CN104791142B - 一种船用发动机燃料供给系统及方法 - Google Patents

一种船用发动机燃料供给系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种船用发动机燃料供给系统及方法，系统包括控制器、LNG燃料储存系统、船用主推缸内高压直喷LNG发动机燃料供给系统和船用发电辅机燃料供给系统；LNG燃料储存系统包括LNG罐、LNG压力传感器和LNG液位传感器，船用主推缸内高压直喷LNG发动机燃料供给系统包括LNG潜液泵、LNG汽化器、高压天然气稳压罐和主推燃气电磁阀，船用发电辅机燃料供给系统包括天然气减压器、低压天然气稳压储气罐、辅机燃气电磁阀和泄压燃气管路；本发明采用高压直喷LNG发动机和普通火花点火天然气发动机联合工作的方式，不仅提高了船载LNG燃料的利用效率，节约了能源；而且无需向空气中放散天然气，减少了温室气体的排放。

Description

一种船用发动机燃料供给系统及方法
技术领域
本发明涉及一种燃料供给装置，具体地说是一种船用发动机燃料供给系统及方法，属于气体发动机技术领域。
背景技术
随着船舶保有量的增加，船用发动机HC、CO、NOx及硫化物的排放成为重要的大气污染源，同时也是主要的CO2排放源之一。而以天然气为燃料的船用发动机具有污染物及碳排放低的优势，同时以气体作为发动机的燃料减少了在船舶航行过程中对水系的污染。特别是缸内高压直喷LNG发动机，由于采用天然气缸内高压直喷技术，发动机热效率高、扭矩大、响应性好，成为船用发动机的主要发展方向，国家对船舶采用天然气发动机给予了诸多优惠政策。
在船载燃料系统中，LNG燃料储存在低温绝热真空罐中，但是由于LNG罐无法做到与外界完全绝热，存在一定的热交换，LNG罐在存放和使用过程中存在罐内LNG的汽化，LNG汽化为天然气后会导致罐内的压力升高。缸内高压直喷天然气发动机无法直接利用汽化后的低压天然气，为保证LNG罐的安全性需要定期向大气内放散汽化的天然气，造成能源浪费及甲烷排放。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种船用发动机燃料供给系统及方法，其能够将由于LNG罐与外界换热而汽化的LNG进行充分利用，不仅减少温室气体排放，而且节约能源。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种船用发动机燃料供给系统，所述船用发动机包括船用主推缸内高压直喷LNG发动机和船用发电辅机，其特征是，包括控制器、LNG燃料储存系统、船用主推缸内高压直喷LNG发动机燃料供给系统和船用发电辅机燃料供给系统，所述船用发电辅机为普通火花点火天然气发动机；
所述LNG燃料储存系统包括LNG罐、LNG压力传感器和LNG液位传感器，所述船用主推缸内高压直喷LNG发动机燃料供给系统包括LNG潜液泵、LNG汽化器、高压天然气稳压罐和主推燃气电磁阀，所述船用发电辅机燃料供给系统包括天然气减压器、低压天然气稳压储气罐、辅机燃气电磁阀和泄压燃气管路；所述LNG罐用于储存液化天然气，上部设置有LNG加液口，所述的LNG压力传感器和LNG液位传感器设置在LNG罐的上部，所述LNG潜液泵设置在LNG罐内底部且潜液泵的输出口与LNG汽化器的输入口连通，所述LNG汽化器的输出口与高压天然气稳压罐的气体进口连通，所述高压天然气稳压罐的气体出口通过主推燃气电磁阀与船用主推缸内高压直喷LNG发动机的进气口连通；所述高压天然气稳压罐的气体出口还通过天然气减压器与低压天然气稳压储气罐的气体进口连通，所述低压天然气稳压储气罐的气体出口通过辅机燃气电磁阀与船用发电辅机的进气口连通，所述低压天然气稳压储气罐的气体进口还通过泄压燃气管路与LNG罐连通；所述泄压燃气管路中设置有并联连接的电控放气阀和机械泄压阀；所述的LNG压力传感器和LNG液位传感器分别与控制器的信号输入端连接，所述控制器的控制信号输出端分别与主推燃气电磁阀、辅机燃气电磁阀和电控放气阀连接。
优选地，所述LNG加液口与LNG罐之间设置有加液管路单向阀，所述天然气减压器与低压天然气稳压储气罐之间设置有低压管路单向阀，所述泄压燃气管路通过泄压单向阀与LNG罐连通。
优选地，所述泄压燃气管路靠近LNG罐处设置有放散阀。
优选地，所述控制器集成到发动机电控系统内。
本发明还提供了一种船用发动机燃料供给方法,利用上述所述的船用发动机燃料供给系统给船用发动机供给燃料，其特征是，包括以下过程：
启动LNG潜液泵将LNG罐内的LNG加压到设定压力输送给LNG汽化器，LNG汽化器经液体的燃料汽化为高压天然气后输送给高压天然气稳压罐，同时高压天然气稳压罐通过天然气减压器将高压天然气压力降低到常压后输送给低压天然气稳压储气罐为船用发电辅机提供辅机燃料；
打开主推燃气电磁阀并启动船用主推缸内高压直喷LNG发动机的高压天然气调压喷射控制模块，将LNG以高压状态喷入发动机气缸进行燃烧做功，同时，打开辅机燃气电磁阀将低压天然气喷入船用发电辅机的气缸进行燃烧做功；
LNG压力传感器和LNG液位传感器采集LNG罐内的LNG压力和LNG液位信息并发送给控制器进行实时监控LNG罐内的压力及液面高度；
如果LNG压力大于压力设定值则将LNG罐内的气态的天然气通过泄压燃气管路输送到低压天然气稳压储气罐作为船用发电辅机的辅机燃料；
如果LNG液位低于液位设定值则通过LNG加液口进行加注燃料。
本发明所述的船用发动机燃料供给方法还包括：在维护或检修LNG罐和燃料供给系统时打开放散阀进行放空罐内的燃料。
上述方法中，当LNG压力大于压力设定值时，控制器自动控制电控放气阀开启将LNG罐内的气态的天然气通过泄压燃气管路输送到低压天然气稳压储气罐。
上述方法中，当LNG压力大于压力设定值时，通过手动控制机械泄压阀将LNG罐内的气态的天然气通过泄压燃气管路输送到低压天然气稳压储气罐。
本发明的有益效果如下：本发明采用缸内高压直喷LNG发动机替代柴油发动机作为船用主推发动机，不仅减少了在船舶航行过程中由于船用发动机HC、CO、NOx及硫化物的排放导致对水系的污染，而且缸内高压直喷LNG发动机热效率高、扭矩大、响应性好；采用普通火花点火天然气发动机作为船用发电辅机，并通过天然气减压器将高压天然气稳压罐内的高压天然气转化为低压天然气输送给低压天然气稳压储气罐为船用发电辅机供给压力稳定的低压天然气，这样不仅可以与船用主推缸内高压直喷LNG发动机共用燃料，避免了需要同时储备两种燃料的繁琐，而且通过船用发电辅机燃料供给系统的泄压燃气管路，将由于LNG罐与外界换热而汽化的LNG供给船用发电辅机燃烧进行充分利用，减少了温室气体的排放，节约了能源。
本发明采用高压直喷LNG发动机和普通火花点火天然气发动机联合工作的方式，提高了船载LNG燃料的利用效率，节约了能源；由于LNG罐与外界换热而汽化的LNG通过泄压燃气管路输送到低压天然气稳压储气罐供给船用发电辅机燃烧利用，无需向空气中放散天然气，减少了温室气体的排放。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图中，101LNG罐、102LNG加液口、103加液管路单向阀、104LNG压力传感器、105LNG液位传感器、106放散阀、107泄压单向阀、108泄压燃气管路、109机械泄压阀、110电控放气阀、111低压天然气稳压储气罐、112辅机燃气电磁阀、113船用发电辅机、114低压管路单向阀、115控制器、116天然气减压器、117船用主推缸内高压直喷LNG发动机、118主推燃气电磁阀、119高压天然气稳压罐、120LNG汽化器、121LNG潜液泵。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
如图1所示，本发明的一种船用发动机燃料供给系统包括控制器115、LNG燃料储存系统、船用主推缸内高压直喷LNG发动机燃料供给系统和船用发电辅机燃料供给系统；所述船用发动机包括船用主推缸内高压直喷LNG发动机117和船用发电辅机113，所述船用发电辅机113为普通火花点火天然气发动机。
所述LNG燃料储存系统包括LNG罐101、LNG压力传感器104和LNG液位传感器105，用以储存LNG燃料，并保证燃料供给系统的安全性；所述船用主推缸内高压直喷LNG发动机燃料供给系统包括LNG潜液泵121、LNG汽化器120、高压天然气稳压罐119和主推燃气电磁阀118，用以为主推缸内高压直喷LNG发动机提供压力稳定的高压天然气；所述船用发电辅机燃料供给系统包括天然气减压器116、低压天然气稳压储气罐111、辅机燃气电磁阀112和泄压燃气管路108，用以为船用发电辅机供给压力稳定的低压天然气。
所述LNG罐101用于储存液化天然气，上部设置有LNG加液口102，所述LNG加液口102与LNG罐101之间设置有加液管路单向阀103，所述的LNG压力传感器104和LNG液位传感器105设置在LNG罐101的上部，所述LNG潜液泵121设置在LNG罐内底部且潜液泵的输出口与LNG汽化器120的输入口连通，所述LNG汽化器120的输出口与高压天然气稳压罐119的气体进口连通，所述高压天然气稳压罐119的气体出口通过主推燃气电磁阀118与船用主推缸内高压直喷LNG发动机117的进气口连通；所述高压天然气稳压罐119的气体出口还通过天然气减压器116与低压天然气稳压储气罐111的气体进口连通，用以将高压天然气稳压罐119内的高压天然气转化为低压天然气输送给低压天然气稳压储气罐111为船用发电辅机113供给压力稳定的低压天然气，这样可以与船用主推缸内高压直喷LNG发动机共用燃料，避免了需要同时储备两种燃料的繁琐；在天然气减压器与低压天然气稳压储气罐之间设置有低压管路单向阀114，所述低压天然气稳压储气罐111的气体出口通过辅机燃气电磁阀112与船用发电辅机113的进气口连通，所述低压天然气稳压储气罐111的气体进口还通过泄压燃气管路108与LNG罐101连通，所述泄压燃气管路118通过泄压单向阀107与LNG罐101连通，用以将由于LNG罐与外界换热而汽化的LNG供给船用发电辅机燃烧进行充分利用，减少了温室气体的排放，节约了能源；所述泄压燃气管路108中设置有并联连接的电控放气阀110和机械泄压阀109；所述的LNG压力传感器104和LNG液位传感器105分别与控制器115的信号输入端连接，所述控制器115的控制信号输出端分别与主推燃气电磁阀118、辅机燃气电磁阀112和电控放气阀110连接。
优选地，所述泄压燃气管路118靠近LNG罐处设置有放散阀106。
优选地，所述控制器115采用集成到发动机电控系统内的方式。
本发明的一种船用发动机燃料供给方法,利用上述所述船用发动机燃料供给系统给船用发动机供给燃料，它包括以下过程：
启动LNG潜液泵将LNG罐内的LNG加压到设定压力输送给LNG汽化器，LNG汽化器经液体的燃料汽化为高压天然气后输送给高压天然气稳压罐，同时高压天然气稳压罐通过天然气减压器将高压天然气压力降低到常压后输送给低压天然气稳压储气罐为船用发电辅机提供辅机燃料；
打开主推燃气电磁阀并启动船用主推缸内高压直喷LNG发动机的高压天然气调压喷射控制模块，将LNG以高压状态喷入发动机气缸进行燃烧做功，同时，打开辅机燃气电磁阀将低压天然气喷入船用发电辅机的气缸进行燃烧做功；
LNG压力传感器和LNG液位传感器采集LNG罐内的LNG压力和LNG液位信息并发送给控制器进行实时监控LNG罐内的压力及液面高度；
如果LNG压力大于压力设定值则控制器自动控制电控放气阀开启或者手动控制机械泄压阀将LNG罐内的气态的天然气通过泄压燃气管路输送到低压天然气稳压储气罐作为船用发电辅机的辅机燃料；
如果LNG液位低于液位设定值则通过LNG加液口进行加注燃料；
在维护或检修LNG罐和燃料供给系统时打开放散阀进行放空罐内的燃料。
下面结合图1来阐述本发明的工作原理。
如图1所示，LNG罐101的上部安装LNG加液口102，加液管路上设置加液管路单向阀103，用以将LNG由上部加入LNG罐，气相保持在LNG罐内的上部，防止加注LNG的过程中发生LNG“翻腾”现象。加注后的LNG储存在罐内，在LNG罐101的上部安装有LNG压力传感器104和LNG液位传感器105，用以将采集的LNG压力和LNG液位信息发送给控制器115进行实时监控LNG罐内的压力及液面高度，作为泄压和判断是否加注燃料的参数。LNG罐101的顶部安装放散阀106，在维护或检修LNG罐及燃料供给系统时用于放空罐内的燃料。
LNG罐101的底部安装了LNG潜液泵121，潜液泵将罐内的LNG加压到设定压力输送到LNG汽化器120，在LNG汽化器内液体的燃料被汽化为高压天然气进入高压天然气稳压罐119，然后经主推燃气电磁阀118进入船用主推LNG发动机117的高压天然气调压喷射控制模块，最终以高压状态喷入发动机气缸燃烧做功。
船舶在航行、维持过程中需要各种系统需要用电，船舶上配置天然气发电辅机，发电辅机使用常压天然气作为燃料。该燃料供给系统在高压天然气稳压罐119一端连接天然气减压器116将高压天然气压力降低到常压，经低压管路单向阀114进入低压天然气稳压储气罐111，作为辅机燃料为船用发电辅机113提供常压的天然气。
由于LNG罐101无法做到与外界完全绝热，存在一定的热交换，在存放和使用过程中存在罐内LNG的汽化，使罐内的气相压力升高，当气相压力身高到一定程度时电控放气阀110打开，气态的天然气进入低压天然气稳压储气罐111然后在进入船用发电辅机中燃烧做功，避免了向大气中放散天然气造成能源浪费及大气污染。在泄压燃气管路108中还安装机械泄压阀109，以保证安全泄压。
本发明所述的船用发动机燃料供给系统采用了高压直喷LNG发动机和普通火花点火天然气发动机联合工作的方式，并将由于LNG罐与外界换热而汽化的LNG供给船用发电辅机燃烧利用，无需向空气中放散天然气，节省了燃料，降低了甲烷的排放。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种船用发动机燃料供给系统，所述船用发动机包括船用主推缸内高压直喷LNG发动机和船用发电辅机，其特征是，包括控制器、LNG燃料储存系统、船用主推缸内高压直喷LNG发动机燃料供给系统和船用发电辅机燃料供给系统；所述船用发电辅机为普通火花点火天然气发动机；
所述LNG燃料储存系统包括LNG罐、LNG压力传感器和LNG液位传感器，所述船用主推缸内高压直喷LNG发动机燃料供给系统包括LNG潜液泵、LNG汽化器、高压天然气稳压罐和主推燃气电磁阀，所述船用发电辅机燃料供给系统包括天然气减压器、低压天然气稳压储气罐、辅机燃气电磁阀和泄压燃气管路；所述LNG罐用于储存液化天然气，上部设置有LNG加液口，所述的LNG压力传感器和LNG液位传感器设置在LNG罐的上部，所述LNG潜液泵设置在LNG罐内底部且潜液泵的输出口与LNG汽化器的输入口连通，所述LNG汽化器的输出口与高压天然气稳压罐的气体进口连通，所述高压天然气稳压罐的气体出口通过主推燃气电磁阀与船用主推缸内高压直喷LNG发动机的进气口连通；所述高压天然气稳压罐的气体出口还通过天然气减压器与低压天然气稳压储气罐的气体进口连通，所述低压天然气稳压储气罐的气体出口通过辅机燃气电磁阀与船用发电辅机的进气口连通，所述低压天然气稳压储气罐的气体进口还通过泄压燃气管路与LNG罐连通；所述泄压燃气管路中设置有并联连接的电控放气阀和机械泄压阀；所述的LNG压力传感器和LNG液位传感器分别与控制器的信号输入端连接，所述控制器的控制信号输出端分别与主推燃气电磁阀、辅机燃气电磁阀和电控放气阀连接。
2.根据权利要求1所述的一种船用发动机燃料供给系统，其特征是，所述LNG加液口与LNG罐之间设置有加液管路单向阀，所述天然气减压器与低压天然气稳压储气罐之间设置有低压管路单向阀，所述泄压燃气管路通过泄压单向阀与LNG罐连通。
3.根据权利要求1所述的一种船用发动机燃料供给系统，其特征是，所述泄压燃气管路靠近LNG罐处设置有放散阀。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种船用发动机燃料供给系统，其特征是，所述控制器集成到发动机电控系统内。
5.一种船用发动机燃料供给方法, 利用上述权利要求1-4任意一项所述的船用发动机燃料供给系统给船用发动机供给燃料，其特征是，包括以下过程：
启动LNG潜液泵将LNG罐内的LNG加压到设定压力输送给LNG汽化器，LNG汽化器经液体的燃料汽化为高压天然气后输送给高压天然气稳压罐，同时高压天然气稳压罐通过天然气减压器将高压天然气压力降低到常压后输送给低压天然气稳压储气罐为船用发电辅机提供辅机燃料；
打开主推燃气电磁阀并启动船用主推缸内高压直喷LNG发动机的高压天然气调压喷射控制模块，将LNG以高压状态喷入发动机气缸进行燃烧做功，同时，打开辅机燃气电磁阀将低压天然气喷入船用发电辅机的气缸进行燃烧做功；
LNG压力传感器和LNG液位传感器采集LNG罐内的LNG压力和LNG液位信息并发送给控制器进行实时监控LNG罐内的压力及液面高度；
如果LNG压力大于压力设定值则将LNG罐内的气态的天然气通过泄压燃气管路输送到低压天然气稳压储气罐作为船用发电辅机的辅机燃料；
如果LNG液位低于液位设定值则通过LNG加液口进行加注燃料。
6.根据权利要求5所述的一种船用发动机燃料供给方法，其特征是，还包括：在维护或检修LNG罐和燃料供给系统时打开放散阀进行放空罐内的燃料。
7.根据权利要求5或6所述的一种船用发动机燃料供给方法，其特征是，当LNG压力大于压力设定值时，控制器自动控制电控放气阀开启将LNG罐内的气态的天然气通过泄压燃气管路输送到低压天然气稳压储气罐。
8.根据权利要求5或6所述的一种船用发动机燃料供给方法，其特征是，当LNG压力大于压力设定值时，通过手动控制机械泄压阀将LNG罐内的气态的天然气通过泄压燃气管路输送到低压天然气稳压储气罐。
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