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EP-4291840-B1 - DEVICE AND METHOD FOR REFRIGERATION OR LIQUEFACTION OF A FLUID

EP4291840B1EP 4291840 B1EP4291840 B1EP 4291840B1EP-4291840-B1

Inventors

  • ROIG, MATHIEU
  • NICOLAS, Rémi
  • DURAND, FABIEN
  • DELAUTRE, Guillaume

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20220118

Claims (11)

  1. A device for refrigeration or liquefaction of a fluid such as natural gas or hydrogen, comprising a fluid circuit (3) to be cooled having an upstream end intended to be connected to a source (2) of gaseous fluid and a downstream end (23) intended to be connected to a collecting member for the cooled or liquefied fluid, the device (1) comprising an assembly of heat exchanger(s) (6, 10) in thermal exchange with the fluid circuit (3) to be cooled, the device (1) comprising a refrigerator (20) in thermal exchange with at least a part of the heat exchanger(s) assembly (6, 10), the refrigerator (20) being of the refrigeration cycle type for a cycle gas comprising at least one of: helium, hydrogen, nitrogen or neon, said refrigerator (20) comprising, arranged in series in a cycle circuit (14): a compression mechanism (15) for the cycle gas, at least one cooling member (7, 6, 10) for the cycle gas, an expansion mechanism (17) for the cycle gas and at least one reheating member (6, 10) for the expanded cycle gas, wherein the compression mechanism comprises at least three compression stages (15) in series composed of an assembly of centrifugal type compressor(s), the compression stages (15) being mounted on an assembly of shafts rotated by an assembly of motor(s) (18), the at least one cooling member (7, 6, 10) for the cycle gas comprising at least one heat exchanger (7) disposed at the outlet of at least one compression stage (15) in thermal exchange with the cycle circuit (14), said heat exchanger (7) being cooled by a cooling fluid, characterized in that the compression mechanism comprises at least two compression stages (15) arranged successively in series and devoid of a cycle gas cooling member such as a heat exchanger (7) between them, and in that , either the compression mechanism comprises four compression stages (15) in series, the cycle gas cooling member comprising three cooling heat exchangers (7) disposed respectively at the outlet of three of these four compression stages (15), for example between the first and the second compression stage (15), between the second and the third compression stage (15) and at the outlet of the fourth compression stage (15), or the device comprises cooling heat exchangers (7) disposed only every two compression stages (15) in series.
  2. The device according to claim 1, characterized in that the motor(s) assembly (18) comprises several motors for driving the compression stages.
  3. The device according to claim 2, characterized in that the motor(s) assembly (18) comprises a respective distinct motor (18) for each compression stage (15).
  4. The device according to claim 2 or 3, characterized in that at least one of the motors of the motor(s) assembly (18) is cooled by a flow of cycle gas via at least one bypass line (4, 5, 9) diverting a fraction of the cycle gas flow supplying the compression mechanism, the bypass line (4, 5, 9) comprising an upstream end connected to the outlet of at least one of the compression stages (15) to draw off a fraction of the cycle gas flow.
  5. The device according to claim 4, characterized in that a downstream end of at least one bypass line (4, 5, 9) is connected to the inlet of a compression stage after its passage and heat exchange with at least one motor of the motor(s) assembly (18).
  6. The device according to claim 5, characterized in that the at least one bypass line (4, 5) comprises, between its upstream end and its downstream end, a subdivision into at least two distinct branches (5, 9) supplying respective distinct motors of the motor(s) assembly (18) for their cooling.
  7. The device according to claim 6, characterized in that the at least two distinct branches (5, 9) formed by the subdivision of a bypass line (4) include a downstream junction within the same portion of the line.
  8. The device according to any one of claims 4 to 7, characterized in that the at least one bypass line (4, 5, 9) comprises at least one cooling member (8) for the cycle gas.
  9. The device according to claim 8, characterized in that the at least one cycle gas cooling member (8) of the at least one bypass line (4, 5, 9) comprises a cooling heat exchanger (8).
  10. A method for refrigeration or liquefaction of a fluid using a refrigeration device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it comprises a step of circulating a fluid in the fluid circuit (3) to be cooled and a step of cooling said fluid via the cold produced by the refrigerator (20).
  11. The method according to claim 10, characterized in that it comprises a step of controlling the rotational speed of the compression stages according to independent speeds, wherein, during at least one determined operating phase, the rotational speed of the compression stages (15) arranged in series and devoid of a cycle gas cooling member such as a heat exchanger (7) between them is maintained at a speed lower than the rotational speed of the compression stages (15) provided at their outlet with a cycle gas cooling member.

Description

L'invention concerne un dispositif et un procédé de réfrigération ou de liquéfaction d'un fluide. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération ou de liquéfaction d'un fluide tel que du gaz naturel ou de l'hydrogène, comprenant un circuit de fluide à refroidir ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source de fluide gazeux et une extrémité aval destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi ou liquéfié, le dispositif comprenant un ensemble d'échangeur(s) de chaleur en échange thermique avec le circuit de fluide à refroidir, le dispositif comprenant un réfrigérateur en échange thermique avec au moins une partie de l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur, le réfrigérateur étant du type à cycle de réfrigération d'un gaz de cycle comprenant l'un au moins parmi : l'hélium, de l'hydrogène, de l'azote ou du néon, ledit le réfrigérateur comprenant, disposés en série dans un circuit de cycle : un mécanisme de compression du gaz de cycle, au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle, un mécanisme de détente du gaz de cycle et au moins un organe de réchauffage du gaz de cycle détendu, dans lequel le mécanisme de compression comprend plusieurs étages de compression en série composés d'un ensemble de compresseur(s) de type centrifuge, les étages de compressions étant montés sur un ensemble d'arbres entraînés en rotation par un ensemble de moteur(s), le au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle comprenant au moins un échangeur de chaleur disposé à la sortie d'au moins un étage de compression en échange thermique avec le circuit de cycle, ledit échangeur de chaleur étant refroidi par un fluide caloporteur. L'augmentation de la capacité d'un réfrigérateur/liquéfacteur cryogénique (c'est-à-dire de la puissance de réfrigération/liquéfaction délivrée) nécessite généralement une modification importante de l'architecture du cycle de réfrigération et l'apport d'équipements supplémentaires (compresseurs supplémentaires avec refroidisseurs en sortie). Un but est de limiter la complexité et le coût d'une telle installation sans impacter significativement l'efficacité globale du système et notamment de son système de compression. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. Le document EP2211124A1 et l'article de N. Saji ET AL: "Design of oil-free simple turbo type 65 K/6 KW helium and neon mixture gas refrigerator for high temperature superconducting power cable cooling", 15 mai 2002 (2002-05-15), pages 893-900, XP055598218, décrivent des dispositifs de réfrigération selon l'art antérieur, dans lequel l'article de N. Saji ET AL divulgue un appareil conforme au préambule de la revendication 1 et un procédé conforme au préambule de la revendication 10. A cette fin, l'invention fournit un appareil selon la revendication 1, qui est caractérisé en ce que soit le mécanisme de compression comprend quatre étages de compression en série, l'organe de refroidissement du gaz de cycle comprenant trois échangeurs de chaleur de refroidissement disposés respectivement entre le premier et le second étage de compression entre le second et le troisième étage de compression et à la sortie du quatrième étage de compression, soit le dispositif comprend des échangeurs de chaleur de refroidissement disposés uniquement tous les deux étages de compression en série. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : l'ensemble des moteur(s) comprend plusieurs moteurs d'entraînement des étages de compression,l'ensemble de moteur(s) comprend un moteur respectif distinct pour chaque étage de compression,l'un au moins des moteurs est refroidi par un flux de gaz de cycle via au moins une conduite de dérivation d'une fraction du flux de gaz de cycle alimentant le mécanisme de compression, la conduite de dérivation comprenant une extrémité amont raccordée à la sortie de l'un au moins des étages de compression pour prélever une fraction du flux de gaz de cycle,une extrémité aval d'au moins une conduite de dérivation est raccordée à l'entrée d'un étage de compression après son passage et échange de chaleur avec au moins un moteur,la au moins une conduite de dérivation comprend, entre son extrémité amont et son extrémité aval, une subdivision en au moins deux branches distinctes alimentant respectivement des moteurs distincts en vue de leur refroidissement,les au moins deux branches distinctes formées par la subdivision d'une conduite de dérivation comportent une jonction aval au sein d'une même portion de conduite,la au moins une conduite de dérivation comprend au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle.le au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle de la au moins une conduite de dérivation comprend un échangeur de chaleur de refroidissement, De plus : le gaz de cycle peut être constitué d'hélium ou un mélange comprenant au