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WO2024153378A1 - Installation et procédé de liquéfaction d'un flux de fluide - Google Patents

Installation et procédé de liquéfaction d'un flux de fluide Download PDF

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Publication number
WO2024153378A1
WO2024153378A1 PCT/EP2023/083478 EP2023083478W WO2024153378A1 WO 2024153378 A1 WO2024153378 A1 WO 2024153378A1 EP 2023083478 W EP2023083478 W EP 2023083478W WO 2024153378 A1 WO2024153378 A1 WO 2024153378A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluid
cooled
flow
turbine
gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/083478
Other languages
English (en)
Inventor
Jean-Marc Bernhardt
Fabien Durand
Romain LOEB
Rasmey TRY
Original Assignee
L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude filed Critical L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Publication of WO2024153378A1 publication Critical patent/WO2024153378A1/fr

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    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream

Definitions

  • the invention relates to an installation and a method for liquefying a flow of fluid, for example natural gas,
  • the invention relates more particularly to an installation for liquefying a flow of fluid such as natural gas, the installation comprising a fluid circuit to be cooled provided with an upstream end intended to be connected to a source of gas to be liquefied under pressure and a downstream end intended to be connected to a receiving or user member of the liquefied gas, the installation comprising, between the upstream and downstream ends, a set of members intended to cool and liquefy said fluid to be cooled and in particular a cryogenic refrigerator, for example of the cycle fluid type, comprising at least one cooling exchanger ensuring a heat exchange between the fluid to be cooled and the cycle fluid, the fluid circuit to be cooled further comprising a gas flow expansion turbine to be cooled, the expansion turbine being mounted on a rotating axis supported by at least one static gas type bearing, the fluid circuit to be cooled comprising a pressurized gas injection pipe having an upstream end intended to receive fluid under pressure supplied by the source and a downstream end connected to the bearing to ensure the support of the rotating axis,
  • inlet flow or feed the flow of fluid to be liquefied (inlet flow or "feed") is sometimes available at a relatively high pressure, for example from 30 to 80 barg, in particular when the fluid to be liquefied comes from a network under pressure.
  • This may apply in particular to the liquefaction of natural gas from distribution pipe networks.
  • the available liquefaction machines do not always allow operating at such a high pressure if this pressure is higher than the maximum allowable pressure (also called design pressure) of the liquefier or any other unit necessary for the liquefaction process.
  • the design pressure of some liquefiers or refrigerators can be around 50 barg.
  • a high liquefaction pressure improves production capacity since it corresponds to a liquefaction level (zone of gas to liquid phase change) of the fluid at a higher temperature.
  • Liquefying gases at a higher temperature theoretically makes it possible to provide cold power at a cooler temperature and therefore improve the energy efficiency of the liquefier.
  • the available liquefaction turbomachines do not always make it possible to exploit this pressure for technical reasons (wheel size, engine rotation speed, too high cycle pressure for example).
  • the operating optimum can be found at a different liquefaction stage pressure/temperature couple, sometimes lower than the available and initial couple. It is therefore necessary to enhance the reduction in pressure towards this more appropriate couple by optimizing the overall chain.
  • a simple and intuitive solution consists of reducing the pressure upstream of the liquefier and downstream of the pre-cooler via an expansion valve. This pressure reduction would allow for most fluids to reduce the temperature at the liquefier inlet by the Joule-Thompson effect. However, this isenthalpic organ does not remove cold power from the flow, which does not appear to be sufficient optimization for a constant production train.
  • An aim of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the installation according to the invention is essentially characterized in that the turbine for expanding the flow of gas to be cooled is arranged upstream of the refrigerator cryogenic.
  • the invention also relates to a method for liquefying a flow of fluid, for example natural gas, using an installation comprising a fluid circuit to be cooled provided with an upstream end connected to a source of gas to be liquefied under pressure and a downstream end connected to a receiver or user body of the liquefied gas, the installation comprising, between the upstream and downstream ends, a set of bodies intended to cool and liquefy said fluid to be cooled and in particular a cryogenic refrigerator, for example with a cooling fluid cycle comprising at least one cooling exchanger ensuring a heat exchange between the fluid to be cooled and the cycle fluid, the fluid circuit to be cooled further comprising a turbine for expanding the flow of gas to be cooled arranged upstream of the cryogenic refrigerator, the expansion turbine being mounted on a rotating axis supported by at least one static gas type bearing, the fluid circuit to be cooled comprising a pressurized gas injection pipe having an upstream end intended to receive pressurized fluid supplied by the source and a downstream end connected to the bearing to ensure
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the characteristics above or below within the scope of the claims.
  • FIG. 1 is a schematic and partial view illustrating an example of structure and operation of an installation according to the invention.
  • the installation 1 for liquefying a flow of fluid such as natural gas illustrated comprises a circuit 2 of fluid to be cooled provided with an upstream end 12 intended to be connected to a source 3 of gas to be liquefied under pressure (for example a natural gas network) and a downstream end 22 intended to be connected to a body 4 receiving or using liquefied gas (for example a liquefied natural gas tank).
  • a source 3 of gas to be liquefied under pressure for example a natural gas network
  • a downstream end 22 intended to be connected to a body 4 receiving or using liquefied gas (for example a liquefied natural gas tank).
  • the cycle fluid is in a separate and independent loop of circuit 2 of fluid to be cooled.
  • the cycle fluid may be of a nature distinct from the fluid to be cooled.
  • the downstream cryogenic refrigerator 6 comprises at least one cooling exchanger 8 ensuring a thermal exchange between the fluid to be cooled and the cycle fluid.
  • the expansion turbine 7 is mounted on a rotating axis supported by at least one bearing 10 of the static gas type.
  • the fluid circuit 2 to be cooled comprises a pressurized gas injection pipe 11 having an upstream end intended to receive pressurized fluid supplied by the source 3 and a downstream end connected to the bearing 10 to ensure the support of the axis rotating.
  • the expansion turbine 7 located upstream of the liquefier levitates thanks to a continuous flow of gas in the bearings 10.
  • This gas flow for stage 10 can thus be removed from the upstream flow at ambient temperature and can be expanded in order to minimize its flow.
  • the gas injection pipe 11 comprises a regulating and/or expansion member 14, for example an expansion valve. Reducing pressure reduces flow while keeping downstream pressure close to storage or use pressure.
  • the stage flow rate is preferably kept below 10% of the total flow rate of the upstream flow.
  • the installation 1 comprises a pipe 13 for recovering the gas having been used in the bearing 10.
  • This recovery pipe 13 has an upstream end connected to the bearing 10 and may include a portion in heat exchange with the cycle fluid in at least an exchanger 8 for cooling the cryogenic refrigerator 6 (for example in one or more dedicated passages).
  • the recovery pipe 13 may comprise a downstream end connected to the downstream end 22 of the circuit 2 of fluid to be cooled.
  • the gas flow having passed through the bearings 10 can be liquefied at a pressure close to the final use or storage pressure.
  • the recovery pipe 13 can lead the gas flow to another recovery system 18, without passing through the cryogenic refrigerator 6, for example to a burner to provide energy at installation 1.
  • the installation 1 is configured to supply a flow of fluid to the inlet of the expansion turbine 7 at a first pressure determined for example 70 barg. This pressure is for example fixed and determined by source 3 (network for example).
  • the expansion turbine 7 is configured to expand this flow at the outlet of the expansion turbine 7 to a second determined pressure, for example 50 barg (lowering the pressure by 20 bar).
  • the pre-cooling device 5 can for its part be configured to cool the flow of fluid at the inlet of the expansion turbine 7 to a determined temperature so that the fluid is in a state of saturation or close to saturation at the outlet of the expansion turbine 7.
  • Close to saturation means that the temperature of the fluid leaving the turbine 7 is plus or minus 10 K from the saturated steam temperature (saturation) at the liquefaction pressure, for example plus or minus 5K.
  • the temperature of the fluid can be regulated/controlled or fixed at the inlet of the expansion turbine 7 so that the temperature of the fluid at the outlet of the turbine 7 at the corresponding pressure level is equal to the temperature of the expansion turbine 7. appearance of the first drops of liquid.
  • An intermediate pressure also called liquefaction pressure, can thus be determined.
  • the temperature of the fluid liquefaction stage varies under pressure and temperature conditions depending on the composition of the gas to be liquefied.
  • the composition can fluctuate depending on the origin of the gas but also the purification process used upstream.
  • the location upstream of the expansion turbine 7 provides advantages.
  • the installation avoids having to manage instabilities or wear due to the generation of liquid drops in the turbine during expansion.
  • This liquefaction temperature is significantly lower than the outlet temperature of the pre-cooling system 5.
  • the cold power extracted by the expansion turbine 7 can advantageously be transmitted on a common shaft to at least one compressor 15 at the other end.
  • a braking system for the expansion turbine 7 could include an alternator and/or an eddy current type brake.
  • this energy can be dissipated by the compressor in a closed cycle 16 filled with a fluid.
  • the heat produced can be evacuated for example by a cooling network of installation 1. This energy can also be used for the compression of an additional fluid.
  • An expansion valve 17 can be provided downstream of the liquefier 6 to expand liquefied gas produced in the liquefier.
  • the temperature is almost stable during the expansion operation (for example +/- 2 K).
  • the main flow from the expansion valve 17 as well as the recovered and cooled bearing gas flow can be mixed before storage or use. The process does not present any loss of gas supplied by source 3.
  • the use of the expansion turbine 7 upstream of the liquefaction allows work extraction until an optimum liquefaction level is approached for the fluid.
  • Cold power is extracted at relatively low temperature (between the outlet temperature of the pre-cooling system 5 and up to minus 100°C for example).
  • the whole has high energy efficiency.

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Abstract

L'invention concerne une installation de liquéfaction d'un fluide comprenant un circuit (2) de fluide à refroidir, un réfrigérateur (6) cryogénique à fluide de cycle comprenant au moins un échangeur (8) de refroidissement assurant un échange thermique entre le fluide à refroidir et le fluide de cycle, l'installation comprenant en outre une turbine (7) de détente du flux de gaz à refroidir, la turbine (7) de détente étant montée sur un axe tournant sustenté par au moins un palier (10) de type statique à gaz, l'installation comprenant une conduite (11) d'injection de gaz sous pression ayant une extrémité amont destinée à recevoir du fluide sous pression à liquéfier et une extrémité aval reliée au palier (10) pour assurer la sustentation de l'axe tournant, l'installation (1) comprenant une conduite (13) de récupération du gaz ayant été utilisé dans le palier (10), la conduite (13) comprenant une extrémité aval reliée à l'extrémité (22) aval du circuit (2) de fluide à refroidir et/ou un système de récupération, la turbine (7) de détente du flux de gaz à refroidir étant disposée en amont du réfrigérateur (6) cryogénique.

Description

Installation et procédé de liquéfaction d'un flux de fluide 
L’invention concerne une installation et un procédé de liquéfaction d'un flux de fluide, par exemple du gaz naturel,
L’invention concerne plus particulièrement une installation de liquéfaction d'un flux de fluide tel que du gaz naturel, l'installation comprenant un circuit de fluide à refroidir muni d'une extrémité amont destinée à être reliée à une source de gaz à liquéfier sous pression et d'une extrémité aval destinée à être reliée à un organe receveur ou utilisateur du gaz liquéfié, l'installation comprenant, entre les extrémités amont et aval, un ensemble d'organes destinés à refroidir et liquéfier ledit fluide à refroidir et en particulier un réfrigérateur cryogénique par exemple du type à fluide de cycle comprenant au moins un échangeur de refroidissement assurant un échange thermique entre le fluide à refroidir et le fluide de cycle, le circuit de fluide à refroidir comprenant en outre une turbine de détente du flux de gaz à refroidir, la turbine de détente étant montée sur un axe tournant sustenté par au moins un palier de type statique à gaz, le circuit de fluide à refroidir comprenant une conduite d'injection de gaz sous pression ayant une extrémité amont destinée à recevoir du fluide sous pression fourni par la source et une extrémité aval reliée au palier pour assurer la sustentation de l'axe tournant, l'installation comprenant une conduite de récupération du gaz ayant été utilisé dans le palier, la conduite de récupération comprenant une extrémité amont reliée au palier, la conduite de récupération comprenant une extrémité aval reliée à l’extrémité aval du circuit de fluide à refroidir et/ou un système de récupération.
Dans les installations de liquéfaction cryogénique le flux de fluide à liquéfier (flux d’entrée ou « feed ») est parfois disponible à une pression relativement élevée par exemple de 30 à 80 barg, en particulier quand le fluide à liquéfier provient d’un réseau sous pression.
Ceci peut s’appliquer en particulier pour de la liquéfaction de gaz naturel à partir des réseaux de tuyaux de distribution.
Dans certains cas, la capacité de liquéfaction souhaitée est supérieure à la capacité habituelle du liquéfacteur. Un des leviers utilisables pour augmenter la capacité du liquéfacteur peut alors être d’augmenter la pression du fluide à liquéfier en amont de celui-ci via des compresseurs. Ce cas peut s’appliquer pour de la liquéfaction de biogaz par exemple. Ce gaz provient généralement d’un digesteur à une pression proche de la pression atmosphérique.
Cependant, les machines de liquéfaction disponibles ne permettent pas toujours d’opérer à une pression si élevée si cette pression est supérieure à la pression maximale admissible (appelée également pression de conception ou de « design ») du liquéfacteur ou de tout autre unité nécessaire au processus de liquéfaction. Par exemple, la pression de conception de certains liquéfacteurs ou réfrigérateurs peut être de l’ordre de 50 barg.
Une pression de liquéfaction élevée améliore la capacité de production étant donné qu’elle correspond à un palier de liquéfaction (zone de changement de phase gazeuse vers liquide) du fluide plus haut en température. Liquéfier les gaz à plus haute température permet théoriquement de fournir une puissance froide à une température moins froide et donc d’améliorer l’efficacité énergétique du liquéfacteur.
De plus, les turbomachines de liquéfaction disponibles ne permettent pas toujours de valoriser cette pression pour des raisons techniques (taille de roue, vitesse de rotation moteur, pression cycle trop élevée par exemple). L’optimum de fonctionnement peut se trouver à un couple pression/température palier de liquéfaction différent, parfois plus faible que le couple disponible et initial. Il est donc nécessaire de valoriser la descente en pression vers ce couple plus approprié en optimisant la chaîne globale.
Une solution simple et intuitive consiste à réduire la pression en amont du liquéfacteur et en aval du pré-refroidisseur via une vanne de détente. Cette réduction de pression permettrait pour la plupart des fluides de réduire la température en entrée du liquéfacteur par l’effet Joule-Thompson. Cependant, cet organe isenthalpique ne retire pas de puissance froide du flux ce qui n'apparaît pas comme une optimisation suffisante pour un train de production constant.
Le document WO2021063429A1 décrit un système de liquéfaction de gaz naturel dont la détente est utilisée pour refroidir un cycle de réfrigérant. Cette solution utilise une boucle d’azote dont les fuites doivent être compensées.
Le document WO20259990A1 décrit une utilisation d’une turbine en sortie du liquéfacteur. Ceci ne résout pas les problèmes de gestion de la pression dans la partie amont de l’installation.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, l’installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce quela turbine de détente du flux de gaz à refroidir est disposée en amont du réfrigérateur cryogénique.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • la conduite de récupération comprend une portion en échange thermique avec le fluide de cycle dans le au moins un échangeur de refroidissement du réfrigérateur cryogénique,
  • la conduite de récupération est en échange thermique avec le au moins un échangeur de refroidissement du réfrigérateur cryogénique via un ou des passages dans le ou les échangeurs qui sont distincts des passages prévus pour le circuit de fluide à refroidir, c'est-à-dire que le fluide à refroidir et le gaz circulant dans la conduite de récupération sont refroidis de façon parallèle et séparément avant d'être mélangé en aval,
  • la conduite d'injection de gaz comprend un organe de régulation et/ou de détente, par exemple une vanne,
  • l’organe de régulation et/ou de détente est configuré pour maintenir le débit dans le conduite d'injection à une valeur compris entre 0,5% et 10% du débit du fluide sous pression fourni par la source,
  • le circuit de fluide à refroidir comprend un dispositif de pré-refroidissement disposé en amont de la turbine de détente et configuré pour assurer un pré-refroidissement du flux de gaz à refroidir avant sa détente dans ladite turbine,
  • l’installation est configurée pour fournir un flux de fluide à l’entrée de la turbine de détente à une première pression déterminée et pour détendre ce flux en sortie de la turbine de détente à une seconde pression déterminée, le dispositif de pré-refroidissement étant configuré pour refroidir le flux de fluide à l’entrée de la turbine de détente à une température déterminée amenant ledit fluide dans un état de saturation ou proche de la saturation à la sortie de la turbine de détente,
  • l'axe tournant portant la turbine de détente porte également un compresseur configuré pour récupérer le travail fourni par la turbine de détente dans un circuit fluidique de dissipation de ce travail et/ou un alternateur et/ou un frein du type à courants de Foucault.
L’invention concerne également un procédé de liquéfaction d'un flux de fluide, par exemple du gaz naturel, utilisant une installation comprenant un circuit de fluide à refroidir muni d'une extrémité amont reliée à une source de gaz à liquéfier sous pression et une extrémité aval reliée à un organe receveur ou utilisateur du gaz liquéfié, l'installation comprenant, entre les extrémités amont et aval, un ensemble d'organes destinés à refroidir et liquéfier ledit fluide à refroidir et en particulier un réfrigérateur cryogénique par exemple à fluide de cycle comprenant au moins un échangeur de refroidissement assurant un échange thermique entre le fluide à refroidir et le fluide de cycle, le circuit de fluide à refroidir comprenant en outre une turbine de détente du flux de gaz à refroidir disposée en amont du réfrigérateur cryogénique, la turbine de détente étant montée sur un axe tournant sustenté par au moins un palier de type statique à gaz, le circuit de fluide à refroidir comprenant une conduite d'injection de gaz sous pression ayant une extrémité amont destinée à recevoir du fluide sous pression fourni par la source et une extrémité aval reliée au palier pour assurer la sustentation de l'axe tournant, l'installation comprenant une conduite de récupération du gaz ayant été utilisé dans le palier), la conduite de récupération comprenant une extrémité amont reliée au palier, une portion en échange thermique avec le fluide de cycle dans le au moins un échangeur de refroidissement du réfrigérateur cryogénique, la conduite de récupération comprenant une extrémité aval reliée à l’extrémité aval du circuit de fluide à refroidir, le procédé comprenant une étape de détente de la majorité du flux de fluide à refroidir fourni par la source dans la turbine de détente en amont de l’échangeur de refroidissement du réfrigérateur cryogénique et, simultanément, une étape de prélèvement d’une fraction du flux de fluide à refroidir fourni par la source pour alimenter le palier et assurer la sustentation de l'axe tournant.
Selon d’autres particularités possibles :
  • la pression du flux de fluide en entrée de la turbine est à une première pression déterminée comprise entre 100 et 50 barg, la turbine étant configurée pour détendre ce flux en sortie de la turbine de détente à une seconde pression déterminée comprise entre 50 et 20 barg, le procédé comprenant une étape de refroidissement du flux de fluide à l’entrée de la turbine de détente à une température déterminée pour amener le fluide dans un état de saturation ou proche de la saturation à la sortie de la turbine de détente,
  • lors de l’étape de prélèvement, la fraction du flux de fluide à refroidir fourni par la source utilisée pour alimenter le palier est comprise entre 0,5 et 10% du flux de fluide à refroidir fourni par la source,
  • l'axe tournant portant la turbine de détente porte également un compresseur configuré pour récupérer le travail fourni par la turbine de détente dans un circuit fluidique de dissipation de ce travail, le procédé comprenant une transmission de la puissance extraite par la turbine de détente vers le compresseur et une dissipation de cette puissance par le compresseur en comprimant un fluide dans un circuit en produisant de la chaleur ou de l’électricité et une récupération de cette chaleur ou électricité.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
Brève description des figures
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 aux dessins annexés dans lesquels :
est une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’une installation conforme à l’invention.
 Description détaillée
Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.
L’installation 1 de liquéfaction d'un flux de fluide tel que du gaz naturel illustrée comprend un circuit 2 de fluide à refroidir muni d'une extrémité 12 amont destinée à être reliée à une source 3 de gaz à liquéfier sous pression (par exemple un réseau de gaz naturel) et d'une extrémité 22 aval destinée à être reliée à un organe 4 receveur ou utilisateur du gaz liquéfié (par exemple un réservoir de gaz naturel liquéfié).
Entre les extrémités amont 12 et aval 22, l’installation 1 comprend, disposés en série, un dispositif 5 de pré-refroidissement du circuit 2 de fluide à refroidir, une turbine 7 de détente du flux de gaz à refroidir et un réfrigérateur 6 de préférence cryogénique. Le réfrigérateur 6 est par exemple du type utilisant un fluide de cycle mais pourrait être du type utilisant un cycle de mélange de réfrigérants « MRC » ou à cascade utilisant du gaz et/ou du liquide. Le dispositif 5 de pré-refroidissement peut comporter par exemple au moins un échangeur de chaleur en échange thermique avec le circuit 2 de fluide à refroidir et avec une réserve de fluide froid (azote ou autre et/ou avec une boucle de réfrigération.
Comme illustré, le fluide de cycle est dans une boucle distincte et indépendante du circuit 2 de fluide à refroidir. En particulier, le fluide de cycle peut être de nature distincte du fluide à refroidir.
Le réfrigérateur 6 cryogénique en aval comporte au moins un échangeur 8 de refroidissement assurant un échange thermique entre le fluide à refroidir et le fluide de cycle.
La turbine 7 de détente est montée sur un axe tournant sustenté par au moins un palier 10 de type statique à gaz.
Le circuit 2 de fluide à refroidir comprend une conduite 11 d'injection de gaz sous pression ayant une extrémité amont destinée à recevoir du fluide sous pression fourni par la source 3 et une extrémité aval reliée au palier 10 pour assurer la sustentation de l'axe tournant. La turbine 7 de détente disposée en amont du liquéfacteur lévite grâce à un débit continu de gaz dans les paliers 10.
Ce débit de gaz pour le palier 10 peut ainsi être retiré du flux amont à température ambiante et peut être détendu afin de minimiser son débit. Par exemple, la conduite 11 d'injection de gaz comprend un organe 14 de régulation et/ou de détente, par exemple une vanne de détente. Une réduction de pression réduit le débit tout en gardant une pression en aval proche de la pression de stockage ou d’utilisation. Le débit palier est de préférence maintenu inférieur à 10% du débit total du flux en amont.
L'installation 1 comprend une conduite 13 de récupération du gaz ayant été utilisé dans le palier 10. Cette conduite 13 de récupération comporte une extrémité amont reliée au palier 10 et peut comporter une portion en échange thermique avec le fluide de cycle dans le au moins un échangeur 8 de refroidissement du réfrigérateur 6 cryogénique (par exemple dans un ou des passages dédiés). Après passage dans l’échangeur 8 de refroidissement la conduite 13 de récupération peut comprendre une extrémité aval reliée à l’extrémité 22 aval du circuit 2 de fluide à refroidir. Ainsi, le débit de gaz ayant transité dans les paliers 10 peut être liquéfié à une pression proche de la pression d’utilisation ou de stockage final.
Bien entendu, cette configuration n’est pas limitative. En variante ou en combinaison, et comme illustré en pointillés, la conduite 13 de récupération peut conduire le flux de gaz vers un autre système 18 de récupération, sans passer par le réfrigérateur 6 cryogénique, par exemple vers un brûleur pour fournir de l’énergie à l’installation 1.
L’installation 1 est configurée pour fournir un flux de fluide à l’entrée de la turbine 7 de détente à une première pression déterminée par exemple 70 barg. Cette pression est par exemple fixe est déterminée par la source 3 (réseau par exemple).
La turbine 7 de détente est configurée pour détendre ce flux en sortie de la turbine 7 de détente à une seconde pression déterminée, par exemple à 50 barg (abaissement de la pression de 20bar).
Le dispositif 5 de pré-refroidissement peut quant à lui être configuré pour refroidir le flux de fluide à l’entrée de la turbine 7 de détente à une température déterminée pour que le fluide soit dans un état de saturation ou proche de la saturation à la sortie de la turbine 7 de détente.
Proche de la saturation signifie que la température du fluide en sortie de la turbine 7 est à plus ou moins 10 K de la température de vapeur saturée (saturation) à la pression de liquéfaction, par exemple plus ou moins 5K.
C’est-à-dire que la température du fluide peut être régulée/contrôlée ou fixée en entrée de turbine 7 de détente pour que la température du fluide en sortie de la turbine 7 au niveau de pression correspondant soit égale à la température d’apparition des premières gouttes de liquide.
Une pression intermédiaire, aussi appelée pression de liquéfaction, peut ainsi être déterminée.
La température du palier de liquéfaction du fluide varie dans des conditions de pression et de température en fonction de la composition du gaz à liquéfier. Par exemple, pour la liquéfaction de gaz naturel, la composition peut fluctuer en fonction de la provenance du gaz mais aussi du procédé d’épuration utilisé en amont.
L’emplacement en amont de la turbine 7 de détente procure des avantages. L’installation permet d’éviter d’avoir à gérer des instabilités ou usures dues à la génération de gouttes de liquide dans la turbine lors de l’expansion. Cette température de liquéfaction est significativement inférieure à la température de sortie du système 5 de pré-refroidissement. La puissance froide extraite par la turbine 7 de détente peut être avantageusement transmise sur un arbre commun à au moins un compresseur 15 à l’autre extrémité. Alternativement ou en combinaison un système de freinage de la turbine 7 de détente pourrait comporter un alternateur et/ou un frein de type à courants de Foucault.
Comme illustré, cette énergie peut être dissipée par le compresseur dans un cycle 16 fermé rempli d’un fluide. La chaleur produite peut être évacuée par exemple par un réseau de refroidissement de l’installation 1. Cette énergie peut également être utilisée pour la compression d’un fluide annexe.
Une vanne 17 d’expansion peut être prévue en aval du liquéfacteur 6 pour détendre du gaz liquéfié produit dans le liquéfacteur. La température est presque stable lors de l’opération de détente (par exemple +/- 2 K). Comme illustré, le flux principal provenant de la vanne 17 d’expansion ainsi que le flux de gaz de palier récupéré et refroidi peuvent être mélangés avant stockage ou utilisation. Le procédé ne présente aucune perte de gaz fourni par la source 3.
L’utilisation de la turbine 7 de détente en amont de la liquéfaction permet une extraction de travail jusqu’à l’approche d’un palier de liquéfaction optimum pour le fluide. Il y extraction de puissance froide à relativement basse température (entre la température de sortie du système 5 de pré-refroidissement et jusqu’à moins100°C par exemple).
Ceci permet de respecter les contraintes de pression des équipements du train de liquéfaction en aval de la turbine 7 de détente.
L’ensemble présente une efficacité énergétique élevée.
Une autre approche pour un débit de gaz palier très faible (inférieur à 2% du débit initial en amont) pourrait consister à faire “buller” ce gaz directement dans le flux de gaz liquéfié en sortie de liquéfacteur 6. Cette configuration diminuerait l’efficacité énergétique du train au global mais serait très économique en terme d’investissement matériel.

Claims (12)

  1. Installation de liquéfaction d'un flux de fluide tel que du gaz naturel, l'installation (1) comprenant un circuit (2) de fluide à refroidir muni d'une extrémité (12) amont destinée à être reliée à une source (3) de gaz à liquéfier sous pression et d'une extrémité (22) aval destinée à être reliée à un organe (4) receveur ou utilisateur du gaz liquéfié, l'installation (1) comprenant, entre les extrémités amont (12) et aval (22), un ensemble d'organes (5, 6, 7) destinés à refroidir et liquéfier ledit fluide à refroidir comprenant un réfrigérateur (6) cryogénique, du type à fluide de cycle comprenant au moins un échangeur (8) de refroidissement assurant un échange thermique entre le fluide à refroidir et le fluide de cycle, le circuit (2) de fluide à refroidir comprenant en outre une turbine (7) de détente du flux de gaz à refroidir, la turbine (7) de détente étant montée sur un axe tournant sustenté par au moins un palier (10) de type statique à gaz, le circuit (2) de fluide à refroidir comprenant une conduite (11) d'injection de gaz sous pression ayant une extrémité amont reliée à l’extrémité amont du circuit (2) de fluide à refroidir et destinée à recevoir du fluide sous pression fourni par la source (3) et une extrémité aval reliée au palier (10) pour assurer la sustentation de l'axe tournant, l'installation (1) comprenant une conduite (13) de récupération du gaz ayant été utilisé dans le palier (10), la conduite (13) de récupération comprenant une extrémité amont reliée au palier (10), la conduite (13) de récupération comprenant une extrémité aval reliée à l’extrémité (22) aval du circuit (2) de fluide à refroidir et/ou un système de récupération, la turbine (7) de détente du flux de gaz à refroidir étant disposée en amont du réfrigérateur (6) cryogénique, caractérisée en ce que le fluide de cycle est dans une boucle distincte et indépendante du circuit (2) de fluide à refroidir et en ce que la conduite (13) de récupération comprend une portion en échange thermique avec le fluide de cycle dans le au moins un échangeur (8) de refroidissement du réfrigérateur (6) cryogénique, la conduite (13) de récupération étant en échange thermique avec le au moins un échangeur (8) de refroidissement du réfrigérateur (6) cryogénique via un ou des passages dans le ou les échangeurs (8) qui sont distincts des passages prévus pour le circuit (2) de fluide à refroidir, c'est-à-dire que le fluide à refroidir et le gaz circulant dans la conduite (13) de récupération sont refroidis de façon parallèle et séparément avant d'être mélangé en aval.
  2. Installation selon la revendications 1, caractérisée en ce que la conduite (11) d'injection de gaz comprend un organe (14) de régulation et/ou de détente, par exemple une vanne.
  3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que l’organe (14) de régulation et/ou de détente est configuré pour maintenir le débit dans le conduite (11) d'injection à une valeur compris entre 0,5% et 10% du débit du fluide sous pression fourni par la source (3).
  4. Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le circuit (2) de fluide à refroidir comprend un dispositif (5) de pré-refroidissement disposé en amont de la turbine (7) de détente et configuré pour assurer un pré-refroidissement du flux de gaz à refroidir avant sa détente dans ladite turbine (7).
  5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce qu’elle est configurée pour fournir un flux de fluide à l’entrée de la turbine (7) de détente à une première pression déterminée et pour détendre ce flux en sortie de la turbine (7) de détente à une seconde pression déterminée, le dispositif (5) de pré-refroidissement étant configuré pour refroidir le flux de fluide à l’entrée de la turbine (7) de détente à une température déterminée amenant ledit fluide dans un état de saturation ou proche de la saturation à la sortie de la turbine (7) de détente.
  6. Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'axe tournant portant la turbine (7) de détente porte également un compresseur (15) configuré pour récupérer le travail fourni par la turbine (7) de détente dans un circuit (16) fluidique de dissipation de ce travail et/ou un alternateur et/ou un frein du type à courants de Foucault.
  7. Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le circuit (2) de fluide à refroidir comprend, entre le réfrigérateur (6) cryogénique et l’extrémité (22) aval, un organe (17) de détente du fluide à refroidir, par exemple une vanne de détente.
  8. Procédé de liquéfaction d'un flux de fluide, par exemple du gaz naturel, utilisant une installation (1) conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 7 le procédé comprenant une étape de détente de la majorité du flux de fluide à refroidir fourni par la source (3) dans la turbine (7) de détente en amont de l’échangeur (8) de refroidissement du réfrigérateur (6) cryogénique et, simultanément, une étape de prélèvement d’une fraction du flux de fluide à refroidir fourni par la source (3) pour alimenter le palier et assurer la sustentation de l'axe tournant.
  9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pression du flux de fluide en entrée de la turbine est à une première pression déterminée comprise entre 100 et 50 barg, la turbine (7) étant configurée pour détendre ce flux en sortie de la turbine (7) de détente à une seconde pression déterminée comprise entre 50 et 20 barg, le procédé comprenant une étape de refroidissement du flux de fluide à l’entrée de la turbine (7) de détente à une température déterminée pour amener le fluide dans un état de saturation ou proche de la saturation à la sortie de la turbine (7) de détente.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 9, caractérisé en ce que lors de l’étape de prélèvement, la fraction du flux de fluide à refroidir fourni par la source (3) utilisée pour alimenter le palier est comprise entre 0,5 et 10% du flux de fluide à refroidir fourni par la source (3).
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'axe tournant portant la turbine (7) de détente porte également un compresseur (15) configuré pour récupérer le travail fourni par la turbine (7) de détente dans un circuit (16) fluidique de dissipation de ce travail, le procédé comprenant une transmission de la puissance extraite par la turbine (7) de détente vers le compresseur (15) et une dissipation de cette puissance par le compresseur en comprimant un fluide dans un circuit en produisant de la chaleur ou de l’électricité et une récupération de cette chaleur ou électricité.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 11, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de détente du flux de fluide à refroidir liquéfié en aval de l’échangeur (8) de refroidissement du réfrigérateur (6) cryogénique et en amont de l’extrémité aval (22) aval du circuit (2) de fluide à refroidir, par exemple via une vanne (17) de détente.
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