CN104350322A - 用于供给气体的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从用于深冷液化气体的储罐(1)中将蒸发气体以经调节的压力供给到对气体的压力和质量流量的要求剧烈变化的消耗器(8)的设备，具有：马达驱动的用于液化气体的高压泵(3)，其驱动转速规定了所输送的液化气体的质量流量；设置在高压泵(3)下游的、用于液化气体的蒸发器(6)；设置在蒸发器(6)下游的、用于蒸发气体的压力调节阀(10)，在其输出端上连接有消耗器(8)；第一控制器(11)，其被控量是在压力调节阀(10)下游的蒸发气体的压力，而其调节量对压力调节阀(10)加载；第二控制器(15)，其被控量是在高压泵(3)与压力调节阀(10)之间的气体的压力，而其调节量对用于高压泵(3)的转速调节器(19)加载；部件(17)，用于将两个控制器(11；15)的调节量结合在一起，使得第一控制器(11)的调节量额外对转速调节器(19)加载。

Description

用于供给气体的设备
技术领域
本发明涉及一种用于将气体从深冷液化气体、特别是液化天然气(LNG)的储备装置中供给到消耗器的设备。所述消耗器首先是指使用气体燃料的消耗器、例如发动机。但也可以考虑其它消耗器，例如那些需要吹洗用气体的消耗器。在所有情况下对于消耗器而言都期望，以由该消耗器预先给定的并且可准确保持的压力向该消耗器输送气体，该压力随时间根据消耗器的工作状态而变化并且在此也可能经历突然的改变。同样的，所需气体的时间上的量、也就是气体的质量流量通常不是恒定的，而是取决于消耗器的负载。
背景技术
本发明所考虑的典型的消耗器是用于船舶驱动装置的柴油发动机或用于较小的、产生电力的发电站的柴油发动机，其可选择性地利用气体运行，更确切地说通过以下方式运行：在气缸的每个工作行程中除了柴油、即所谓的控制油/先导油之外还导入一定量的处于高压下的气体。该发动机的气体需求可能快速改变。所需的压力取决于发动机的相应功率并且对于LNG而言典型地在150bar到300bar之间。当在一组消耗器中、例如在一个发电站组中有一消耗器或发动机突然例如由于紧急关闭而完全停机时，则在压力和质量流量方面的变化是特别显著且突然性的。为这样的消耗器供给气体的设备必须能够跟上这样的变化。
一种用于解决该问题的方法在于，将大量蒸发的、也就是气态的气体稳定地保持在趋向于消耗器最大压力的高压下，以便能够平衡消耗波动。然而这种做法在安全技术方面投入非常大，这是因为较大量的、处于高压下的气体原则上是危险的。
另一种解决方法在于，借助于泵将尚处于液态状态下的气体置于压力之下，在此参照实际需要的质量流量，从储罐中取出过多的量，并且将不需要的部分量重新导引回储罐中。由于液化气体在此由于压力升高也升温，因此持续有热量被导入深冷液化气体的储备装置中并引起以下后果：在储罐中加剧了不期望的、所谓的蒸发气体(B0il-Off-Gas)的形成。由于与此相联系的储罐(该储罐并未设计用于高压)中的压力上升，这特别是在船舶的甲板上显现为一种存在问题的危险源。
如果放弃保持处于压力下的气体的缓冲量，并尝试单独通过常见的调节技术方面的手段来满足消耗器对于所供给气体的压力和质量流量的要求，那么会迅速碰到极限。这种调节要么过于迟钝以至于不能跟上短时间内的、也就是在几秒内发生的压力上升或压力下降，要么会导致气体压力的不受控制的调节波动。
发明内容
通过根据本发明的在权利要求1中定义的设备，能够相应于消耗器的总体要求准确地保持输出到消耗器的气体的压力，这即使在复杂的消耗器、例如柴油-气体-发动机(其对于气体压力的静态和动态精度有非常高的要求)中也能实现。
在根据本发明的设备中，以本身已知的方式首先使还是液态的气体达到高压并且随后使其在高压状态下例如通过热交换器的热量输送而蒸发，也就是说转变为气态状态。设有两个控制器/调节器，其中第一控制器通过沿流动方向设置在蒸发器下游的压力调节阀调节被输出到消耗器的气体的压力，而第二控制器调节位于压力调节阀上游且位于用于提高压力的高压泵下游的气体压力，其方法是，该第二控制器调整由高压泵输送的气体的质量流量。在根据本发明的设备中，该质量流量现在不仅受到第二控制器的调节量的影响，而且额外地还受到对蒸发器下游的压力调节阀起作用的第一控制器的调节量的影响。
与对气体的质量流量的调控含义相同的是对气体的体积流量的调控，这是因为这两个参量以气体质量的密度、更准确地说是空间密度在调控之处作为比例因数彼此成比例。
在权利要求2、3和4中说明了用于将两个控制器的调节量结合在一起的优选的部件。质量流量也即优选地取决于两个调节量的和，必要时相应于用于质量流量的调节装置的允许的信号范围来限制该和，必要时还根据规定的、优选动态的传输函数个别地影响第一控制器的调节量——只要该调节量被共同用于质量流量调控。
质量流量调控根据权利要求6优选通过确定质量流量的高压泵转速来实现，其方法是，为了驱动高压泵设置有电机连同配属的、市场上常见的转速调节器，该转速调节器将两个调节量的结合用于调控转速。
根据权利要求7的本发明设备的扩展方案的目的不是实现所述设备的持续的“过量”运行。该改进方案而是考虑了以下情况：常见的高压泵具有质量流量下限，高压泵在该质量流量下限之下不再能够以令人满意的方式工作。也就是给出了泵不能低于的气体最小质量流量。如果消耗器要求的质量流量小到低于高压泵的最小值，那么第三控制器在正常情况下仅通过以下方式产生作用：该第三控制器开始打开它所配设的第二压力调节阀并且进而能够将液化气体回引到储罐中。
第二控制器和第三控制器可以分别具有自身的压力传感器，但是优选连接在一共同的压力传感器上。原则上，该压力传感器沿流动方向布置在蒸发器的上游还是下游不是决定性的。在优选的实施例中，压力传感器检测蒸发器上游的液化气体的压力。
在权利要求6和8中说明的理论值适用于根据本发明的设备的正常运行。然而也可以考虑其它设计方案，可以是持久的或针对特殊的例外情况，例如在消耗器紧急关闭时，针对快速的气体关闭或者在设备的输出端上气体压力的非常快速的变化的情况。
根据本发明的设备优选用于在船上为船舶驱动装置供给天然气(LNG)，而且特别是当船舶驱动装置包括所谓的MEGI发动机(该发动机以开头所述方式利用柴油和气体运行)时。该发动机要求，在输入端在预定压力下以高精度为发动机提供LNG。压力值可以在宽的压力范围内剧烈变化；典型的是150bar至300bar。根据本发明的设备在此能够精确地跟随即便快速的压力坡度变化曲线。尽管由船舶发动机要求的质量流量可以与压力要求无关地是完全不同的，但这在根据本发明的设备中仍然能够实现。
早些时候还探讨了具有发动机的船舶驱动装置，其燃烧LPG(典型的液化气体，具有主要成分丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、异丁烷和/或异丁烯)。在这种介质中所需的压力水平还大大高于在LNG中的；其高到600bar。为此，最低温度不像在LNG中那样低，从而蒸发气体的问题不那么突出。尽管如此在这里根据本发明的用于为相应的船舶发动机供给气体的设备也比已知的设备更佳。
附图说明
下面根据一个优选的实施例详细说明本发明。唯一的附图示出根据本发明的设备的流程图。
具体实施方式
在储罐1中存在有液化天然气(LNG)。高压泵3通过取出管路2连接在储罐1上，该高压泵通过电机4驱动。连接管路5从高压泵的输出端延伸到蒸发器6。输出管路7从蒸发器6延伸到消耗器8，该消耗器在此是柴油发动机的形式，其能够额外地借助高压气体运行。在高压泵的输出端上还连接有阻尼器9。
由电机4驱动的高压泵3从储罐1取出深冷液化气体并且将其置于高压下。阻尼器9是部分地填充有液化气体和部分地填充有自身蒸发气体的容器，其抑制了在此形成的、液化气体中的压力波动。液化气体从高压泵3通过管路5到达蒸发器6。该蒸发器以未详细示出的方式包括热交换器，借助该热交换器加热液化气体并且在此使液化气体蒸发。所蒸发的气体(其也即是气态的并且在此具有高的、由高压泵3产生的压力)通过输出管路7到达柴油-气体-发动机8。
在输出管路7中接入有压力调节阀10，该压力调节阀通过第一控制器11调整。控制器11借助压力传感器12检测沿流动方向位于压力调节阀10下游的气体的压力作为被控量并且由此以及由外部预定的理论值SP1形成用于压力调节阀10的调节量。
第二控制器15通过压力传感器16检测连接管路5中液化气体的压力作为被控量并且由此以及由外部预定的理论值SP2形成被输送到加法器17的其中一个输入端的调节量。在加法器17的另一输入端上通过传输元件13输送第一控制器11的调节量。只要该调节量被输送到加法器17，传输元件13就按照在传输元件中实现的、能够适配所述设备的个别情况的动态传输函数来修改该调节量。
在加法器17的输出端上通过限值器18连接一用于电机4的转速调节器19。限值器18将两个调节量的在加法器17中形成的和限制在转速调节器19的允许信号范围内。转速调节器19例如设计为变频器，该变频器通过被输送到电机4的供电电流的频率按照控制器11和15的两个调节量的被限制的和来调控电机的转速并且进而也调控由高压泵3输送的液化气体质量流量。
在连接管路5上最终还连接有第二压力调节阀20，其输出端通过回流管路22与储罐1相连。如果压力调节阀20打开，则液化气体可以通过回流管路22流回到储罐1。压力调节阀20通过第三控制器21的调节量来操控，该第三控制器通过压力传感器16如控制器15那样获得高压泵3下游的液化气体的压力作为被控量并且由此以及由外部预定的理论值SP3形成用于压力调节阀20的调节量。
在正常情况下，第二控制器15的理论值SP2高于第一控制器11的理论值SP1，而第三控制器21的理论值SP3又高于第二控制器15的理论值SP2。
控制器11和15共同调控到达柴油-气体-发动机8的蒸发气体即被蒸发的气体的压力。第三控制器21用于，当达到高压泵3的转速下限并且因此仅通过泵的影响不能使压力继续下降时，使高压泵3的输出端上的气压下降。
第一控制器11实现为工业上常见的PI控制器/PI调节器，其被调控以实现快速参数化、高的放大因子和小的积分时间常数。
第二控制器15设计为具有常见的附加功能的工业PID控制器/PID调节器并且作为P控制器/P调节器工作。这同样适用于第三控制器21。
下面是对于气体的压力、温度和质量流量的典型值以及对于两种负载情况的高压泵的转速。
1)负载情况25％：
压力：
在高压泵上游5.4bar
在高压泵下游203bar
在蒸发器下游202bar
在柴油-气体-发动机上游174bar
温度：
在高压泵上游-157℃
在高压泵下游-145℃
在蒸发器下游50℃
质量流量：
650kg/h回流管路22
1140kg/h输出管路7
转速：
150m-1
2)负载情况85％：
压力：
在高压泵上游5.4bar
在高压泵下游291bar
在蒸发器下游289bar
在柴油-气体-发动机上游278bar
温度：
在高压泵上游-157℃
在高压泵下游-141℃
在蒸发器下游50℃
质量流量：
3580kg/h输出管路7
转速：
300m-1
3.调节质量
在一种根据实施例的设备中，气体的压力和质量流量与所需要的理论值之间的最大偏差为静态小于1％和动态小于5％。
对动态调节质量的检验基于两种情况，即两分钟内从0到100％的、消耗器中的功率增加和作为对紧急关闭的模拟的、十秒钟内从100％到0％的、消耗器中的功率减少。

Claims (10)

1.一种用于从含有作为深冷液化气体的气体的储罐(1)中将气体以蒸发的形式以经调节的压力供给到对气体的压力和质量流量的要求剧烈变化的至少一个消耗器(8)的设备，所述设备具有：
连接在储罐(1)上的、用于液化气体的高压泵(3)，该高压泵将液化气体从储罐(1)中输送出来并使液化气体的压力升高；
调节装置(19)，用于调控由高压泵(3)输送的液化气体的质量流量；
设置在高压泵(3)下游的、用于压力被升高的液化气体的蒸发器(6)；
设置在蒸发器(6)下游的、用于蒸发气体的压力调节阀(10)，消耗器(8)能连接在该压力调节阀的输出端上，
第一控制器(11)，该第一控制器的被控量是在压力调节阀(10)下游的蒸发气体的压力，该第一控制器的调节量作用在压力调节阀(10)上；
第二控制器(15)，该第二控制器的被控量是在高压泵(3)与压力调节阀(10)之间的气体的压力，该第二控制器的调节量作用在用于质量流量的调节装置(19)上；
部件(17)，用于将两个控制器(11；15)的调节量结合在一起，使得第一控制器(11)的调节量额外地作用在所述用于质量流量的调节装置(19)上。
2.根据权利要求1所述的设备，具有连接在所述用于质量流量的调节装置(19)上游的、用于第一控制器(11)的调节量和第二控制器(15)的调节量的加法器(17)。
3.根据权利要求2所述的设备，具有用于两个调节量的信号限值器(18)，该信号限值器将所述两个调节量的和保持在所述用于质量流量的调节装置(19)的允许的信号范围内。
4.根据权利要求1、2或3所述的设备，具有传输元件(13)，如果第一控制器(11)的调节量作用在所述用于质量流量的调节装置(19)上，那么该传输元件的传输函数就修改第一控制器的调节量。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的设备，其中，第二控制器(15)的理论值(SP2)高于第一控制器(11)的理论值(SP1)。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的设备，具有用于驱动高压泵(3)的马达(4)，该马达的转速确定了由高压泵(3)输送的液化气体的质量流量，所述设备具有用于所述马达的转速调节器(19)作为所述用于质量流量的调节装置。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的设备，具有设置在高压泵(3)下游的第二压力调节阀(20)，在该第二压力调节阀的输出端上连接有延伸到储罐(1)的、用于液化气体的回流管路(22)，所述设备具有第三控制器(21)，该第三控制器的被控量是在第二压力调节阀(20)上游的液化气体的压力，该第三控制器的调节量作用在第二压力调节阀(20)上。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第三控制器(21)的理论值(SP3)高于第二控制器(15)的理论值(SP2)。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其中，所述第二控制器(15)和第三控制器(21)连接在一共同的、用于所述被控量的压力传感器(16)上。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备的应用，用于将气体作为第二种或备选的燃料供给到一个船舶柴油发动机或一组船舶柴油发动机。
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