CN101382099B - 用于由气态燃料驱动的内燃机的燃气供给设备 - Google Patents

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Abstract

用于由气态燃料驱动的内燃机的燃气供给设备包括输送装载罐(17)中因受热而蒸发的自然蒸发气体的第一燃气管路系统(4，4′)和从装载罐中抽取液态的天然气、将其输送给蒸发装置(12)和在蒸发之后作为强制蒸发气体与自然蒸发气体混合、以便将混合物输送给内燃机的第二燃气管路系统(22)，后者将蒸发的燃气引入喷淋罐(8)中和通过调节阀(7)在与蒸发装置分开的路径上将液态的燃气引入喷淋罐中，喷淋罐的调节机构依据温度传感器控制液态的燃气通过调节阀的通流量，从而来自蒸发装置的蒸发的燃气的温度通过在喷淋罐中喷淋液态燃气而受控制地下降和使燃气中的重的碳氢化合物液化和以液态形式排出并从喷淋罐向内燃机供给具有确定的甲烷数的燃气。

Description

用于由气态燃料驱动的内燃机的燃气供给设备
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的燃气供给设备。此外本发明还涉及一种用于提供可在内燃机中燃烧的由自然蒸发气体与强制蒸发气体构成的混合物的方法。
背景技术
在以天然气作为燃料的液化天然气船或其它运输工具中天然气在液化状态(LNG)下运输，其中深冷液化的天然气的温度大约为-162℃和其压力大约为大气压力。用于容纳待运输的深冷液化的天然气的储气罐或装载罐都做了高成本的隔热处理，但尽管如此，所运输的天然气仍然会不可避免地有一定的受热，因此在装有深冷液化的天然气的储气罐中，由于受热而在储气罐中天然气蒸发成所谓的自然蒸发气体。为了抵制这种由于在具有深冷液化天然气的储气罐中不可避免的蒸发而产生的压力升高，自然蒸发气体被从储气罐中抽出。该原则也适用于固定的以燃气运行的具有用于深冷液化天然气的充气罐的驱动设备。
由WO 2005/058692A1或WO2005/058684已经已知是，将在具有深冷液化天然气的储气罐中由于受热蒸发的天然气，即自然蒸发气体输送给耗气设备，尤其是液化天然气船的内燃机，从而由此将自然蒸发气体用来驱动液化天然气船。此外就这种现有技术而言已经已知是，当自然蒸发气体的量不够充分时，还可从深冷液化天然气储气罐中抽取液态的天然气并且将其输送给蒸发装置。
从深冷液化天然气储气罐中抽出的天然气在蒸发装置中部分地蒸发气化，并且在蒸发成为所谓的强制蒸发气体之后可以将其与自然蒸发气体混合。然后将自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物输送给耗气设备，尤其是内燃机驱动装置。天然气中未蒸发的高沸点成份在已知设备中未加以利用地被送回到储气罐或加载罐中。
自然蒸发气体和强制蒸发气体的混合物的成份取决于不同的条件，因此存在变化。但是只有当自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物具有一定的抗爆震性时，才能使其在作为内燃机，如例如柴油-天然气或汽油-天然气发动机构成的驱动装置中燃烧。可以将所谓的混合物的甲烷数当作该混合物的抗爆震性的衡量指标，其中该甲烷数可以大致表示甲烷与由自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物中其它成份的数量比例。可以借助各种商业上常见的仪器测定任意天然气混合物中的甲烷数。
使用迄今为止已知的内燃机燃气供给设备虽然快要在一定的范围上提供抗爆震性足够的由自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物，即它可以提高已蒸发的天然气的甲烷数，但是该混合物还不能够认为是最佳的。因此需要有一种用于内燃机的运行的燃气供给设备，借助于它可以提供具有最佳抗爆震性的、尤其是具有大于等于80的甲烷数的这种混合物。
发明内容
由此出发，本发明所要解决的问题是提供一种用于内燃机的驱动的新型燃气供给设备以及一种用于提供可在内燃机中燃烧的由自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物的新型方法，由此可以在很小的费用下实现混合物的甲烷数的最佳提高。
该问题通过按照本发明的用于由气态燃料驱动的内燃机的一种燃气供给设备解决。所述燃气供给设备包括可用来将深冷液化天然气装载罐中因在装载罐中受热而蒸发的天然气作为自然蒸发气体在内燃机的方向上输送的第一燃气管路系统，以及包括可用来从深冷液化天然气装载罐中抽取液态的天然气、将其输送给蒸发装置和在部分蒸发之后使其作为强制蒸发气体与自然蒸发气体混合、以便将这种由自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物输送给内燃机的第二燃气管路系统，其特征在于，第二燃气管路系统通过蒸发装置将蒸发的燃气引入喷淋罐中，附加地通过调节阀在与蒸发装置分开的路径上将液态的燃气引入喷淋罐中，喷淋罐包括一个温度传感器和一个调节机构，后者依据温度传感器控制液态的燃气通过调节阀的通流量，从而来自蒸发装置的蒸发的燃气的温度通过在喷淋罐中喷淋液态燃气而可以受控制地下降，在喷淋罐中形成的冷凝液可以利用冷凝液分离器再次排回到装载罐，在内燃机的方向上离开喷淋罐的燃气可以通过液滴分离器和热交换器供给内燃机和在液滴分离器中形成的凝结液可以通过管道引导到装载罐中，液滴分离器和冷凝液分离器的凝结液流可以在装载罐之前的热交换器中通过引导到两个调节阀中的液态的天然气再次冷却。
根据本发明，所述燃气供给设备包括一个第二燃气管路系统，它通过蒸发装置将已经蒸发的燃气引入一个喷淋罐中，其中第二燃气管路系统附加地通过一个调节阀在与蒸发装置分开的路径上将液态的燃气引入喷淋罐中。而喷淋罐包括一个温度传感器和一个调节机构，后者依据温度传感器控制液态燃气通过调节阀的通流量，从而来自蒸发装置的蒸发了的燃气的温度通过在喷淋罐中液态燃气的喷淋而可以受控制地下降和由此燃气中的重的碳氢化合物被液化和可以以液态形式排出喷淋罐并且可以从喷淋罐向内燃机供给具有确定的甲烷数的燃气。
在转义上可以将在喷淋罐中用液态燃气(LNG液化天然气)对蒸发的燃气的喷淋看作是对强制蒸发气体(蒸发的燃气)的冲洗或冷却。
利用喷淋罐、温度传感器和调节机构，依据在液态燃气量的在喷淋罐中的温度传感器的测量值，可以在受控制下提高供给内燃机的燃气混合物的甲烷数。
燃气的温度(在一个限定的压力下)是离开喷淋罐的燃气的成分的尺度和由此也是该燃气的甲烷数的尺度。由此可以优选通过液滴分离器和热热交换器向内燃机供给具有限定的、大于或等于80的甲烷数的燃气。聚集在喷淋罐和液滴分离器中的凝结液通过管道或经凝结液分离器通过优选是循环冷却的热交换器再次引导到装载罐中。由此保证所谓的喷淋循环。
在将这样准备好的强制蒸发气体与自燃蒸发气体混合之后，就产生了一种就抗爆震性而言最佳化的由自燃蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物。
按照本发明的用于提供可在内燃机中燃烧的由自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物的方法这样限定，所述方法使用了按照本发明的所述燃气供给设备的方法，其中将深冷液化天然气装载罐中因在装载罐中受热而蒸发的天然气作为自然蒸发气体在内燃机的方向上输送，和其中当用于驱动装置的自然蒸发气体量不足够时，从装载罐中抽取液态的天然气、将其输送给蒸发装置和在蒸发之后使其作为强制蒸发气体在一个混合点与自然蒸发气体混合，其特征在于，将蒸发的燃气输送给一个喷淋罐，在喷淋罐中通过喷淋来自装载罐的液态的天然气将被引导通过的燃气的温度降低到这样的程度，使得燃气中的重的碳氢化合物液化和以液态形式排出。
本发明还给出了优选的扩展方案。本发明的实施例将对照附图进行详细描述，但本发明不仅限于这些实施例。
附图说明
图1：根据本发明的第一实施例的按照本发明的用于内燃机的燃气供给设备，按照该实施例喷淋罐在内燃机的一个压力水平上运行；
图2：根据本发明的第二实施例的按照本发明的用于内燃机的燃气供给设备，按照该实施例喷淋罐在装载罐的一个压力水平上运行；
图3：根据本发明的第三实施例的按照本发明的用于内燃机的燃气供给设备，其中自然蒸发气体被引导通过喷淋罐，从而喷淋罐在装载罐的一个压力水平上运行；
图4：根据本发明的第四实施例的按照本发明的用于内燃机的燃气供给设备，其中自然蒸发气体被引导通过喷淋罐和通过一个前置的升压装置，从而喷淋罐在内燃机的一个压力水平上运行；
图5：根据本发明的第五实施例的另一个按照本发明的用于内燃机的燃气供给设备。
具体实施方式
本发明涉及一种用于内燃机的燃气供给设备，其中深冷液化天然气作为燃料储存在装载罐17中。
以下将参照图1至图5对按照本发明的燃气供给设备进行较为详细的说明，其中图1至图5分别示出了按照本发明的燃气供给设备的不同实施例。
由此图1示出了按照本发明的内燃机3的燃气供给设备的第一实施例。燃气供给设备具有两个燃气管路系统4和22。
通过第一燃气管路系统4可以将所谓的自然蒸发气体向发动机3方向输送。通过装载罐17中的液态天然气由于受热而使得被保持在装载罐17中的液态的以及深冷的天然气蒸发而形成自然蒸发气体，其中该自然蒸发气体通过第一燃气管路系统4从装载罐17中排出。通过连接在燃气管路中的压缩机1可以将自然蒸发气体输送给内燃机3。压缩机管路1，1′，1″在内燃机3之前的燃气压力水平上进行调节。
如果用于内燃机3的自然蒸发气体的数量不足，可利用第二燃气管路系统22从装载罐17中抽取液态深冷天然气并且可以将其供给燃气供给设备的蒸发装置12。在蒸发装置12中可将从装载罐17中抽取的液态天然气部分蒸发和作为所谓的强制蒸发气体通过混合点31与来自第一燃气管路系统4的自然蒸发气体混合。
在混合点31下游产生由自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物，其在热交换器2中优选被调节到室温并且接着将其输送给发动机3。
如果在发动机中需要的天然气多于从装载罐17中蒸发的，那么这种情况借助于在第一燃气管路系统中4或装载罐17中的压力传感器21识别和将附加的天然气通过调节在蒸发装置12的第二燃气管路系统22中的阀10进行供给，其中对液态的天然气利用装载罐17中的泵18施加压力和通过热交换器13引导到两个调节阀7和10。借助于阀10并且依据压力传感器21的测量值调节通过蒸发装置12的天然气的通流量并且在蒸发装置12中形成的燃气被引导到一个喷淋罐8的下部区域中。在喷淋罐18中通过温度传感器9测量的温度之上对在第二燃气管路系统22的阀7处的通流量进行调节和将液态的冷的燃气(LNG液化天然气)供到喷淋罐8的上部区域。由于在喷淋罐8中利用喷淋装置30喷淋液态的天然气，使得位于喷淋罐8的上部区域中的蒸发燃气的温度受控制地降低。此外，然后通过液滴分离器5和热交换器6将已经调节到最佳的甲烷数的燃气供给内燃机3。聚集在喷淋罐8和液滴分离器5中的凝结液通过管道15或经凝结液分离器14通过再冷却的热交换器13由管道16再次引导到装载罐17中。
通过在混合点31之前将压缩机1设置在第一供给管路4中使得喷淋罐8在内燃机3的一个压力水平上运行。
概括地，图1示出了一种用于由气态燃料驱动的内燃机3的燃气供给设备，其具有第一燃气管路系统4，通过该燃气管路系统可以将深冷液化天然气装载罐17中由于受热在装载罐17中1蒸发的天然气作为自然蒸发气体朝着内燃机3的方向上输送，并且具有第二燃气管路系统22，通过该燃气管路系统可以在用于驱动装置的自然蒸发气体的数量不足时从深冷液化天然气装载罐17中抽取液态天然气、可以将其供给到蒸发装置12和可以在部分蒸发之后作为强制蒸发气体与自然蒸发气体混合，以便将由自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物向发动机3方向输送。此时第二燃气管路系统22通过蒸发装置12将蒸发的燃气引入喷淋罐8中并且第二燃气管路系统22附加地通过调节阀7在与蒸发装置12分开的路径上将液态的燃气引入喷淋罐中。喷淋罐8包括一个温度传感器9和一个调节机构，后者依据温度传感器9控制液态燃气通过调节阀7的通流量，从而来自蒸发装置12的蒸发了的燃气的温度通过在喷淋罐8中液态燃气的喷淋而可以受控制地下降和由此燃气中的重的碳氢化合物被液化和可以以液态形式排出喷淋罐8并且可以从喷淋罐向内燃机3供给具有确定的甲烷数的燃气。
在喷淋罐8中形成的冷凝液可以利用冷凝液排出器14排回到装载罐17。
在第一燃气管路系统4或装载罐17中设有用于确定装载罐17中的压力的压力传感器21，利用它和与它共同作用的调节阀10可以调节蒸发能力，亦即通过蒸发装置12的强制蒸发气体的通流量。
在内燃机3的方向上离开喷淋罐8的燃气通过液滴分离器5和热交换器6供给内燃机。在液滴分离器5中形成的凝结液可以通过管道15再次引导到装载罐17中。
液滴分离器5和/或冷凝液分离器14的凝结液流可以在装载罐17之前的热交换器13中再次冷却。
用于提供可在内燃机3中燃烧的由自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物的方法，其中在深冷液态天然气装载罐17中由于受热而在装载罐17中蒸发的天然气作为自然蒸发气体在发动机3方向上输送，和其中当用于运行的自然蒸发气体的数量不足时，可从装载罐17中抽取液态天然气、将其供给蒸发装置12和在部分蒸发之后作为强制蒸发气体与自然蒸发气体混合，包括步骤：至少将蒸发的燃气供给喷淋罐8，在喷淋罐中将引导通过的燃气(强制蒸发气体)的温度通过喷淋来自装载罐17的液态天然气(LNG)降低到这样的程度，使得燃气中的重的碳氢化合物液化和以液态形式排出。
通过蒸发装置12引导的燃气此时被引入喷淋罐8的下部区域中并且要利用喷淋装置30喷淋的液态燃气的量被引入喷淋罐8的上部区域中，其中要喷淋的液态燃气的量依据喷淋罐8中的温度利用阀7进行调节，从而在喷淋罐8的上部区域中的强制蒸发气体的温度被受控地降低。
在喷淋罐18中的燃气的温度通过在喷淋装置30上方的区域中的或在喷淋罐8之后的燃气排出管路中的温度传感器9测量。
喷淋罐8以针对内燃机3的升高的内压力运行。
图2至5示出了按照本发明的用于内燃机驱动装置的燃气供给设备的其它实施例，其中为了避免不必要的重复将相同的附图标记用于相同的部件并且以下仅对图2至5的实施例不同于图1的实施例的或相互之间不同的那些细节进行详细说明。
例如图2的实施例与图1的实施例的区别仅在于将升压装置1’设置在混合点31和内燃机3之间的燃气混合物下游，从而喷淋罐8以在装载罐17的压力水平上的一个内压力运行。
相反，图3示出了一个燃气供给单元的一个实施例，其中第一燃气管路系统4′不是绕过喷淋罐8而是被引导通过喷淋罐8，其中混合点31位于从蒸发装置12至喷淋罐8的输入管路22中。升压装置1′沿着引向内燃机3的燃气的下游连接在喷淋罐8之后，从而喷淋罐8以一个在装载罐17的压力水平上的内压力运行。
图4示出了图3的实施例的一种小的变型，其中在图4的实施例中取代图3的实施例的压缩机1′而在混合点31之前的供给管路4′中前置连接一个压缩机1″，从而喷淋罐8在内燃机3之前的一个压力水平上运行。
这个实施例(以及图2所示的实施例)导致大大变小的喷淋罐容积。图3和4所示的实施例为了改善自然蒸发气体的甲烷数尤其是在具有高比例的自然蒸发气体和低比例的强制蒸发气体的运行状态下是令人感兴趣的。
图5示出了按照本发明的燃气供给设备的另一个实施例，其中为了向喷淋罐8的调节阀7和10施加液体燃气设置了一个布置在装载罐17外部的升压装置19。升压装置19与一个前置容器20共同作用，以便抽吸液态的燃气，其中前置容器20可以通过位于装载罐17中的升压装置18充填。
在图5中示出的实施例是图1至4的实施例的一种组合。
附图标记表
1，1′，1″  压缩机
2            热交换器
3            驱动装置
4，4′       供给管路
5            液滴分离器
6            热交换器
7            调节阀
8            喷淋罐
9            温度传感器
10           调节阀
12           强制蒸发装置
13           热交换器
14           冷凝液分离器
15           管路
16           管路
17           装载罐
18           泵
19           升压装置
20           前置容器
21           压力传感器
22           输送管路
30           喷淋装置
31           混合点

Claims (13)

1.用于由气态燃料驱动的内燃机(3)的燃气供给设备，包括可用来将深冷液化天然气装载罐(17)中因在装载罐(17)中受热而蒸发的天然气作为自然蒸发气体在内燃机(3)的方向上输送的第一燃气管路系统(4，4′)，以及包括可用来从深冷液化天然气装载罐(17)中抽取液态的天然气、将其输送给蒸发装置(12)和在部分蒸发之后使其作为强制蒸发气体与自然蒸发气体混合、以便将这种由自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物输送给内燃机(3)的第二燃气管路系统(22)，其特征在于，第二燃气管路系统(22)通过蒸发装置(12)将蒸发的燃气引入喷淋罐(8)中，附加地通过调节阀(7)在与蒸发装置(12)分开的路径上将液态的燃气引入喷淋罐(8)中，喷淋罐(8)包括一个温度传感器(9)和一个调节机构，后者依据温度传感器(9)控制液态的燃气通过调节阀(7)的通流量，从而来自蒸发装置(12)的蒸发的燃气的温度通过在喷淋罐(8)中喷淋液态燃气而可以受控制地下降，在喷淋罐(8)中形成的冷凝液可以利用冷凝液分离器(14)再次排回到装载罐(17)，在内燃机(3)的方向上离开喷淋罐(8)的燃气可以通过液滴分离器(5)和热交换器(6)供给内燃机和在液滴分离器(5)中形成的凝结液可以通过管道(15)引导到装载罐(17)中，液滴分离器(5)和冷凝液分离器(14)的凝结液流可以在装载罐(17)之前的热交换器(13)中通过引导到两个调节阀(7)中的液态的天然气再次冷却。
2.根据权利要求1所述的燃气供给设备，其特征在于，设有用于确定在第一燃气管路系统(4，4′)中或装载罐(17)中的压力的压力传感器(21)，利用它和一个与它共同作用的调节阀(10)可以调节蒸发能力，亦即通过蒸发装置(12)的强制蒸发气体的通流量。
3.根据权利要求1或2所述的燃气供给设备，其特征在于，第一燃气管路系统(4′)也被引导通过喷淋罐(8)。
4.根据权利要求1或2所述的燃气供给设备，其特征在于，为了向喷淋罐(8)的调节阀(7和10)施加液态的燃气设有一个布置在装载罐(17)外部的升压装置(19)。
5.根据权利要求4所述的燃气供给设备，其特征在于，升压装置(19)与一个前置容器(20)共同作用，以便抽吸液态的燃气，其中前置容器(20)可以通过一个位于装载罐(17)中的升压装置(18)充填。
6.用于提供可在内燃机(3)中燃烧的由自然蒸发气体和强制蒸发气体组成的混合物的、使用了按照权利要求1至4中任意一项所述燃气供给设备的方法，其中将深冷液化天然气装载罐(17)中因在装载罐(17)中受热而蒸发的天然气作为自然蒸发气体在内燃机(3)的方向上输送，和其中当用于驱动装置的自然蒸发气体量不足够时，从装载罐(17)中抽取液态的天然气、将其输送给蒸发装置(12)和在蒸发之后使其作为强制蒸发气体在一个混合点与自然蒸发气体混合，其特征在于，将蒸发的燃气输送给一个喷淋罐(8)，在喷淋罐中通过喷淋来自装载罐(17)的液态的天然气将被引导通过的燃气的温度降低到这样的程度，使得燃气中的重的碳氢化合物液化和以液态形式排出。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将通过蒸发装置(12)引导的燃气引入喷淋罐(8)的下部区域中，将要利用喷淋装置(30)喷淋的液态燃气量引入喷淋罐(8)的上部区域中，其中要喷淋的液态燃气量依据喷淋罐(8)中的温度利用阀(7)进行调节，从而在喷淋罐(8)的上部区域中的燃气的温度被受控地降低。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在喷淋罐(18)中的燃气的温度通过在喷淋装置(30)上方的区域中的或在喷淋罐(8)之后的燃气排出管路中的温度传感器(9)测量。
9.根据权利要求6至8中之一所述的方法，其特征在于，利用一个调节阀(10)和一个与该调节阀共同作用的、用于确定在燃气管路系统中或装载罐(17)中的压力的压力传感器(21)控制燃气供给设备的蒸发能力。
10.根据权利要求6至8中之一所述的方法，其特征在于，喷淋罐(8)以针对内燃机(3)的升高的内压力运行。
11.根据权利要求6至8中之一所述的方法，其特征在于，使喷淋罐(8)以一个在装载罐(17)的压力水平上的内压力运行并且将一个升压装置(1′)设置在混合点(31)和内燃机(3)之间的燃气混合物下游。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在喷淋罐(8)之前连接一个升压装置(1″)，通过该升压装置将自然蒸发气体供给喷淋罐(8)。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将整个数量的自然蒸发气体供给喷淋罐(8)
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