Система и способ для управления подачей топлива к судовому двигателю Российский патент 2019 года по МПК F02D19/02 F02D33/00 F02M21/02 F17C9/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к системе и способу управления подачей топлива к двигателю для судов и, более конкретно, к системе управления подачей топлива к двигателю для судов, который включает в себя рабочую зону системы, в которой сжиженный природный газ (СПГ) накачивается насосом и газифицируется, и рабочую зону подачи, принимающую накачанный и газифицированный СПГ из рабочей зоны системы, и подающую СПГ в двигатель, при этом рабочая зона системы настроена, чтобы иметь более высокое заданное давление, чем рабочая зона подачи и управляется независимо от рабочей зоны подачи, и способу управления подачей топлива.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В последние годы использование сжиженного природного газа (СПГ) или сжиженного нефтяного газа (СНГ) быстро расширилось во всем мире.

В частности, СПГ является экологически безопасным из-за меньшего количества выбросов загрязняющих веществ при сжигании и все чаще используется в различных областях.

СПГ представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, которая может быть получена путем охлаждения природного газа, содержащего метан в качестве основного компонента, до примерно -163°С и имеет объем около 1/600 от природного газа. Таким образом, природный газ сжижается в СПГ для эффективной транспортировки, а для морской транспортировки СПГ используется судно для перевозки СПГ.

С усилением международных и национальных правил на судах увеличился интерес к экологически безопасному высокоэффективному топливу для судов. Среди такого топлива разработан и используется для судов двух топливный двигатель (DF), способный использовать отходящий газ, получаемый путем естественной или принудительной газификации СПГ.

РАСКРЫТИЕ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

При использовании СПГ в качестве топлива для судов, СПГ в криогенном состоянии должен быть повышен в давлении, а затем газифицирован в зависимости от условий давления и температуры для двигателя.

В судовом двигателе, например, гребном двигателе, так как нагрузка двигателя может варьироваться в зависимости от скорости движения судна, необходимо, чтобы давление подачи топлива изменялось в зависимости от нагрузки двигателя.

С этой целью может быть предусмотрен клапан на переднем конце двигателя в линии подачи топлива, для изменения степени открытия. Однако когда работа всей системы зависит от такого клапана, могут возникать такие проблемы, как частый ремонт и замена клапана из-за повреждения пластины клапана, и снижения срока службы клапана.

Кроме того, клапан может быть быстро закрыт для блокировки подачи топлива к двигателю, что вызовет резкое повышение давления в системе.

Варианты осуществления настоящего изобретения решают такие проблемы и обеспечивают систему управления подачей топлива, которая может обеспечить стабильную подачу топлива в двигатель, предоставляя возможность переменной подачи топлива в зависимости от изменения нагрузки двигателя.

ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения система управления подачей топлива к двигателю для судов включает в себя: рабочую зону системы, в которой СПГ накачивается насосом и газифицируется; и рабочую зону подачи, принимающую накачанный и газифицированный СПГ из рабочей зоны системы и подающую СПГ к двигателю, причем заданное давление в рабочей зоне системы установлено выше, чем заданное давление рабочей зоны подачи.

Рабочая зона системы может включать в себя: насос высокого давления, накачивающий СПГ; газификатор, газифицирующий СПГ, накачанный насосом высокого давления; и обратную линию, через которую накачанный СПГ, вводимый в газификатор, возвращается от стороны ниже по потоку насоса высокого давления к стороне выше по потоку резервуара-хранилища или насоса высокого давления.

Рабочая зона системы может включать в себя: рециркуляционный клапан, предусмотренный для линии возврата; первый узел определения давления, определяющий давление в рабочей зоне системы на стороне ниже по потоку газификатора; и первый контроллер, принимающий значение давления, обнаруженное первым узлом определения давления, и управляющий степенью открытия рециркуляционного клапана и числом оборотов насоса высокого давления в зависимости от заданного давления в рабочей зоне системы для регулирования давления в рабочей зоне системы.

Система может дополнительно включать: линию циркуляции теплоносителя, через которую циркулирует теплоноситель для газификации СПГ в газификаторе; насос теплоносителя, предусмотренный в линии циркуляции теплоносителя, и перекачивающий теплоноситель, который должен вводиться в газификатор; и нагреватель теплоносителя, нагревающий теплоноситель на стороне ниже по потоку насоса теплоносителя.

Рабочая зона подачи может включать в себя: линию подачи, через которую СПГ, газифицированный газификатором, подается в двигатель; главный газовый клапан, предусмотренный на линии подачи; и вентиляционную линию, ответвляющуюся от линии подачи на стороне выше по потоку главного газового клапана, и когда давление в линии подачи увеличивается выше заданного давления рабочей зоны подачи, главный газовый клапан закрывается и газифицированный СПГ сбрасывается через вентиляционную линию.

Рабочая зона подачи может включать в себя: клапан регулирования давления, предусмотренный в вентиляционной линии; второй узел определения давления, определяющий давление рабочей зоны подачи на стороне ниже по потоку основного газового клапана; и второй контроллер, принимающий значение давления, обнаруженное вторым узлом определения давления, и управляющий открытием или закрытием основного газового клапана и клапана регулирования давления в зависимости от заданного давления рабочей зоны подачи для управления давлением рабочей зоны подачи.

Система может дополнительно включать в себя: первый запорный клапан, расположенный ниже по потоку газификатора, и второй запорный клапан, расположенный выше по потоку от точки, в которой вентиляционная линия ответвляется от линии подачи.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения способ управления подачей топлива к двигателю для судов включает этапы, при которых: 1) накачивают СПГ с использованием насоса, с последующей газификацией СПГ; и 2) подают накачанный и газифицированный СПГ в двигатель для судов, причем операцию выполняют путем установки заданного давления зоны, в которой выполняется 1) этап, чтобы оно было выше заданного давления зоны, в которой выполняется 2) этап.

Давление зоны, в которой выполняется 1) этап, может управляться путем управления числом оборотов насоса или посредством возвращения накачанного СПГ в резервуар-хранилище, или сторону выше по потоку насоса на основе определенного значения давления, накачанного и газифицированного СПГ.

Давление зоны, в которой выполняется 2) этап, может управляться путем закрытия клапана для блокировки подачи накачанного и газифицированного СПГ в двигатель, в то же время, выпуская газифицированный СПГ из зоны, в которой выполняется 2) этап, когда давление накачанного и газифицированного СПГ, вводимого в двигатель для судов является выше заданного давления зоны, в которой выполняется 2) этап, на основе определенного значения давления накачанного и газифицированного СПГ, вводимого в двигатель для судов.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения система управления подачей топлива к двигателю для судов включает в себя: рабочую зону системы, в которой СПГ накачивается насосом и газифицируется; и рабочую зону подачи, принимающую накачанный и газифицированный СПГ из рабочей зоны системы и подающую СПГ к двигателю, причем давление в рабочей зоне системы управляется независимо от давления рабочей зоны подачи.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения способ управления подачей топлива к двигателю для судов включает этапы, при которых: накачивают СПГ с использованием насоса с последующей газификацией СПГ; и 2) подают накачанный и газифицированный СПГ в двигатель для судов, при этом давление зоны, в которой выполняется 1) этап, управляется независимо от давления зоны, в которой выполняется 2) этап.

ПОЛЕЗНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают систему для управления подачей топлива к двигателю для судов, которая включает в себя рабочую зону системы, в которой СПГ накачивается насосом и газифицируется, и рабочую зону подачи, принимающую накачанный и газифицированный СПГ из рабочей зоны системы и подающую СПГ в двигатель, при этом рабочая зона системы настроена на более высокое заданное давление, чем рабочая зона подачи и управляется независимо от рабочей зоны подачи, и способ управления подачей топлива.

Таким образом, топливо вынуждено проходить рабочую зону системы до того, как топливо подается непосредственно в двигатель, а рабочая зона системы управляется независимо от рабочей зоны подачи, благодаря чему переменная подача топлива может быть стабильно достигнута.

Кроме того, поскольку управление давлением подачи не выполняется только главным газовым клапаном, срок службы клапана может быть увеличен для сокращения затрат на техническое обслуживание и замену клапана, не допуская прерывания работы системы.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой принципиальную схему системы управления подачей топлива к двигателю для судов согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения.

НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Вышеупомянутые и другие аспекты, преимущества и задачи настоящего изобретения станут очевидными из прилагаемых чертежей и описаний следующих примеров осуществления настоящего изобретения.

В дальнейшем, примеры вариантов осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи. Подобные компоненты будут обозначены подобными ссылочными позициями.

Фиг.1 представляет собой принципиальную схему системы управления подачей топлива к двигателю для судов согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения.

Ссылаясь на фиг.1, система управления подачей топлива согласно этому примеру осуществления представляет собой систему для управления подачей топлива к двигателю Е для судов и включает в себя рабочую зону 100 системы, в которой СПГ накачивается насосом и газифицируется, и рабочую зону 200 подачи, которая принимает накачанный и газифицированный СПГ из рабочей зоны 100 системы и подает СПГ к двигателю Е, причем заданное давление в рабочей зоне 100 системы установлено выше, чем заданное давление рабочей зоны 200 подачи.

Используемый здесь термин «судно» относится не только к судам, таким как танкеры СПГ, или судам, работающим на СПГ (LFSs), но также к морским установкам, таким как LNG-FSPP (плавучие электростанции, работающие на СПГ), и включает в себя все виды судов или морские структуры, имеющие двигатель, который принимает СПГ в качестве топлива для движения или выработки электроэнергии.

Двигатель E для таких судов может включать, например, двух топливный двигатель DF или ME-GI двигатель. В этом варианте осуществления, двигатель E для судов может представлять собой двигатель с впрыском газа высокого давления или ME-GI (MAN Electric Gas Injection) двигатель, который принимает газ высокого давления от 150 до 400 бар в качестве топлива.

ME-GI двигатель может использоваться на судах и является двигателем с впрыском природного газа высокого давления для танкера СПГ, который разработан для снижения выбросов оксидов азота (NOx) и оксидов серы (SOx). ME-GI двигатель может быть оборудован на судне или морском сооружении, таком как танкер СПГ и т.п., который хранит СПГ в резервуаре-хранилище, способном выдерживать криогенное состояние при транспортировке СПГ, и может использовать природный газ и дизель в качестве топлива. ME-GI двигатель требует подачи газа высокого давления от 150 до 400 бар (абсолютного давления) в зависимости от его нагрузки и освещается как экологически чистый двигатель следующего поколения за счет снижения выбросов загрязняющих веществ, например диоксида углерода на 23%, соединений азота на 80% и соединений серы на 95% или более, по сравнению с дизельным двигателем, обеспечивающим такой же уровень мощности. Для подачи СПГ к ME-GI двигателю, система подачи топлива выполнена с возможностью подачи отходящего газа (BOG), сгенерированного в резервуаре-хранилище, или для подачи газифицированного СПГ, полученного путем газификации СПГ после сжатия СПГ при высоком давлении.

Для такой подачи топлива рабочая зона 100 системы согласно этому варианту осуществления снабжена насосом 110 высокого давления, выполненным с возможностью накачивания СПГ, и газификатором 120, который газифицирует СПГ, накачиваемый насосом 110 высокого давления, а зона 300 подачи теплоносителя образована для подачи теплоносителя, который осуществляет теплообмен с СПГ в газификаторе 120.

Зона 300 подачи теплоносителя может быть снабжена циркуляционной линией HL теплоносителя, через которую циркулирует теплоноситель для газификации СПГ в газификаторе 120, насосом 310 теплоносителя, предусмотренным для циркуляционной линии HL теплоносителя и нагнетания теплоносителя, который должен вводиться в газификатор 120, нагревателем 320 теплоносителя, расположенным за насосом 310 теплоносителя и нагревающим теплоноситель, резервуаром 330 теплоносителя, расположенным за газификатором 120 и сохраняющим теплоноситель, который был подвергнут теплообмену в газификаторе 120, и т.п. В качестве теплоносителя, подающего тепло к газификатору 120, например, может быть использована водно-гликолевая смесь, а нагреватель 320 теплоносителя может нагревать теплоноситель с использованием пара, генерируемого отходящим теплом, генерируемым в двигателе внутреннего сгорания судна.

Для регулирования давления в рабочей зоне 100 системы, рабочая зона 100 системы включает в себя обратную линию RL, через которую нагнетаемый СПГ, вводимый в газификатор 120, возвращается со стороны ниже по потоку насоса 110 высокого давления в резервуар-хранилище (не показан), или на сторону выше по потоку насоса 110 высокого давления, а обратная линия RL снабжена рециркуляционным клапаном 130.

Кроме того, рабочая зона 100 системы снабжена первым узлом 140 определения давления, который определяет давление в рабочей зоне 100 системы на стороне ниже по потоку газификатора 120, и первый контроллер 150, который принимает значение давления, обнаруженное первым узлом 140 определения давления, и управляет давлением рабочей зоны 100 системы посредством регулирования степени открытия рециркуляционного клапана 130 и числа оборотов (об/мин) насоса 110 высокого давления согласно заданному давлению рабочей зоны 100 системы.

Рабочая зона 200 подачи снабжена линией SL подачи для подачи СПГ, газифицированного газификатором 120 в двигатель E, и главным газовым клапаном 210, предусмотренным в линии SL подачи, для открытия или закрытия линии SL подачи.

Для регулирования давления в рабочей зоне 200 подачи, рабочая зона 200 подачи включает в себя вентиляционную линию VL, ответвляющуюся от линии SL подачи на стороне выше по потоку главного газового клапана 210, клапан 220 регулирования давления, предусмотренный в вентиляционной линии VL, и второй узел 230 определения давления, определяющий давление рабочей зоны 200 подачи на стороне ниже по потоку основного газового клапана 210.

Значение давления, обнаруженное вторым узлом 230 определения давления, передается на второй контроллер 240, который управляет давлением рабочей зоны 200 подачи, путем закрытия главного газового клапана 210, в тоже время, позволяя газифицированному СПГ выпускаться в вентиляционную линию VL, когда давление в линии SL подачи становится выше заданного давления рабочей зоны 200 подачи. Заданное давление рабочей зоны 200 подачи устанавливает требуемое давление подачи в соответствии с нагрузкой двигателя E для судов, и когда определяется, что давление рабочей зоны 200 подачи превышает это значение давления, давление рабочей зоны 200 подачи регулируется посредством закрытия главного газового клапана 210, в то же время открытия клапана 220 регулирования давления так, что газ выпускается в вентиляционную мачту в количестве, соответствующем избыточному давлению.

Таким образом, второй контроллер 240 управляет давлением рабочей зоны 200 подачи путем управления открытием/закрытием главного газового клапана 210 и клапана 220 регулирования давления в зависимости от заданного давления рабочей зоны 200 подачи.

Таким образом, в системе согласно этому варианту осуществления, заданное давление рабочей зоны 100 системы устанавливается выше, чем заданное рабочее давление рабочей зоны 200 подачи, и каждая рабочая зона управляется независимо, тем самым, обеспечивая переменную работу системы подачи топлива в зависимости от нагрузки двигателя.

В этом варианте осуществления топливо может проходить через рабочую зону 100 системы, прежде чем топливо подается непосредственно в двигатель, тем самым уменьшая отклонение давления подачи. Кроме того, поскольку заданное давление рабочей зоны 100 системы выше, чем у рабочей зоны 200 подачи, избыточная часть может быть обеспечена даже при быстром увеличении выходной мощности двигателя, тем самым обеспечивая преимущество сокращения времени отслеживания.

При работе системы подачи топлива, заданное давление рабочей зоны 100 системы, установленное выше, чем у рабочей зоны 200 подачи, может быть определено посредством процедуры фактического ввода в эксплуатацию в зависимости от мест установки двигателя и системы подачи топлива. Например, когда используется двигатель ME-GI и давление рабочей зоны подачи составляет 230 бар, заданное давление в рабочей зоне системы может быть установлено на 20 бар выше, чем заданное давление рабочей зоны подачи, а когда рабочая зона подачи составляет 300 бар, заданное давление в рабочей зоне системы может быть установлено на 5 бар больше, чем заданное давление рабочей зоны подачи.

В системе согласно этому варианту осуществления первый запорный клапан 160 может быть расположен за газификатором 120, а второй запорный клапан 250 может быть расположен выше по потоку от точки, в которой вентиляционная линия VL ответвляется от линии SL подачи. При такой конфигурации запорных клапанов для разделения рабочих зон друг от друга, система может управляться так, чтобы каждая из рабочих зон могла быть настроена на другое заданное давление.

В системе согласно настоящему изобретению, подача топлива выполняется следующим образом.

Подача топлива к двигателю Е для судов осуществляется посредством способа, при котором: 1) накачивают СПГ с использованием насоса с последующей газификацией СПГ; и 2) подают накачанный и газифицированный СПГ в двигатель Е для судов.

В настоящем изобретении система управляется установкой заданного давления зоны, в которой выполняется 1) этап, то есть заданное давление в рабочей зоне 100 системы, должно быть выше заданного давления зоны, в которой выполняется 2) этап, то есть заданного давления рабочей зоны 200 подачи.

Как выше описано, давление рабочей зоны 100 системы может управляться путем управления числом оборотов насоса или посредством возвращения накачанного СПГ в резервуар-хранилище, или на сторону выше по потоку насоса на основе определенного значения давления накачанного и газифицированного СПГ.

Кроме того, как описано выше, давление рабочей зоны 200 подачи может управляться путем закрытия клапана для блокирования подачи накачанного и газифицированного СПГ в двигатель Е, в то же время выпускания газифицированного СПГ в вентиляционную мачту через вентиляционную линию VL, ответвляющуюся от линии SL подачи, когда давление накачанного и газифицированного СПГ, вводимого в двигатель E, выше, чем заданное давление рабочей зоны 200 подачи, на основе определенного значения давления, накачанного и газифицированного СПГ, вводимого в двигатель E для судов.

Специалистам в данной области, очевидно, что настоящее изобретение не ограничено вышеописанными вариантами осуществления и могут быть выполнены различные модификации или изменения без отхода от объема настоящего изобретения.

Раскрыты система и способ для управления подачей топлива к двигателю для судов. Система включает в себя: рабочую зону системы, в которой СПГ накачивается посредством насоса и газифицируется; и рабочую зону подачи, принимающую накачанный и газифицированный СПГ из рабочей зоны системы, и подающую СПГ к двигателю. Заданное давление рабочей зоны системы установлено выше, чем заданное давление рабочей зоны подачи. Рабочая зона системы содержит насос высокого давления, накачивающий СПГ, газификатор, газифицирующий СПГ, накачанный насосом высокого давления, и возвратную линию, через которую накачанный СПГ, введенный в газификатор, возвращается со стороны ниже по потоку насоса высокого давления к стороне выше по потоку резервуара-хранилища или насоса высокого давления. Техническим результатом является обеспечение стабильной подачи топлива в двигатель. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система для управления подачей топлива к двигателю для судов, содержащая:

- рабочую зону системы, в которой СПГ накачивается посредством насоса и газифицируется; и

- рабочую зону подачи, принимающую накачанный и газифицированный СПГ из рабочей зоны системы и подающую СПГ к двигателю,

при этом заданное давление рабочей зоны системы установлено выше, чем заданное давление рабочей зоны подачи,

причем рабочая зона системы содержит:

- насос высокого давления, накачивающий СПГ;

- газификатор, газифицирующий СПГ, накачанный насосом высокого давления; и

- возвратную линию, через которую накачанный СПГ, введенный в газификатор, возвращается со стороны ниже по потоку насоса высокого давления к стороне выше по потоку резервуара-хранилища или насоса высокого давления.

2. Система для управления подачей топлива для двигателя для судов по п.1, в которой рабочая зона системы содержит:

- рециркуляционный клапан, предусмотренный в возвратной линии;

- первый узел определения давления, определяющий давление рабочей зоны системы, на стороне ниже по потоку газификатора; и

- первый контроллер, принимающий значение давления, определенное первым узлом определения давления, и управляющий степенью открытия рециркуляционного клапана и скоростью насоса высокого давления, зависящей от заданного давления рабочей зоны системы для управления давлением рабочей зоны системы.

3. Система для управления подачей топлива для двигателя для судов по п.1, дополнительно содержащая:

- линию циркуляции теплоносителя, через которую циркулирует теплоноситель для газификации СПГ в газификаторе;

- насос для теплоносителя, предусмотренный для линии циркуляции теплоносителя и накачивающий теплоноситель, который должен быть введен в газификатор; и

- нагреватель для теплоносителя, нагревающий теплоноситель на стороне ниже по потоку насоса для теплоносителя.

4. Система для управления подачей топлива для двигателя для судов по п.2, в которой рабочая зона подачи содержит:

- линию подачи, через которую СПГ, газифицированный газификатором, подается к двигателю;

- главный газовый клапан, предусмотренный в линии подачи; и

- вентиляционную линию, ответвляющуюся от линии подачи на стороне выше по потоку главного газового клапана,

при этом, когда давление в линии подачи увеличивается выше заданного давления рабочей зоны подачи, главный газовый клапан закрывается и газифицированный СПГ выпускается через вентиляционную линию.

5. Система для управления подачей топлива для двигателя для судов по п.4, в которой рабочая зона подачи содержит:

- клапан регулирования давления, предусмотренный в вентиляционной линии;

- второй узел определения давления, определяющий давление рабочей зоны подачи, на стороне ниже по потоку главного газового клапана; и

- второй контроллер, принимающий значение давления, определенное вторым узлом определения давления, и управляющий открытием или закрытием главного газового клапана и клапана регулирования давления в зависимости от заданного давления рабочей зоны подачи для управления давлением рабочей зоны подачи.

6. Система для управления подачей топлива для двигателя для судов по п.5, дополнительно содержащая:

- первый запорный клапан, расположенный ниже по потоку газификатора; и

- второй запорный клапан, расположенный выше по потоку от точки, где вентиляционная линия ответвляется от линии подачи.

7. Способ для управления подачей топлива к двигателю для судов, включающий этапы, при которых:

предоставляют систему по п.1;

1) накачивают СПГ с использованием упомянутого насоса, с последующей газификацией СПГ, накачанного от насоса для генерирования газифицированного СПГ с использованием упомянутого газификатора;

2) подают газифицированный СПГ от газификатора к двигателю через газопровод,

причем управляют открытием или закрытием главного газового клапана и клапана регулирования давления для того, чтобы второе давление, определяемое вторым узлом определения давления, ниже по потоку от главного газового клапана, находилось в соответствии с вторым заданным давлением, соответствующим требуемому давлению подачи для нагрузки двигателя; и

управляют скоростью вращения насоса и степенью открытия рециркуляционного клапана, чтобы первое давление, определяемое первым узлом определения давления, выше по потоку от второго запорного клапана находилось в соответствии с первым заданным давлением, которое выше второго заданного давления за счет разницы давлений, которая поддерживается вторым запорным клапаном и главным газовым клапаном.

8. Способ управления подачей топлива к двигателю для судов по п.7, в котором давление зоны, в которой выполняется этап 2), управляется путем закрытия клапана для блокировки подачи накачанного и газифицированного СПГ в двигатель, в то же время выпуском газифицированного СПГ из зоны, в которой выполняется этап 2), когда давление накачанного и газифицированного СПГ, вводимого в двигатель для судов, является выше заданного давления зоны, в которой выполняется этап 2), на основе определенного значения давления накачанного и газифицированного СПГ, вводимого в двигатель.