La présente invention concerne une installation pour la fourniture de combustible gazeux à un ensemble de production énergétique d'un navire de transport de gaz liquéfié à partir du contenu d'au moins une cuve du navire.
Dans les navires méthaniers connus, l'ensemble de production énergétique comprend une chaudière de production de vapeur alimentant une turbine entraînant l'hélice. La chaudière de production de vapeur utilise comme combustible le gaz de la cargaison. Dans les cuves qui sont isolées thermiquement, le méthane est à l'état liquide et la phase gazeuse située au-dessus du niveau liquide est à une pression voisine de 1 à 3 bars.
L'alimentation de la chaudière provient d'une part, de la phase gazeuse au-dessus du liquide, aspirée directement au-dessus de la surface par un compresseur axial alimentant, sous la pression requise, les brûleurs de la chaudière et d'autre part, par aspiration de liquide pompé dans les cuves et envoyé vers un évaporateur ; en sortie, le gaz est détendu à la pression d'entrée, d'environ 1 bar absolu, du compresseur et envoyé vers ce compresseur avec le gaz provenant directement de la phase gazeuse des cuves par évaporation naturelle.
La partie provenant du liquide pompé et mise en phase gazeuse est produite lorsque la seule évaporation naturelle est insuffisante pour alimenter les besoins énergétiques du navire.
Une telle installation peut également être utilisée pour alimenter en combustible gazeux un ensemble de production énergétique autre qu'une chaudière alimentant une turbine. Le
Le
Dans cette disposition, le compresseur est régulé à partir d'une consigne de maintien de la pression en entrée de l'ensemble de production énergétique, au dessus d'une certaine valeur. Si la pression de gaz dans le collecteur descend en dessous de la consigne, le compresseur est commandé pour débiter plus de gaz dans le collecteur, jusqu'à ce que la pression repasse au dessus de la consigne. L'évaporateur est aussi commandé sur une consigne de maintien d'une certaine pression de gaz, cette pression étant ici mesurée dans la cuve. Si la pression de gaz dans la cuve descend en dessous de la consigne, le collecteur est fourni en gaz via l'évaporateur, ce qui réduit la quantité de gaz aspiré de la cuve par le compresseur et limite donc la chute de pression dans la cuve. Cette disposition comprend par ailleurs un dispositif d'oxydation qui est régulé à partir d'une consigne de non dépassement d'une pression haute dans la cuve, afin de protéger la cuve d'une éventuelle surpression en permettant au compresseur de débiter suffisamment dans le collecteur.
La régulation du compresseur est effectuée par un automate qui agit sur la vitesse de rotation d'un moteur d'entraînement du compresseur ainsi que sur l'angle des aubes d'entrée du compresseur. Il est à noter que cette régulation du compresseur ne prend pas en compte la pression du gaz dans la cuve.
La présente invention propose une disposition nouvelle de régulation qui permet notamment d'optimiser la régulation du compresseur et ainsi d'assurer une tenue dans le temps meilleure.
La présente invention a ainsi pour objet une installation pour la fourniture de combustible gazeux à un ensemble de production énergétique d'un navire de transport de gaz liquéfié, à partir du contenu d'au moins une cuve dudit navire, ladite cuve contenant dudit gaz liquéfié et du gaz en phase vapeur dans un espace au-dessus de la phase liquide, et comprenant :
Préférablement, lesdits moyens de commande automatisée sont aptes à enregistrer une valeur de pression de consigne ainsi qu'une valeur de débit de consigne rentrées par un opérateur, et lesdits moyens de traitement des informations fournies par lesdits moyens de mesure sont aptes à calculer chaque erreur relative pour un écart entre une mesure de pression ou de débit et la valeur de consigne correspondante.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'installation selon l'invention, des second moyens de commande automatisée sont aptes à commander des moyens de régulation de débit du gaz liquéfié fourni audit évaporateur ainsi que des moyens de régulation de débit de gaz dans une conduite d'évacuation de surpression qui relie ledit collecteur à un dispositif d'oxydation du gaz, et lesdits second moyens de commande sont reliés à des moyens de mesure de la pression dans le collecteur et utilisent les informations fournies par lesdits moyens de mesure de pression pour commander lesdits moyens de régulation de débit.
Dans un autre mode de réalisation avantageux de l'installation selon l'invention, un dispositif de refroidissement est situé sur ladite conduite d'alimentation de gaz en phase vapeur pour le compresseur, ce dispositif de refroidissement étant activé en fonction des informations fournies par des moyens de mesure de température aptes à mesurer la température du gaz dans la conduite d'alimentation en amont du dispositif de refroidissement.
Préférablement, lesdits moyens de régulation du compresseur comprennent des ventelles aptes à être pivotées graduellement entre deux positions respectivement d'ouverture et de fermeture.
La présente invention a aussi pour objet un procédé de régulation d'un compresseur pour une installation selon l'invention, dans lequel lesdits moyens de commande automatisée effectuent la régulation du compresseur en agissant uniquement sur le pivotement desdites ventelles.
On va maintenant donner la description d'un exemple de mise en oeuvre de l'invention en se référant à la figure unique annexée qui représente une installation selon l'invention.
En se référant à la
Un tel ensemble de production énergétique est référencé 2 et peut comporter des moteurs diesels entraînant des alternateurs pour la production d'énergie électrique pour les installations électriques du navire et sa propulsion, mais pourrait alternativement alimenter un ensemble classique comportant une chaudière de production de vapeur alimentant une turbine à vapeur pour l'entraînement de l'hélice.
La cuve 1 contient du gaz liquéfié 3 à environ -163°C et en phase vapeur dans l'espace 4 au-dessus de la surface 5 du liquide. La pression de la cuve est voisine de la pression atmosphérique. L'installation comprend un compresseur 6 dont l'entrée aspire à partir de l'espace 4 le gaz en phase vapeur et dont la sortie débite dans un collecteur 7 d'alimentation de l'ensemble 2. Par ailleurs, une pompe 8, immergée en fond de cuve est reliée à l'entrée d'un évaporateur 10 par une conduite 9 d'alimentation de gaz liquéfié, et la sortie de cet évaporateur est reliée au collecteur 7.
Une conduite de retour 11 vers la cuve 1, équipée d'une première vanne 12 régulée est issue d'une dérivation de la conduite 9 tandis qu'une deuxième vanne 13 non régulée est située sur la conduite 9 en aval du raccordement de la conduite de retour 11 à la conduite 9. Par vanne régulée, on entend une vanne à ouverture régulée variable.
Une conduite 14 d'évacuation de surpression, équipée d'une troisième vanne 15 régulée est en outre reliée au collecteur 7 en aval du raccordement de la sortie de l'évaporateur 10 au collecteur 7, et aboutit à un dispositif d'oxydation 16 du gaz, appelé parfois incinérateur ou « oxidizer » en anglais.
Un dispositif de refroidissement 28, 29, est situé sur la conduite 33 d'alimentation en gaz du compresseur 6. Plus précisément, la conduite 33 est localement constituée de deux dérivations 33A et 34 équipées de deux vannes non régulées respectivement 26 et 27 qui sont reliées à un automate 25 de commande, et le dispositif de refroidissement est installé sur une première dérivation 33A.
Le dispositif de refroidissement 28, 29, est relié à la conduite 9 d'alimentation de gaz liquéfié par une conduite 35 de dérivation située en aval du raccordement de la conduite de retour 11 à la conduite 9, cette conduite 35 étant équipée d'une vanne 32 régulée.
Le compresseur 6, entraîné par un moteur non représenté, est régulé en fonctionnement à partir d'un automate 17 recevant une double information : une première information sur la pression du gaz mesurée dans la cuve 1 ou à l'entrée de la conduite 33 d'alimentation en gaz du compresseur par une jauge de pression 18, et une seconde information sur le débit du gaz mesuré par un débitmètre 19 dans la conduite 33.
Préférablement, l'automate 17 effectue la régulation du compresseur 6 en agissant uniquement sur le pivotement des ventelles, c'est à dire sans agir sur la vitesse de rotation du moteur d'entraînement du compresseur. Il est en outre avantageux que ces ventelles soient disposées à la sortie du compresseur, et non à l'entrée du compresseur comme réalisé dans l'état de la technique décrit par le
La vanne 13 non régulée située à l'entrée de l'évaporateur 10 est commandée à l'ouverture et à la fermeture, en tout ou rien, par un automate 20. Cet automate 20 reçoit en entrée une information sur la pression de gaz mesurée dans le collecteur 7 par une jauge de pression 21 et commande, outre la vanne 13, la vanne 15 régulée.
Une autre jauge de pression 22 mesure la pression de gaz liquéfié dans la conduite 9 et l'information est envoyée vers un troisième automate 23 qui commande la première vanne 12 régulée.
Enfin, dans le but d'améliorer le fonctionnement du compresseur 6, on contrôle par un capteur de température 24 la température du gaz en amont du dispositif de refroidissement dans la conduite 33. Si nécessaire, on peut diminuer cette température, par injection à l'aide d'un injecteur 28 dans la dérivation 33A de méthane liquide issu de la cuve 1. L'information de température est envoyée vers l'automate 25 qui commande en tout ou rien les vannes non régulées 26 et 27, de façon à ce qu'une vanne 26 ou 27 soit ouverte lorsque l'autre vanne est fermée. Un capteur de température 30 mesure la température en sortie du dispositif de refroidissement 28, 29, et l'information est envoyée vers un automate 31 par exemple de type régulateur PID (Proportionnelle-Intégrale-Dérivée) qui commande la vanne 32 régulée située sur la conduite 35 de dérivation de la conduite 9, pour l'arrivée du gaz liquéfié jusqu'à l'injecteur 28. Le gaz refroidi en sortie de l'injecteur 28 passe dans un séparateur de gouttelettes 29 afin d'éliminer les gouttelettes résiduelles de liquide en suspension.
Le fonctionnement de l'installation décrite est le suivant:
Le compresseur 6 est en fonctionnement continu et aspire donc en permanence du gaz qui s'évapore dans l'espace 4, avec un débit qui est régulé comme expliqué plus loin.
Selon les conditions d'échange thermique entre l'extérieur et l'intérieur de la cuve, et la quantité du niveau liquide dans la cuve, la pression à l'intérieur de la cuve varie quelque peu et la régulation est faite de la façon suivante:
La position ouverte ou fermée de la deuxième vanne 13 et la valeur d'ouverture de 0 à 100 % de la vanne 15 sont déterminées en fonction de la pression de gaz mesurée par la jauge 21 dans le collecteur 7.
Au-dessous d'un seuil bas correspondant à une pression P1 prédéterminée, l'évaporation naturelle dans la cuve est estimée insuffisante pour assurer le besoin énergétique du navire, et la vanne 13 est alors commandée pour être ouverte. C'est ce qui se produit lorsque la cuve 1 est très peu remplie ou que la demande en énergie est importante. On fournit ainsi en gaz le collecteur 7 via l'évaporateur, et ceci a pour conséquence de maintenir une pression suffisante dans le collecteur 7.
Lorsque la cuve 1 est remplie, et selon les conditions d'échange thermique avec l'extérieur, deux cas peuvent se présenter. Dans un premier cas, la production de gaz provenant de l'espace 4 par évaporation naturelle est suffisante mais non excessive, et alors seul le compresseur 6 est en fonctionnement, la vanne 13 étant fermée. C'est ce qui se passe dès que la pression dans le collecteur 7 atteint et dépasse le seuil bas de pression P1 tout en restant inférieure à un seuil haut de pression P2. Dans un second cas, la pression atteint une valeur supérieure au seuil haut P2 et la production d'évaporation naturelle est trop importante. Il est alors nécessaire d'évacuer l'excès de gaz non consommé par l'ensemble de production énergétique 2, et pour ceci la vanne 15 est commandée en ouverture progressive afin de maintenir dans le collecteur 7 une pression sensiblement au niveau du seuil haut P2. Tout ceci est commandé par l'automate 20, par exemple de type régulateur PID, en fonction de la pression dans le collecteur 7 mesurée par la jauge 21. La vanne 15 alimente par la conduite 14 le dispositif d'oxydation 16 du gaz.
D'autre part, le compresseur 6 aspire continûment du gaz depuis l'espace 4 de la cuve pour le débiter dans le collecteur 7. Dès lors que la pression dans le collecteur reste inférieure au seuil haut P2, le compresseur peut normalement assurer un certain débit de gaz en sortie vers le collecteur, et plus particulièrement assurer un débit de gaz en entrée dans la conduite 33 d'alimentation en gaz du compresseur qui soit supérieur ou égal à une valeur de consigne. Ainsi, dans le cas d'une pression de gaz supérieure à une consigne prédéterminée dans la cuve 1, la pression dans la cuve est abaissée grâce à la régulation du compresseur qui réagit en augmentant le débit de gaz, comme expliqué plus loin. Cette augmentation de débit peut être évacuée soit par l'ensemble de production d'énergétique 2 soit par le dispositif d'oxydation 16, évitant ainsi une trop forte augmentation de la pression dans le collecteur 7.
Parallèlement à cela, la pression d'alimentation de l'évaporateur 10 en gaz liquéfié est asservie à une pression de consigne P0 et est réglée au moyen de la première vanne 12 régulée sur la conduite de retour 11, vanne dont l'ouverture de 0 à 100% est commandée par l'automate 23, par exemple de type régulateur PID, en fonction de la pression dans la conduite 9 mesurée par la jauge de pression 22. Pour une valeur de cette pression inférieure ou égale à une valeur prédéterminée P4, la vanne 12 reste fermée et elle s'ouvre progressivement entre P4 et une valeur supérieure prédéterminée P5 où elle s'ouvre complètement.
La régulation du compresseur 6 est commandée par une instruction d'orientation des ventelles du compresseur, c'est à dire que le compresseur reçoit une instruction sous la forme d'une valeur comprise entre 0 et 100% de l'angle d'ouverture maximale des ventelles, cette valeur ayant été sélectionnée comme la plus grande parmi deux valeurs d'une double consigne d'orientation des ventelles. Chacune de ces deux valeurs est fournie par un régulateur PID de l'automate 17 à partir du calcul d'une erreur relative entre une valeur de pression ou de débit de consigne et la valeur réelle correspondante mesurée. Le ou les régulateurs PID de l'automate 17 constituent donc des moyens de traitement des informations fournies par les moyens de mesure de pression et de débit respectivement 18 et 19 pour commander la régulation du compresseur.
Pour le calcul d'une erreur relative, l'automate 17 est apte à enregistrer en mémoire une valeur de pression de consigne Préf et une valeur de débit de consigne Dréf qui ont été rentrées par un opérateur. Le débit de consigne Dréf correspond au débit minimum imposé par la plage de fonctionnement du compresseur, et doit préférablement rester inférieur à la quantité de gaz produite dans le même temps par l'évaporation naturelle dans l'espace 4 de la cuve. La régulation est prévue pour que le débit ne puisse pas descendre sensiblement en dessous de la consigne Dréf, car autrement il y aurait un risque d'arrêt du compresseur.
La pression réelle de gaz dans la cuve 1 est mesurée par la jauge 18, et cette mesure est régulièrement comparée à la consigne Préf au niveau d'un régulateur PID de l'automate 17. Le débit de gaz est mesuré dans la conduite 33 en entrée du compresseur 6 par le débitmètre 19, et cette mesure est régulièrement comparée à la consigne Dréf au niveau d'un autre régulateur PID de l'automate 17. Chaque régulateur PID calcule l'erreur relative sur la mesure, erreur positive ou négative, définie comme la différence entre la valeur de pression ou de débit mesurée et la valeur de consigne correspondante, divisée par la largeur de la plage de mesure du capteur correspondant.
A chaque erreur relative calculée pour la pression et le débit correspond respectivement une première valeur O1 et une seconde valeur O2 de consigne d'orientation des ventelles entre 0 et 100%, et la plus grande des deux valeurs est retenue comme l'instruction d'orientation des ventelles qui est envoyée au compresseur 6. La valeur de pression de consigne Préf correspond à une valeur Oréf de consigne d'orientation des ventelles. Par ailleurs, la valeur de consigne d'orientation des ventelles qui correspond au débit de consigne Dréf dépend de la pression à l'entrée du compresseur, puisque le débit dans le compresseur varie avec la pression pour une orientation donnée des ventelles.
La première valeur O1 de consigne d'orientation des ventelles croît avec la pression et donc avec la mesure algébrique de l'erreur relative calculée pour la pression. Une erreur relative nulle, c'est à dire lorsque la pression est égale à la consigne Préf, correspond à une consigne O1 d'orientation des ventelles égale à Oréf, par exemple égale à 30%. Si la pression croît, l'automate 17 augmente alors la consigne d'orientation O1 pour ouvrir plus les ventelles, ce qui a pour effet d'augmenter le débit et de diminuer ainsi la pression.
La pression mesurée diminue ensuite en se rapprochant de la consigne Préf, et donc l'erreur relative sur la pression décroît. L'automate 17 diminue alors la première valeur O1 de la consigne d'orientation, ce qui a aussi pour effet de diminuer le débit du fait de l'ouverture moins grande des ventelles. Le débit va donc décroître vers la valeur de consigne Dréf, tandis que la pression est ramenée à la valeur de consigne Préf.
Si par exemple après le remplissage de la cuve, à un instant donné, la pression de gaz mesurée par la jauge 18 dans la cuve devient rapidement supérieure à la consigne Préf tandis que le débit de gaz mesuré par le débitmètre 19 en entrée du compresseur augmente relativement peu par rapport à la consigne Dréf, c'est alors la première O1 des deux valeurs de consigne d'orientation des ventelles qui est la plus grande et est donc sélectionnée comme instruction à envoyer au compresseur 6. L'automate 17 envoie dans ce cas une commande de pivotement des ventelles correspondant à une ouverture plus importante afin d'augmenter le débit de gaz et d'abaisser ainsi progressivement la pression dans la cuve jusqu'à Préf.
De manière générale, la régulation obtenue permet de compenser rapidement une augmentation de pression ou une baisse de débit par rapport aux valeurs de consigne.
Par ailleurs, le dispositif de refroidissement 28, 29, permet, au niveau de la conduite 33 d'alimentation en gaz du compresseur 6, de maintenir une température du gaz à un niveau régulier T0 de manière à optimiser le fonctionnement du compresseur 6. La température dans la partie amont de la conduite 33 est mesurée par un capteur 24 et constitue le retour de température qui est comparé à une consigne de température fournie par l'automate 25 aux vannes 26 et 27 pour ouverture et fermeture respective en tout ou rien. Quand la température mesurée est supérieure à la consigne, la vanne 26 est ouverte et la vanne 27 est fermée, et ainsi le gaz passe uniquement dans la première dérivation 33A à travers le dispositif de refroidissement 28, 29.
Inversement, quand la température mesurée est inférieure à la consigne, la vanne 27 est ouverte et la vanne 26 est fermée, la vanne 32 régulée étant en outre commandée en fermeture complète par l'automate 25 afin de ne pas créer de poches de liquide dans la première dérivation 33A.
Le dispositif de refroidissement est constitué de l'injecteur 28 de gaz liquéfié issu d'au moins une cuve 1 et du séparateur de gouttelettes 29. L'injecteur 28 est régulé à partir de la mesure de température effectuée en sortie du dispositif de refroidissement par un capteur 30 qui envoie l'information à l'automate 31 pour la commande de la vanne 32 régulée .
Bien entendu, les automates 17, 20, 23, 25 et 31 peuvent être regroupés dans un système de contrôle-commande centralisé sur lequel sont acheminées toutes les données nécessaires: pression dans la cuve 1 et débit dans la conduite 33, pression dans la conduite 9, pression dans le collecteur 7, et les températures dans les conduites 33 et 35, système centralisé à partir duquel les ordres de commandes sont envoyés vers les actionneurs.
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