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CA 02491022 2004-12-23
WO 2004/005791 PCT/FR2003/001938
Procédé de régulation en pression d'un réservoir de fluide cryogénique,
et réservoir correspondant
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.
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
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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 ;
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- 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 a également pour objet un réservoir de liquide cryogénique,
du type contenant, 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 dudit réservoir, ce réservoir comportant des
moyens de raccordement à une installation consommatrice du fluide contenu
dans le réservoir, et des moyens d'approvisionnement depuis l'extérieur en
ledit fluide, ledit réservoir comportant à la fois des moyens de mise sous
pression du gaz au sommet du réservoir, des moyens d'évacuation vers
l'extérieur dudit gaz, et une unité de commande desdits moyens de mise sous
pression et d'évacuation selon l'état de fonctionnement de ce réservoir.
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 ».
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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 connaitre, 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.
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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
s
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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
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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.
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