentaire et d’un échangeur condenseur/réchauffeur supplémentaire relié ou non au circuit fermé 240 de manière similaire au deuxième échangeur 222.
Dans des modes de réalisations, les détendeurs, 211 et 212, de gaz sous pression non chauffé sont couplés mécaniquement à un même arbre et à une même génératrice 281, éventuellement par la mise en œuvre d’une boite de vitesse.
Dans des modes de réalisations, au moins un des détendeurs, 211 et/ou 212, de gaz sous pression non chauffé sont des turbomachines de type turbine radiale ou axiale.
Dans des variantes, au moins un des détenteurs, 211 et/ou 212, de gaz sous pression non chauffé est un expandeur volumétrique, tel qu’un expandeur à vis ou à piston.
Dans des modes de réalisations, le détendeur de fluide organique 271 est couplé mécaniquement avec au moins un détendeur, 211 et/ou 212, sur un même arbre et les génératrices, 281 et 282, sont confondues.
Dans des variantes, le circuit 240 fermé de fluide organique comporte plusieurs détendeurs de fluide organique tels que le détendeur 271, chaque dit détendeur étant relié à un échangeur, 221 ou 222.
On observe, en figure 3, un diagramme température-entropie du cycle thermodynamique du dispositif 10 en ce qui concerne le fluide organique, selon un mode particulier de mise en œuvre, utilisant l’éthane comme fluide organique et le gaz naturel comme gaz sous pression non chauffé. L’ordonnée est en degrés Kelvin.
Dans ce mode particulier de mise en œuvre, le gaz est tout d’abord détendu de 2200 kPa ; 288 K, soit 15°C, à 200 kPa par détente quasi-adiabatique, c’est-à-dire avec un rendement isentropique de 85%. En sortie du détendeur de gaz, le gaz naturel est ainsi à une température de 176 K, soit -97°C.
Le gaz entre ensuite dans l’échangeur 115 et est réchauffé par la condensation de la vapeur de fluide organique. Le gaz naturel est ainsi réchauffé de 176 K jusqu’à une température de 218 K, soit -55°C, environ.
Ce réchauffage est représenté en figure 3 par un segment de droite 305.
Par ailleurs, dans l’échangeur 115 de fluide organique, le fluide organique est condensé à une température de 225 K, soit -48°C, environ et une pression de 457 kPa environ. Il est pompé à une pression de 1500 kPa environ, puis vaporisé à une température de 255 K, soit -18°C, et surchauffé de quelques degrés. Il est ensuite détendu à 457 kPa environ.
Ce cycle est représenté en figure 3 par un circuit du fluide 310.
Le fluide organique est vaporisé grâce à une source chaude, qui, dans un mode particulier de l’invention est l’air ambiant. Celui-ci est refroidit de 293 K, soit 20°C, à 273 K, soit 0°C.
Ce refroidissement est représenté en figure 3 par un segment de droite 315.
On observe, en figure 4, un diagramme température-entropie du cycle thermodynamique du dispositif 10 dans un cas où le fluide de travail utilisé est un mélange de fluides, dit zéotropique, au lieu d’un corps pur. Ce mélange zéotropique se vaporise et se condense à une pression et une température non constante. Cette caractéristique des mélanges permet de mieux valoriser la source froide et la source chaude. Idéalement la courbe de vaporisation du mélange zéotropique T = f(S), où T est la température en K et S l’entropie en kJ/kg/K, est une droite de pente la plus proche possible de la pente réalisée par la source froide représentée par un segment de droite 405. Un mélange zéotropique est par exemple un mélange d’éthane 85% en masse et de méthane 15%.
On observe, sur la figure 5, un diagramme température-entropie du cycle thermodynamique du dispositif 10 dans un cas de l’utilisation d’une source de chaleur externe au dispositif 10, telle qu’une source de chaleur sous forme d’eau chaude ou d’huile chaude qui permet de vaporiser le fluide organique à plus haute température que la température ambiante. Dans certaines conditions, les sites industriels où peut être installé le dispositif 10 objet de la présente invention, peuvent disposer des rejets thermiques industriels sous forme d’eau chaude ou d’air chaud. Dans ces conditions, cette source chaude peut être utilisée pour augmenter le rendement de l’installation globale et refroidir l’effluent thermique industriel. Un fluide organique plus adapté, présentant une température d’ébullition pour une pression de 1 bar, plus importante notamment peut être envisagé.
On observe, sur la figure 6, schématiquement, un mode de réalisation particulier d’un arbre 60 sur lequel sont combinées sur un même arbre 605 une turbine 610 détendant le gaz sous pression non chauffé, une turbine 615 détendant le fluide de travail chauffé et sous pression et une génératrice 635. Les deux turbines, 610 et 615, sont en configuration porte-à-faux de sorte que les deux paliers, 620 et 625, soient situés du même côté par rapport à la roue de turbine. Cet arbre 60 comporte, de plus, un dispositif 630 d’étanchéité permettant au fluide organique du côté de la turbine 615 pour fluide organique de ne pas être en contact avec le gaz sous pression détendu. La génératrice 635 peut baigner dans le flux de gaz détendu.
On observe, sur la figure 7, schématiquement, un mode de réalisation particulier d’une installation 70 pour laquelle l’intégration est plus importante. Les détendeurs sont combinés sur un même arbre mécanique tel que décrit en regard de la figure 6. Les sorties, 705 et 710, basse pression de chaque détendeur du détendeur de gaz et du détendeur de fluide organique, sont connectées directement sur un même échangeur 715 qui peut être situé en dessus ou à côté du bloc détendeur 720 comportant les deux détendeurs.
Ainsi, dans le mode de réalisation décrit en regard de la figure 7, le gaz sous pression non chauffé arrive dans le détenteur de gaz via une connexion 7625 puis rencontre une semble de pièce fixe ou stator 730, puis un ensemble de pièce mobile avant d’entrer dans l’échangeur 715 qui réchauffe ce gaz jusqu’à ce que le gaz sorte de l’échangeur 715 par une sortie 735.
De l’autre côté, la vapeur de fluide organique chauffée et sous pression entre dans le dispositif décrit en regard de la figure 7 par une connexion d’entrée en 740 et en ressort détendue en par la sortie 710 et entre directement dans l’échangeur 715, pour en ressortir condensé par une sortie 745.
On observe, sur la figure 8, une succession d’étapes particulières du procédé 80 objet de la présente invention. Ce procédé 80 d’extraction et de valorisation de l’énergie de détente d’un gaz sous pression non chauffé, comporte : - une étape 810 de détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur un arbre en rotation du gaz entré dans un détendeur, le détendeur comportant l’arbre en rotation, - une étape 815 d’échange de chaleur comportant : - d’une part : - une étape 820 d’entrée pour le gaz détendu ; - une étape 825 de réchauffage du gaz détendu par un fluide organique vaporisé et - une étape 830 de sortie du gaz détendu réchauffé et - d’autre part : - une étape 855 d’entrée pour le fluide organique vaporisé, le fluide organique présentant une température d’ébullition inférieure à 40°C à pression ambiante ; - une étape 850 de condensation et de refroidissement du fluide organique lors du réchauffement du gaz détendu et - une étape 845 de sortie pour fluide organique refroidi et condensé, - une étape 890 de circulation en circuit fermé pour le fluide organique comportant : - une étape 860 de déplacement du fluide organique en sortie de l’étape d’échange de chaleur vers une pompe ; - une étape 865 de déplacement du fluide organique depuis la pompe vers un échangeur évaporateur ; - une étape 870 d’échange par évaporation du fluide organique ; - une étape 875 de déplacement du fluide organique depuis l’échangeur évaporateur vers un détendeur de fluide organique vaporisé ; - une étape 880 de détente du fluide organique vaporisé ; - une étape 885 de déplacement du fluide organique depuis le détendeur pour servir de fluide organique au cours de l’étape d’entrée pour le fluide de l’étape d’échange de chaleur et - préférentiellement, une étape 835 de réchauffage du gaz sorti de l’étape 815 d’échange et - une étape 840 de sortie pour le gaz détendu en aval de l’étape d’échangeur de chaleur.
Ce procédé 80 est mis en œuvre, par exemple, par le dispositif 10 décrit en regard de la figure 1.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Dispositif (10) d’extraction et de valorisation de l’énergie de détente d’un gaz sous pression non chauffé, caractérisé en ce qu’il comporte : - un détendeur (110) de gaz de type machine tournante, comportant un arbre (111) libre en rotation configuré pour réaliser une détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur l’arbre en rotation, - un échangeur (115) de chaleur condenseur/réchauffeur comportant : - une entrée (120) pour le gaz détendu ; - une entrée (125) pour un fluide organique vaporisé, le fluide organique présentant une température d’ébullition inférieure à 40°C à pression ambiante ; - une sortie (130) pour gaz détendu réchauffé et - une sortie (135) pour fluide organique refroidi et condensé, - un circuit (140) fermé pour le fluide organique, dit « machine ORC » (pour Organic Rankine Cycle, traduit par Cycle Organique de Rankine), reliant : - la sortie de l’échangeur de chaleur à une pompe (155), - la pompe à un échangeur (145) évaporateur, - l’échangeur évaporateur à un détendeur (170) de fluide organique vaporisé et - le détendeur de fluide organique à l’échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur, le détendeur étant une machine tournante et réalisant une détente quasi-adiabatique du fluide organique, et produisant de l’énergie mécanique sur un arbre en rotation et - une connexion (145) de sortie pour le gaz détendu en aval de l’échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur.
- 2. Dispositif (10) selon la revendication 1, dans lequel au moins un détendeur (110, 170) est une turbomachine, un arbre (111, 171) de chaque turbomachine étant relié à une génératrice (180) configurée pour convertir l’énergie mécanique produite par ledit détendeur en électricité.
- 3. Dispositif (10) selon la revendication 2, dans lequel les arbres (111, 171) de chaque turbomachine sont couplés à un arbre commun (185).
- 4. Dispositif (10) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les écoulements de gaz et/ou de fluide dans le dispositif sont partiellement diphasiques gaz-liquide, avec un titre de vapeur supérieur à 80% en masse pour la partie gaz.
- 5. Dispositif (10) selon l’une des revendications 1 à 4, qui comporte, en aval de la sortie (130) pour gaz détendu réchauffé de l’échangeur (115) condenseur/réchauffeur, un échangeur (144) réchauffeur du gaz détendu réchauffé.
- 6. Dispositif (10) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le fluide organique est un mélange zéotropique.
- 7. Dispositif (20) de valorisation et d’optimisation de l’énergie de détente d’un gaz sous pression non chauffé, caractérisé en ce qu’il comporte : - un premier détendeur (211) de gaz de type machine tournante, comportant un arbre libre en rotation configuré pour réaliser une détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur l’arbre en rotation, - un premier échangeur (221) de chaleur condenseur/réchauffeur comportant : - une entrée (223) pour le gaz détendu issu du premier détendeur ; - une entrée (224) pour un fluide organique vaporisé, le fluide organique présentant une température d’ébullition inférieure à 40°C à pression ambiante ; - une sortie (225) pour gaz détendu réchauffé et - une sortie (226) pour fluide organique refroidi et condensé, - un deuxième détendeur (212), de type machine tournante, relié à la sortie pour gaz détendu du premier échangeur de chaleur, comportant un arbre libre en rotation configuré pour réaliser une détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur l’arbre en rotation, - un deuxième échangeur (222) de chaleur condenseur/réchauffeur comportant : - une entrée (227) pour le gaz détendu issu du deuxième détendeur ; - une entrée (228) pour le fluide organique ; - une sortie (229) pour gaz détendu réchauffé et - une sortie (230) pour fluide organique refroidi et condensé, - un circuit (240) fermé pour le fluide organique, dit « machine ORC » (pour Organic Rankine Cycle, traduit par Cycle Organique de Rankine), reliant : - la sortie de fluide organique de chaque échangeur de chaleur à une pompe (261, 262), - chaque pompe à un échangeur (270) évaporateur, - l’échangeur évaporateur à un détendeur (271) de fluide organique vaporisé et - le détendeur de fluide organique à l’entrée pour fluide organique de chaque échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur, le détendeur étant une machine tournante et réalisant une détente quasi-adiabatique du fluide organique, et produisant de l’énergie mécanique sur un arbre en rotation et - une connexion (255) de sortie pour le gaz détendu en aval du deuxième échangeur de chaleur condenseur/réchauffeur.
- 8. Procédé (80) d’extraction et de valorisation de l’énergie de détente d’un gaz sous pression non chauffé, caractérisé en ce qu’il comporte : - une étape (810) de détente quasi-adiabatique et produire ainsi de l’énergie mécanique sur un arbre en rotation du gaz entré dans un détendeur, le détendeur comportant l’arbre en rotation, - une étape (815) d’échange de chaleur comportant : - d’une part : - une étape (820) d’entrée pour le gaz détendu ; - une étape (825) de réchauffage du gaz détendu par un fluide organique vaporisé et - une étape (830) de sortie du gaz détendu réchauffé et - d’autre part : - une étape (855) d’entrée pour le fluide organique vaporisé, le fluide organique présentant une température d’ébullition inférieure à 40°C à pression ambiante ; - une étape (850) de condensation et de refroidissement du fluide organique lors du réchauffement du gaz détendu et - une étape (845) de sortie pour fluide organique refroidi et condensé, - une étape (890) de circulation en circuit fermé pour le fluide organique comportant : - une étape (860) de déplacement du fluide organique en sortie de l’étape d’échange de chaleur vers une pompe ; - une étape (865) de déplacement du fluide organique depuis la pompe vers un échangeur évaporateur ; - une étape (870) d’échange par évaporation du fluide organique ; - une étape (875) de déplacement du fluide organique depuis l’échangeur évaporateur vers un détendeur de fluide organique vaporisé ; - une étape (880) de détente du fluide organique vaporisé ; - une étape (885) de déplacement du fluide organique depuis le détendeur pour servir de fluide organique au cours de l’étape d’entrée pour le fluide de l’étape d’échange de chaleur et - une étape (840) de sortie pour le gaz détendu en aval de l’étape d’échangeur de chaleur.
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