Vaporisateur GNL de nouvelle génération

Consortium : IKM Flux, Jiskoot Solutions, Valland, Intertec, ToffeeX, EOS Additive Minds | Étude de cas

>50%

Réduction de la variabilité des mesures GHV

lors des essais sur le terrain chez Equinor (mars 2025)

279 mm

Composant en aluminium

Imprimé en 3D en AlSi10Mg sur une EOS M 400

150 bars (g)

Testé et certifié, conforme à la norme ATEX

Entièrement compatible avec la modernisation des systèmes d'échantillonnage de GNL existants

Comment la conception générative et FA métallique FA une réduction de plus de 50 % de la variabilité des mesures

Le transfert précis du gaz naturel liquéfié ( GNL) dépend d'une mesure précise et stable de la valeur calorifique brute (VCB) et de l'indice de Wobbe. La fiabilité de ces mesures est fondamentalement limitée par les performances du vaporisateur de GNL chargé de convertir le GNL cryogénique à -160 °C en un flux de gaz homogène et entièrement vaporisé à environ +60 °C. Même des irrégularités mineures pendant la vaporisation peuvent entraîner une stratification de la composition et un pré-fractionnement, provoquant une dérive des lectures analytiques et ayant un impact direct sur la valeur commerciale de la cargaison de GNL.

Pour surmonter ces limites, un consortium intersectoriel comprenant IKM Flux, Intertec, Jiskoot Solutions, ToffeeX, Valland et EOS a développé un vaporisateur de GNL de nouvelle génération.

IKM Flux : Oa supervisé la conception et les essais du système d'échantillonnage
Intertec : Pfourni et certifié le chauffage intégré
Jiskoot Solutions : C éveloppement du concept et direction de la conception
ToffeeX : Da livré le logiciel de conception générative
Valland : Fabrication de la composant à l'aide d'un EOS M 290 avec de l'aluminium AlSi10Mg alliage .
EOS : A fourni la FA et FA en conception pour FA , permettant à la conception générative basée sur la physique de devenir un composant certifié et prêt à l'emploi.

Le résultat est un composant monolithique en aluminium fabriqué par ajout de matière, intégrant des canaux d'écoulement en spirale optimisés, des structures de turbulence contrôlées et des cavités d'isolation sous vide. Lors de son déploiement sur le terrain au terminal GNL d'Equinor à Hammerfest en mars 2025, le nouveau vaporisateur a réduit la variabilité des mesures GHV de plus de 50 %, démontrant ainsi l'impact sur les performances des systèmes thermofluidiques conçus numériquement et fabriqués à l'aide de FA métallique.

Défi

Pourquoi les vaporisateurs GNL conventionnels limitent la précision des mesures

La vaporisation du GNL est un processus thermodynamiquement sensible. Le GNL entre dans le vaporisateur à environ -160 °C et doit être complètement vaporisé et surchauffé pour garantir un échantillonnage représentatif. Les vaporisateurs traditionnels, généralement basés sur des concepts de chauffage coaxial et des composants usinés de manière conventionnelle, offrent un contrôle limité sur la distribution du flux thermique, les gradients de température et le comportement des phases le long du trajet d'écoulement.

Il peut en résulter une vaporisation inégale, entraînant une qualité instable et faussant les mesures du GHV et de l'indice de Wobbe. La chute de pression ajoute à la complexité : une perte de pression insuffisante réduit la turbulence et l'efficacité du transfert de chaleur, tandis qu'une chute de pression excessive nuit au conditionnement du débit. Les pertes de chaleur environnementales, en particulier dans les installations arctiques ou offshore, déstabilisent davantage les performances du vaporisateur.

Les méthodes de fabrication conventionnelles limitent la géométrie des canaux, l'intégration de l'isolation et la densité des fonctionnalités. Pour obtenir un échantillonnage de GNL cohérent et très précis, il a donc fallu repenser le vaporisateur afin d'optimiser le transfert de chaleur, la stabilité de la pression, l'homogénéité du débit et le confinement thermique dans un système compact et prêt à l'emploi, tout en conservant une fabrication et une compatibilité de mise à niveau optimales.

Solution

Vaporisateur de GNL en métal à conception générative et FA

Conception générative basée sur la physique

Le consortium a défini plusieurs objectifs de performance couplés : maximiser le transfert de chaleur près de l'interface du réchauffeur, assurer une vaporisation précoce et complète, maintenir des limites de chute de pression définies, minimiser les pertes de chaleur dans l'environnement et garantir la fabricabilité via FA par soudage.
À l'aide de la plateforme de conception générative ToffeeX, ces objectifs ont été atteints grâce à des simulations multiphysiques couvrant la convection, la conduction, la distribution du champ de pression et FA .
La géométrie interne à double spirale qui en résulte augmente le temps de séjour du GNL dans les zones chauffées tout en induisant une turbulence contrôlée essentielle à une transition de phase uniforme. Les caractéristiques de conditionnement et de mélange du flux ont été directement issues du processus d'optimisation basé sur la physique, plutôt que d'être introduites manuellement par les ingénieurs. Cette approche a permis de minimiser les zones de stagnation et les phénomènes de flux incontrôlés, ce qui a permis d'obtenir une qualité de vapeur stable sur toute la plage de fonctionnement.
Isolation intégrée et conception FA
Une caractéristique déterminante de la nouvelle conception est l'intégration de cavités d'isolation sous vide directement dans la structure porteuse du vaporisateur. Cela réduit considérablement les pertes de chaleur dans l'environnement, ce qui est essentiel pour un échantillonnage stable du GNL dans des conditions ambiantes difficiles, et n'est possible que grâce à la fabrication additive.
Le composant a été développé selon des normes strictes. Conception pour la fabrication additive (DfAM). EOS Additive Minds a contribué à la création d'une architecture interne entièrement autonome ne nécessitant aucune structure de soutien interne pendant FA métallique. Cela garantit une élimination fiable de la poudre, réduit l'utilisation de matériaux et améliore la robustesse opérationnelle à long terme.
La géométrie optimisée sur le plan topologique a été reconstruite à l'aide de Rhino/Grasshopper, tandis que les régions internes en treillis ont été générées via une modélisation implicite dans nTop et traitées en mode natif dans le flux de travail EOS Build.
Fabrication sur les systèmes EOS
Le vaporisateur a été fabriqué en AlSi10Mg en utilisant la technologie EOS de fusion laser métallique sur lit de poudre. Alors que les premières étapes de développement ont été réalisées sur un EOS M 290, les composants finaux ont été fabriqués sur un EOS M 400-4Un paramètre d'épaisseur de couche de 40 µm associé à une stratégie de couche sautée a permis d'obtenir une qualité de surface élevée tout en accélérant le temps de fabrication grâce à l'impression des zones centrales à une hauteur de couche effective de 80 µm.
Malgré la hauteur de 279 mm du composant et sa géométrie interne complexe, des paramètres de processus optimisés ont permis d'obtenir une excellente précision dimensionnelle, une qualité d'impression stable et des performances thermiques fiables. Des orifices d'évacuation de la poudre ont été intégrés directement dans la conception, permettant d'éliminer complètement la poudre résiduelle des canaux d'écoulement en spirale et des cavités d'isolation.
Le vaporisateur final est un composant monolithique unique en aluminium, sans soudures, sans joints et sans supports internes. Il a été testé à 150 bars (g) afin de répondre aux exigences strictes de la classification ATEX et est prêt pour une utilisation industrielle intensive.

Vaporisateur de GNL fabriqué par impression 3D

Dans l'AlSi10Mg, sectionné pour révéler les canaux d'écoulement à double spirale conçus de manière générative et les cavités d'isolation sous vide intégrées.

Résultats

Réduction mesurable de la variabilité des mesures de GNL

Lors d'essais sur le terrain réalisés en mars 2025 au terminal GNL d'Equinor à Hammerfest, le vaporisateur fabriqué par impression 3D a été évalué par rapport à un appareil traditionnel dans des conditions de fonctionnement identiques.

À des débits allant jusqu'à 1 400 SL/h, l'écart type des mesures de la valeur calorifique brute (GHV) a été réduit de plus de 50 %, ce qui indique une amélioration significative de la stabilité de la vaporisation et de la répétabilité de l'échantillonnage. Le réchauffeur céramique intégré de 500 W a permis d'augmenter de manière fiable la température du GNL de -160 °C à environ +60 °C, tandis que la géométrie optimisée de la spirale a assuré une vaporisation rapide et complète. Les opérateurs ont signalé une quasi-élimination de la dérive des mesures et un comportement nettement plus prévisible de l'indice de Wobbe sur des cycles d'échantillonnage prolongés. Le vaporisateur s'est intégré de manière transparente dans l'infrastructure de mesure existante, confirmant son adéquation en tant que solution de modernisation prête à l'emploi.

Ces résultats démontrent que la fabrication additive métallique et la conception générative basée sur la physique peuvent apporter des améliorations de performances jusqu'alors inaccessibles avec les technologies de vaporisation conventionnelles.

Résultats et impact sur le secteur

Le vaporisateur de nouvelle génération établit une nouvelle référence en matière de précision et de fiabilité dans le transfert de propriété du GNL. Sa conception compacte et modulaire permet des configurations à sonde et autonomes, et s'adapte aussi bien aux nouvelles installations qu'aux modernisations de systèmes existants.

En intégrant la gestion thermique, le comportement structurel, les performances de mélange et l'isolation dans une seule géométrie conçue numériquement, la solution offre :

amélioration de la précision des mesures pour le transfert de propriété du GNL
meilleure conformité réglementaire
confiance accrue dans la détermination de la teneur énergétique
variabilité opérationnelle réduite
fiabilité à long terme grâce à FA monolithique

Le déploiement réussi sur le terrain confirme que la fabrication additive métallique est prête pour des applications réglementées et critiques pour la sécurité dans les secteurs du GNL et de l'énergie, offrant une nouvelle liberté de conception et des gains de performance mesurables pour les composants thermiques et de contrôle des flux de nouvelle génération. Le projet démontre comment EOS permet la transition d'une ingénierie basée sur la simulation vers du matériel industriel entièrement certifié dans le secteur mondial de l'énergie.

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