CN112177806B - 气体燃料供应系统和用于操作气体燃料供应系统的方法 - Google Patents

气体燃料供应系统和用于操作气体燃料供应系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于将加压气体燃料供应至船舶的主发动机及供应至船舶的其他气体燃料消耗器的系统，系统包括：储存容器；高压低温泵单元；第一供应导管；高压汽化器，第一供应导管自高压低温泵单元的出口延伸并且穿过高压汽化器，以将高压液化气体燃料流输送通过汽化器，从而将高压液化气体燃料流转变成用于主发动机的高压气体燃料流；蒸发气体导管；第一热交换器；第二供应导管，其中蒸发气体导管穿过第一热交换器，以用于在第一热交换器中对蒸发气体流进行热交换，压缩机单元使蒸发气体流的压力增加以产生加压气体燃料流；再液化导管。本发明还涉及用于向船舶的主发动机供应高压气体燃料及向船舶的加压气体燃料消耗器供应加压气体燃料流的方法。

Description

气体燃料供应系统和用于操作气体燃料供应系统的方法
技术领域
本发明涉及用于向具有十字头的大型二冲程单流式扫气内燃发动机提供加压气体燃料的供应的气体燃料供应系统，并且涉及用于操作这种气体燃料供应系统的方法。
背景技术
具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机例如用于推进大型远洋船舶或者用作发电厂中的原动机。这些二冲程柴油发动机不仅由于尺寸庞大，而且其结构也不同于任何其他内燃发动机。
这些大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机越来越多地被供以气体燃料比方说例如液化天然气(LNG)或液化石油气LPG来代替常规液体燃料比方说例如船用柴油或重质燃料油。这种对气体燃料的改变主要是由减少排放物和提供更加环保的原动机的愿望所驱使的。
向气体燃料的发展已导致开发了两种不同类型的使用气体燃料作为主要燃料的大型二冲程涡轮增压内燃发动机。
第一种类型的发动机是直接喷射型发动机，在该直接喷射型发动机中，气体燃料在高压下围绕上死点(TDC)喷射，并且点火是由压缩(由压缩引起的高温)引起的，即，这些发动机根据柴油机循环来运行。气体燃料在被喷射到燃烧室中的那一刻被点火，并且不存在与由于低空气过量比引起的预点火或由于高空气过量比引起的打不着火有关的问题。与常规的液体燃料操作的大型二冲程涡轮增压内燃发动机相比，第一类型的气体燃料操作的大型二冲程涡轮增压内燃发动机的有效压缩比是相等高的或甚至更高。通常，这种类型的发动机的有效压缩比在约15至约17之间，而几何压缩比为约30。由于高压缩比，第一类型的发动机的优点是具有非常高的燃料效率。另一优点是与第二类型的发动机相比存在低得多的预点火和打不着火的风险。
然而，为了能够在TDC处或TDC附近喷射气体燃料，供应至将气体燃料喷射到燃烧室中的燃料阀的气体燃料的压力必须显著高于燃烧室中的压缩压力。实际上，气体燃料需要以至少250巴但优选地至少300巴的压力被喷射到燃烧中。泵或泵送站将液化的气体燃料的压力增加到例如300巴，并且随后，高压液化燃料在高压汽化单元中被汽化并且在高压下以气体形式被输送至主发动机的燃料喷射阀。与常规液体燃料的供应系统相比，该供应系统是昂贵的。
气体燃料比方说例如天然气与常规燃料相比具有非常低的能量密度。为了用作方便的能源，需要增加所述密度。这是通过使气体燃料冷却至低温温度来完成的，在天然气的示例中是通过产生液化天然气(LNG)来完成的。
用于这样的气体操作的发动机的气体燃料供应系统包括隔绝容器，在该隔绝容器中储存有液化气体，从而使液化气体在液体状态下保持更长的时间。然而，来自周围环境的热通量将会增加容器内部的温度，从而使液化气体汽化。来自该过程的气体被称为蒸发气体(BOG)。来自容器的蒸发引起气体燃料的基本上稳定的流动，该气体燃料需要从容器中被移除并且需要被处理。在180.0000m3的LNG油轮上，需要处理的BOG的量为几吨/小时，通常为约3000kg/小时，而这种类型的LNG油轮的主发动机的气体功率需求为约4000kg/小时(假设实践中主发动机的所有能源都是天然气)。
使用压缩机将这种蒸发气体的压力增加至约300巴的喷射压力在技术上是非常具有挑战性的，并且因此BOG不可以用作第一类型高压气体喷射大型二冲程涡轮增压内燃发动机的燃料。
使用压缩机，BOG可以增加至例如10巴-20巴的压力，这允许BOG用于可以用该压力对气体燃料进行操作的应用中，比方说例如用于通常与安装在船舶中的大型二冲程涡轮增压内燃发动机相关联的发电机组的应用中(发电机组是显著小于大型二冲程涡轮增压内燃发动机的四冲程内燃发动机，并且发电机组用于驱动发电机/交流发电机，以为船舶产生电能和热。
替代性地，蒸发气体可以在例如低温发生器中被再液化。然而，再液化需要昂贵的设备并且消耗大量的能量。
作为最后的应急方法，可以简单地烧掉蒸发气体。
WO2016058611A1公开了一种第一类型的大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机。
DK201670361A1公开了一种第一类型的大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机，以及一种用于将用于高压喷射的高压气体燃料输送到燃烧室中的气体供应系统。
第二类型的发动机是所谓的低压气体发动机，在该低压气体发动机中，气体燃料与扫气用空气混合，并且该第二类型的发动机对燃烧室中的气体燃料和扫气用空气的混合物进行压缩。在第二类型的发动机中，气体燃料由沿着气缸套的长度居中布置的燃料阀进入，即，在活塞的向上冲程期间在排气阀关闭之前开始进入。活塞对燃烧室中的气体燃料和扫气用空气的混合物进行压缩，并且通过定时点火装置比方说例如先导油喷射而在上死点(TDC)处或上死点附近对压缩的混合物进行点火。该第二类型的发动机的优点在于，由于当气体燃料进入时燃烧室中的压力相对较低，因此第二类型的发动机可以通过在例如约15巴的相对较低的压力下被供应的气体燃料运行。因此，第二类型的发动机可以利用通过使用压缩机站而增加压力的BOG来运行。因此，用于第二类型的发动机的气体供应系统可以比用于第一类型的发动机所需的气体供应系统便宜，特别是由于用于第一类型的发动机的气体供应系统需要能够处理由容器产生的BOG流，并且锅炉和发电机组仅可以处理该BOG流的一部分，并且因此需要在第一类型的发动机的气体燃料供应系统中安装相对昂贵的再液化系统并且对该再液化系统进行操作。
然而，由于第二类型的发动机对燃烧室中的混合物进行压缩，因此与第一类型的发动机相比，第二类型的发动机需要以显著较低的有效压缩比运行。通常，第一类型的发动机将以在约15至约17之间的有效压缩比运行，而第二类型的发动机将以约7至约9之间的有效压缩比运行，其中，第二类型的发动机的几何压缩比为约13.5。这种明显较低的几何确定的压缩比导致与第一类型的发动机相比的第二类型的发动机的显著更低的能量效率，并且还导致与第一类型的类似尺寸的发动机相比的第二类型的发动机的较低的最大持续额定值。
此外，第二类型的发动机通常需要预燃室和定时点火系统以提供可靠的点火。
第二类型的发动机的另一缺点是，在活塞的向上冲程期间需要非常精确地控制燃烧室中的空气过量比和整体温度，以避免由于(局部)过低的空气过量比和/或过高的整体温度而引起的预点火，并且以避免由于过高的空气过量比和/或过低的整体温度而引起的打不着火。产生均匀的混合物的适当混合对于避免燃烧室中可能导致预点火或打不着火的局部条件而言是至关重要的。对燃烧室中的这些条件进行控制在瞬时操作中是特别困难的。
KR20130051539公开了一种根据权利要求1的前序部分所述的发动机和一种根据权利要求6的前序部分所述的方法。
DK201770703公开了一种第二类型的大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机。
因此，需要一种大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机，其能够以气体燃料作为主要燃料来运行，以克服或至少减少以上所描述的第一类型的发动机和第二类型的发动机的缺点。
此外，需要一种用于将气体燃料供应至大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机中的气体供应系统，该气体供应系统在可以用于在大型二冲程涡轮增压单流式扫气内燃发动机中燃烧的压力下提供气体燃料，以克服或至少减少以上所描述的气体供应系统的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供克服或至少减少了上述问题的发动机和气体燃料供应系统以及方法。
前述目的及其他目的通过独立权利要求的特征实现。另外的实现方式从属权利要求、说明书和附图中变得明显。
根据第一方面，提供了一种用于将加压气体燃料供应至船舶的主发动机以及供应至船舶的其他气体燃料消耗器的系统，该系统包括：
储存容器，该储存在低温条件下储存液化气体燃料，
高压低温泵单元，其中，该高压低温泵单元具有连接至所述储存容器以用于向所述高压泵供给液化气体燃料的入口，
第一供应导管，该第一供应导管连接至高压低温泵单元的出口，
高压汽化器，
第一供应导管自高压低温泵单元的出口延伸并且穿过高压汽化器，以将高压液化气体燃料流输送通过汽化器，从而将高压液化气体燃料流转变成用于主发动机的高压气体燃料流，
蒸发气体导管，该蒸发气体导管将储存容器的蒸发气体出口连接至压缩机单元的入口，以用于将蒸发气体流输送至压缩机单元，
第一热交换器，
蒸发气体导管穿过第一热交换器，以用于在第一热交换器中对蒸发气体流进行热交换，
压缩机单元使蒸发气体流的压力增加以产生加压气体燃料流，
第二供应导管，该第二供应导管连接至压缩机单元的出口，以将加压气体燃料流的第一部分输送至一个或更多个加压气体燃料消耗器，以及
再液化导管，该再液化导管连接至压缩机单元的出口，该再液化导管用于使加压气体燃料流的第二部分穿过第一热交换器，而与流动通过第一热交换器的蒸发气体进行热交换，并且随后使加压气体燃料流的第二部分穿过汽化单元，而与流动通过汽化单元的高压液化或高压汽化的气体燃料流进行热交换。
通过用热交换器中的蒸发气体流和高压汽化器中的高压气体燃料流对来自压缩机的加压气体燃料流的一部分进行冷却，可以在不使用专用的复杂且昂贵的再液化设备的情况下将蒸发气体的一部分再液化，并且因此可以将此外将要处置的热能用于再液化过程。
在第一方面的可能的实现形式中，该系统包括节流装置例如膨胀阀，该节流装置位于再液化导管中且位于汽化单元下游，以用于使加压气体流的第二部分的流经受节流过程。通过使加压气体燃料流穿过节流装置，气体燃料的温度和压力显著下降，从而增加了再液化的部分。
在第一方面的可能的实现形式中，系统包括分离器皿，该分离器皿在高压汽化器的下游或在节流装置的下游连接至再液化导管，以用于收集由高压汽化器的冷却效应和/或节流过程产生的液化气体燃料，并且以用于将过量的气体燃料从再液化的气体燃料中分离出来。
在第一方面的可能的实现形式中，该系统包括再液化气体导管以及包括气体再循环导管，该再液化气体导管将分离器皿的液体出口连接至储存容器的入口，以用于将再液化的气体燃料输送至储存容器，该气体再循环导管将分离器皿的气体出口连接至蒸发气体导管。
在第一方面的可能的实现形式中，系统包括加热器，该加热器位于第一供应导管中且位于汽化单元下游，以用于在将高压气体燃料流供应至主发动机之前对高压气体燃料流进行加热。
在第一方面的可能的实现形式中，主发动机是加压气体燃料消耗器之一。
根据第二方面，提供了一种用于向船舶的主发动机供应高压气体燃料以及向船舶的加压气体燃料消耗器供应加压气体燃料流的方法，该方法包括：
将液化气体燃料储存在低温条件下，
将取自被储存的液化气体燃料的液化气体燃料流泵送至高压泵，以产生高压液化气体燃料流，
将高压液化气体燃料流汽化成气体燃料流，
向主发动机供应高压气体燃料流，
将来自被储存的液化气体燃料的蒸发气体流引导通过压缩机以产生加压气体燃料流，
向加压气体燃料消耗器供应来自压缩机的加压气体燃料流的第一部分，将来自压缩机的加压气体燃料流的第二部分引导至再液化导管，
将第二部分与蒸发气体流进行热交换，以及
随后，将第二部分与高压液化气体燃料流进行热交换。
根据第二方面的方法的优点与根据第一方面的系统的优点相同。
在第二方面的可能的实现形式中，该方法包括使第二部分的至少第三部分再液化并且向被储存的液化气体燃料供应所述第三部分。
在第二方面的可能的实现形式中，该方法包括将第二部分的其余气体部分添加至蒸发气体流。
在第二方面的可能的实现形式中，该方法包括使第二部分穿过节流装置。
这些方面及其他方面将从下面所描述的实施方式中变得明显。
附图说明
在本公开的以下详细部分中，将参照附图中示出的示例实施方式来对各方面、实施方式和实施方案进行更详细地说明，在附图中：
图1是根据示例实施方式的大型二冲程发动机的正视图，
图2是图1的大型二冲程发动机的侧视图，
图3是根据图1的大型二冲程发动机的第一示意图，
图4是图1的发动机的气缸框架和气缸套的截面图，其中该发动机具有配装至其的气缸盖和排气阀并具有示出为位于TDC和BDC两者中的活塞，
图5是示出了气体交换和燃料喷射循环的曲线图，
图6是根据一实施方式的气体燃料供应系统的示意图，
图7是根据另一实施方式的气体燃料供应系统的示意图，以及
图8是根据另一实施方式的气缸框架和气缸套的截面图。
具体实施方式
在以下详细描述中，将参照示例实施方式中的大型二冲程低速涡轮增压内燃十字头发动机来对内燃发动机进行描述。图1、图2和图3示出了具有曲轴8和十字头9的大型低速涡轮增压二冲程内燃发动机的实施方式。图1和图2分别是正视图和侧视图。图3是图1和图2的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机及其进气系统和排气系统的示意图。在该示例实施方式中，发动机具有成一排的四个气缸。大型低速涡轮增压二冲程内燃发动机通常具有由发动机框架11承载的成一排的介于四个与十四个之间的气缸。发动机可以例如用作船舶中的主发动机或者用作对发电站中的发电机进行操作的固定发动机。发动机的总输出可以例如在1,000kW至110,000kW的范围内。
发动机在以气态燃料作为主要燃料的运行模式下组合狄赛尔循环和奥托循环，这是因为发动机不仅被压缩点火，而且还对来自在活塞10的压缩冲程期间允许进入的第一量的加压气体燃料的空气-燃料混合物进行压缩。当在TDC处或TDC附近喷射第二量的高压气体燃料时，经压缩的空气-燃料混合物被点火。
发动机的另一运行模式可以根据柴油机循环运行，其中，在压缩冲程期间没有燃料被允许进入，并且所有燃料都在TDC处或TDC附近喷射，该模式也可以将气体燃料作为主要燃料。在又一操作模式中，发动机可以根据奥托循环运行，其中，所有气体燃料都与扫气用空气混合，并且空气-燃料混合物在压缩冲程期间被压缩，并且定时点火在TDC处或TDC附近被提供。
在该示例实施方式中，发动机是在气缸套1的下部区域中具有扫气端口18和在气缸套1的顶部处具有中央排气阀4的二冲程单流扫气型发动机。因此，燃烧室由气缸套1、布置成在气缸套中且在下死点(BDC)与上死点(TDC)之间往复运动的活塞10、以及气缸盖(22)限界。
当活塞10位于扫气端口18下方时，扫气用空气从扫气用空气接收器2穿过各个气缸1的下端部处的扫气端口18。当活塞处于其向上运动时并且在活塞经过燃料阀30之前，气体燃料在电子控制器60的控制下被允许从气体燃料进入阀30进入。燃料阀30优选地围绕气缸套的周向均匀地分布，并且燃料阀30被安置在气缸套1的长度的中央区域中的某处。因此，当压缩压力相对较低时，即，远低于活塞10到达TDC时的压缩压力时，发生气体燃料的进入。
气缸套1中的活塞10对注入的气体燃料和扫气用空气进行压缩，并且在TDC处或TDC附近通过燃料喷射阀50喷射高压气体燃料。根据柴油机原理，点火由燃烧室中或TDC附近的高压引起的高温触发，可能地由第三少量的先导油(或任何其他合适的点火液体)辅助，该先导油由燃料喷射阀与气体燃料一起喷射或者由优选地布置在气缸盖22中的专用先导油燃料阀51(未示出)输送。
“在TDC处或TDC附近”是指包括气体燃料的喷射的范围，该气体燃料的喷射最早在活塞在TDC之前约15度时开始并且最迟在TDC之后约40度时结束。
随后燃烧并产生废气。代替先导油燃料阀50或除先导油燃料阀50之外，点火系统的替代形式比方说例如预燃室(未示出)、激光点火(未示出)或电热塞(未示出)也可以用于启动点火。
当排气阀4打开时，废气通过与气缸1相关联的排气管道流动到废气接收器3中，并且向前流动通过第一排气导管19到达涡轮增压器5的涡轮6，废气从涡轮6通过第二排气导管经由节能器20流出至出口21并流动到大气中。涡轮6通过轴对经由空气入口12被供应新鲜空气的压缩机7进行驱动。压缩机7将加压的扫气用空气输送至通向扫气用空气接收器2的扫气用空气导管13。导管13中的扫气用空气经过中间冷却器14，以用于对扫气用空气进行冷却。
经冷却的扫气用空气经过由电动马达17驱动的辅助鼓风机16，该辅助鼓风机16在涡轮增压器5的压缩机7没有为扫气用空气接收器2输送足够的压力时，即，在发动机的低负荷或部分负荷条件下，对该扫气用空气流进行加压。在较高的发动机负荷下，涡轮增压器压缩机7输送足够的被压缩的扫气用空气，并且然后辅助鼓风机16通过止回阀15被绕过。
图3示出了控制器60，比方说例如电子控制单元，该控制器60经由信号线或其他通信通道连接至给控制器提供有关发动机的运行条件的信息的传感器、并且连接至由控制器60控制的发动机部件。传感器中的一个传感器以曲柄角传感器的形式示出，该曲柄角传感器向控制器60通知曲轴8的旋转角。控制器60控制燃料进入阀30、燃料喷射阀50和排气阀4的操作。
控制器60连接至燃料进入阀30和燃料喷射阀50并且对燃料进入阀30和燃料喷射阀50进行控制，并且控制器60构造成在活塞10从BDC至TDC的冲程期间对燃料进入阀30进行操作以允许第一量的气体燃料从第二加压气体燃料源40进入燃烧室，并且在活塞10在TDC处或TDC附近时对燃料喷射阀50进行操作以将第二量的气体燃料从第一加压气体燃料源35喷射到至少一个燃烧室中。
图4示出了通常指定用于大型二冲程十字头发动机的气缸套1。根据发动机尺寸，气缸套1可以以不同的尺寸制造，其中，气缸腔孔通常在250mm至1000mm的范围内，并且对应的典型长度在1000mm至4500mm的范围内。
在图4中，气缸套1示出为安装在气缸框架23中，其中，气缸盖22安置在气缸套1的顶部，气密性接口位于气缸盖22与气缸套1之间。
在图4中，活塞10在下死点(BDC)和上死点(TDC)中均以虚线示意性地示出，但是当然清楚的是，这两个位置不是同时出现的，而是由曲轴8的180度旋转分开的。气缸套1设置有气缸润滑孔25和气缸润滑管线24，该气缸润滑管线24在活塞10经过润滑管线24时提供气缸润滑油的供应，接下来的活塞环(未示出)将气缸润滑油分布在气缸套1的运行表面上。
燃料喷射阀50(通常两个或三个燃料喷射阀50围绕每个气缸的排气阀4周向地分布)安装在气缸盖22中，并且燃料喷射阀50经由第一供应导管36连接至第一高压气体燃料源35并且经由先导管线28连接至先导油源27。
第三量的点火液体形成小于在给定的发动机循环期间输送至燃烧室的所有燃料的热值的5％、优选地小于3％。
燃料喷射阀50可以是在DK178519B1中公开的类型，该燃料喷射阀50能够将大量的高压气体燃料与少量的先导油一起喷射到燃烧室中。
由燃料喷射阀50喷射高压气体燃料和先导油的定时由电子控制单元60控制，该电子控制单元60通过信号线连接至燃料喷射阀50，该信号线在图3中由通向控制器60的中断线示意性地指示。
燃料进入阀30安装在气缸套1中，其中，该燃料进入阀30的喷嘴/进入开口与气缸套1的内表面大致齐平，并且其中，燃料阀30的后端部从气缸套1的外壁突出。通常，在每个气缸套1中设置有围绕气缸套1周向地分布的一个或两个但可能多达三个或四个的燃料进入阀30。在实施方式中，燃料进入阀30沿着气缸套1的长度基本上布置在中间。
由燃料进入阀30进入的中压气体燃料的定时由电子控制单元60控制，在实施方式中，该电子控制单元60通过图3中示意性地示出的信号线连接至燃料进入阀30。
发动机构造成允许第一量的加压气体燃料进入并且构造成在单个发动机循环内喷射第二量的高压气体燃料，即，在允许第一量的加压气体燃料进入之后在活塞到达TDC的第一时刻喷射第二量的高压气体燃料。
此外，图4以示意性且简化的方式示出了发动机的气体供应系统，其中，第一高压气体燃料源35经由第一供应导管36连接至气缸盖22中的燃料喷射阀50中的每个燃料喷射阀50，并且第二中压气体燃料源40经由燃料供应导管41连接至气体燃料阀30中的每个气体燃料阀30的入口。
在一实施方式中，第一高压气体燃料源35的高压P1可以为约15MPa至45MPa(150巴至450巴)，从而允许气体燃料克服峰值压缩压力并且在TDC处或TDC附近被喷射。
在实施方式中，第二高压气体燃料源35的中压P2可以为约1MPa至3MPa(10巴至30巴)，从而允许气体燃料在压缩冲程期间被允许进入。
图5是示出了扫气端口18、排气阀4、燃料进入阀30(GA燃料阀)和燃料喷射阀50(Gi燃料阀)的分别随着曲柄角(曲轴8的角度)变化的打开和关闭周期的曲线图。该图示出了用于允许气体燃料进入的窗口相对较短，从而允许气体燃料与燃烧室中的扫气用空气混合的时间非常短。气体燃料被允许进入该非常短的窗口中。高压气体燃料被喷射在TDC周围的窗口中。
每个发动机循环输送(允许进入和喷射)的气体燃料的总量由发动机负荷决定。所输送的气体燃料的总量是在压力P2下允许进入气缸的第一量的气体燃料和在压力P1下喷射到气缸中的第二量的高压气体燃料的组合。在实施方式中，输送至气缸的气体燃料的热值的达约70％或约80％是来自第二加压气体燃料源40的在压力P2处允许进入的气体燃料。在实施方式中，输送至气缸的气体燃料的热值的达约70％或约80％是来自第一高压气体燃料源35的在压力P1处喷射的气体燃料。
因此，第一气体燃料量与第二气体燃料量之间的比率可以被调节以匹配能够从相应的气体燃料源获得的燃料量，即，如果相对较少的高压燃料能够从第一高压气体源35获得，则发动机可以在压缩冲程期间从第二加压气体燃料源40进入气缸的相对大量的中压气体燃料的情况下运行以及在TDC处或TDC附近喷射的相对少量的高压气体燃料的情况下运行。另一方面，如果相对较少的中压气体燃料能够从第二加压气体燃料源40获得，则发动机可以在来自在TDC处或TDC附近喷射到气缸中的第一高压气体燃料源35的相对大量的高压气体燃料的情况下运行以及在来自在压缩冲程期间进入气缸的第二加压气体燃料源40的相对少量的燃料的情况下运行。
图6是气体供应系统的示意图，该气体供应系统可以用于将气体燃料供应至大型的二冲程涡轮增压内燃发动机，例如图1至图4中示出的发动机。在实施方式中，气体供应系统安装在液化气船中，即，对大量液化气体燃料比方说例如液化天然气(LNG)或液化石油气(LPG)进行输送的船舶中。
气体供应系统构造成将加压气体燃料供应至船舶的主发动机和船舶的其他气体燃料消耗器，所述其他气体燃料消耗器比方说例如尤其是当主发动机停止运行时(例如，当船舶在港口中用于转移货物时)用于为船舶产生热和电功率的发电机组(发电机组通常是显著小于主发动机并驱动发电机/交流发电机的四冲程内燃发动机)、或者以气体燃料操作的锅炉。
气体供应系统还构造成将高压气体燃料供应至主发动机，以用于在TDC处或TDC附近喷射气体燃料。
因此，气体供应系统包括以附图标记40表示的第二加压气体燃料源(在图6中由中断的矩形指示)，以用于在压力P2(例如10巴至30巴)下提供气体燃料。气体供应系统还包括以附图标记35表示的第一高压气体燃料源(在图6中由另一中断的矩形指示)，第一高压气体燃料源用于在高压P1(例如，在150巴至450巴之间)处提供气体燃料。
气体燃料供应系统包括用于在低温条件下储存液化气体燃料的一个或更多个(绝缘的)储存容器26并包括高压低温泵单元37。高压低温泵单元37的入口连接至储存容器26，以用于向高压泵37供给液化气体燃料。通向高压低温泵的低温液化气体燃料流通常将具有略高于零巴至10巴之间的压力例如约5巴，并且具有例如约110K的温度。
第一供应导管36连接至高压低温泵单元37的出口，并且将来自高压泵37的高压液化气体燃料流输送通过高压汽化器38，并且来自高压汽化器的高压(已汽化的)气体燃料流穿过加热器39，并且此后被输送至主发动机的高压燃料喷射系统。在加热器39中对高压气体燃料流进行加热的步骤是可选的，并且可能需要确保输送至主发动机的喷射系统的气体燃料足够暖，以由喷射系统处理(这取决于所使用的材料和喷射系统的构造，因为通常这样的喷射系统不适于处理低温温度，并且因此通常需要高压气体燃料流的温度升高)。
离开高压低温泵单元37的高压液化燃料流通常将具有介于150巴至450巴之间例如350巴的压力并具有例如约119K的温度。离开高压汽化器38的高压(已汽化的)气体燃料流通常具有介于150巴至450巴之间例如350巴的压力并具有例如约154K的温度。在通过加热器39之后，高压气体燃料流的温度具有基本上不变的压力并具有例如约318K的温度。
因此，在实施方式中，高压液化气体燃料流具有高于150巴的压力，并且穿过高压汽化器38，以用于将高压液化气体燃料流转化成高压气体燃料流以喷射到主发动机中。
蒸发气体导管42将储存容器26的蒸发气体出口连接至压缩机单元48的入口，以用于将蒸发气体流输送至压缩机单元48。第一热交换器43布置在蒸发气体导管42中，以增加通向压缩机单元48的蒸发气体流的温度。在示例中，蒸发气体导管42中的蒸发气体的压力为约1巴并且具有例如约140K的温度。在穿过热交换器43之后，温度例如增加至约230K。
压缩机单元48使蒸发气体流的压力增加以在其出口处产生具有例如约15巴的压力和例如约318K的温度的加压气体燃料流。在实施方式中，压缩机单元48可以是单级压缩机或(如示出的)多级压缩机单元，并且压缩机单元48包括在每个级之后的冷却器45。
第二供应导管41连接至压缩机单元48的出口，以将加压气体燃料流的第一部分输送至一个或更多个加压气体燃料消耗器，比方说例如输送至主发动机以用于在压缩冲程期间允许加压气体燃料进入，或者输送至发电机组或者经由发电机组供应导管47输送至锅炉。
再液化导管46也连接至压缩机单元48的出口，并且再液化导管46将加压气体燃料流的第二部分输送通过热交换器43，而与流动通过热交换器43的蒸发气体进行热交换，并且随后使加压气体燃料流穿过高压汽化单元38而与流动通过高压汽化单元38的高压液化或高压汽化的气体燃料流进行热交换。在使加压气体燃料流穿过热交换器43之后，加压气体燃料流具有例如159K的温度和约15巴的基本上不变的压力。在将加压气体燃料流压过高压汽化器38之后，在该高压汽化器38处，加压气体燃料流被正在汽化的高压气体燃料流冷却，加压气体燃料流具有例如122K的温度和约15巴的基本上不变的压力，并且再液化导管46中的大部分加压气体燃料流已经被再液化。
在高压汽化器38的下游，再液化导管46连接至分离器皿32，该分离器皿32用于收集由高压汽化器38的冷却效应产生的液化气体燃料。分离器皿32将再液化气体燃料与仍然是气体的气体燃料分离。再液化气体导管33将分离器皿32的液体出口连接至储存容器26的入口，以用于将再液化气体燃料输送至储存容器26。气体再循环导管34将分离器皿32的气体出口连接至蒸发气体导管42，使得其余的气体燃料可以参与另一液化循环。
图7示出了与根据图6的实施方式的气体供应系统基本上相同的气体燃料供应系统的另一实施方式。在图7的实施方式中，为简单起见，与本文先前描述或示出的对应结构和特征相同或相似的结构和特征由与先前使用的相同的附图标记表示。
在该实施方式中，在汽化单元38与分离器皿32之间的再液化导管46中添加了节流装置29例如膨胀阀29，以用于使加压气体流的第二部分经受节流过程。
节流装置29在实施方式中是膨胀阀29。节流装置29提供附加的冷却效应，即，焦耳-汤姆逊效应(也称为焦耳-开尔文效应，开尔文-焦耳效应)。焦耳-汤姆逊效应描述了当迫使真实气体或液体(与理想气体不同)通过阀或多孔塞同时保持其隔绝使得与环境没有热交换时，真实气体或液体的温度变化。该过程称为节流过程或焦耳-汤姆森过程。气体燃料比方说例如天然气或石油气在通过孔口被节流时在通过焦耳-汤姆森过程膨胀时冷却。气体冷却节流过程通常用于制冷过程中比如用于空气调节器、热泵和液化器中。
气体燃料供应系统中的蒸发气体的液化类似于通常用于气体的液化的汉普森-林德循环。汉普森-林德循环依赖于焦耳-汤姆森效应并且具有以下步骤：
1)加热——通过在压缩机单元46中对气体进行压缩——将外部能量添加到加压气体燃料中，以给予加压气体燃料用于运行通过循环所需的能量，
2)用来自热交换器43中的下一级(及最后一级)的返回气体进行冷却，
3)冷却——通过将气体浸入较冷的环境中，在高压汽化器38中损失其部分热(及能量)，
4)通过使气体穿过焦耳-汤姆森孔口，除去热量来进行进一步冷却，但保留现在是势能而非动能的能量。
大多数气体燃料现在被再液化，并且在当前循环中现在处于最低温度的其余气体燃料被再循环并被送回至压缩机单元46，并且该其余气体燃料在作为冷却剂参与在热交换器43中时被加热，并且被送回至第一级，以开始下一循环，并且通过在压缩机单元46中的压缩而被再加热。
气体供应系统可以相对简单，该气体供应系统具有压缩机和高压汽化系统，其中，该压缩机提供约10巴至20巴的压力并且可以对由储存容器产生的所有蒸发气体进行处理，该高压汽化系统在最大发动机负荷下提供发动机所需的燃料总量的30％至50％。
气体供应系统具有固有的冗余性并且通过避免使用冗余的单独系统来节省成本。
图8示出了与根据图1至图4的实施方式的气体供应系统基本上相同的大型二冲程涡轮增压内燃发动机的另一实施方式。在图8的实施方式中，为简单起见，与本文先前描述或示出的对应结构和特征相同或相似的结构和特征由与先前使用的相同的附图标记表示。该实施方式相对于图1至图4的实施方式的主要区别在于：气体燃料进入阀30被安置在气缸盖22中。该实施方式允许所有燃料阀30、50位于气缸盖22中。
已经结合本文中的各个实施方式对各个方面和实施方案进行了描述。然而，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，通过研究附图、本公开内容和所附权利要求可以理解和实现所公开的实施方式的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一种”不排除多个。单个处理器、控制器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求中使用的附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (10)

1.一种用于将加压气体燃料供应至船舶的主发动机以及供应至所述船舶的其他气体燃料消耗器的系统，所述系统包括：
储存容器(26)，所述储存容器(26)在低温条件下储存液化气体燃料，
高压低温泵单元(37)，所述高压低温泵单元(37)具有连接至所述储存容器(26)以用于向所述高压低温泵单元(37)供给液化气体燃料的入口，
第一供应导管(36)，所述第一供应导管(36)连接至所述高压低温泵单元(37)的出口，
高压汽化器(38)，
所述第一供应导管自所述高压低温泵单元(37)的出口延伸并且穿过所述高压汽化器(38)以将高压液化气体燃料流输送通过所述高压汽化器(38)，从而将所述高压液化气体燃料流转变成用于所述主发动机的高压气体燃料流，
蒸发气体导管(42)，所述蒸发气体导管(42)将所述储存容器(26)的蒸发气体出口连接至压缩机单元(48)的入口，从而将蒸发气体流输送至所述压缩机单元(48)，所述压缩机单元(48)是多级压缩机单元，其包括在每个级之后的冷却器(45)，
第一热交换器(43)，
第二供应导管(41)，所述第二供应导管(41)连接至所述压缩机单元(48)的出口，以将加压气体燃料流的第一部分输送至一个或更多个加压气体燃料消耗器，以及
所述蒸发气体导管(42)穿过所述第一热交换器(43)，以用于在所述第一热交换器(43)中对所述蒸发气体流进行热交换，
所述压缩机单元(48)使所述蒸发气体流的压力增加以产生加压气体燃料流，
再液化导管(46)，所述再液化导管(46)连接至所述压缩机单元(48)的所述出口，所述再液化导管(46)用于使所述加压气体燃料流的第二部分穿过所述第一热交换器(43)而与流动通过所述第一热交换器(43)的蒸发气体进行热交换，并且随后使所述加压气体燃料流的第二部分穿过所述高压汽化器(38)而与流动通过所述高压汽化器(38)的所述高压液化气体燃料流或所述高压汽化气体燃料流进行热交换，以及
分离器皿(32)，所述分离器皿(32)在所述高压汽化器(38)的下游连接至所述再液化导管(46)，以用于收集由所述高压汽化器(38)的冷却效应产生的液化气体燃料，以及用于将过量的气体燃料从再液化气体燃料中分离出来。
2.根据权利要求1所述的系统，包括节流装置(29)，所述节流装置(29)位于所述再液化导管(46)中且位于所述高压汽化器(38)下游，以用于使所述加压气体燃料流的流经受节流过程。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述分离器皿(32)布置在所述节流装置(29)的下游。
4.根据权利要求3所述的系统，包括再液化气体导管(33)并且包括气体再循环导管(34)，所述再液化气体导管(33)将所述分离器皿(32)的液体出口连接至所述储存容器(26)的入口，以用于将再液化气体燃料输送至所述储存容器(26)，所述气体再循环导管(34)将所述分离器皿(32)的气体出口连接至所述蒸发气体导管(42)。
5.根据权利要求1所述的系统，包括加热器(39)，所述加热器(39)位于所述第一供应导管(36)中且位于所述高压汽化器(38)下游，以用于在将所述高压气体燃料流供应至所述主发动机之前对所述高压气体燃料流进行加热。
6.一种用于向船舶的主发动机供应高压气体燃料以及向所述船舶的加压气体燃料消耗器供应加压气体燃料流的方法，所述方法包括：
将液化气体燃料储存在低温条件下，
将取自被储存的所述液化气体燃料的液化气体燃料流泵送至高压低温泵单元(37)，以产生高压液化气体燃料流，
将高压汽化器(38)中的所述高压液化气体燃料流汽化成气体燃料流，
向所述主发动机供应所述高压气体燃料流，
将来自被储存的所述液化气体燃料的蒸发气体流从被储存的所述液化气体燃料引导通过第一热交换器(43)至压缩机单元(48)以产生加压气体燃料流，所述压缩机单元(48)是多级压缩机单元，其包括在每个级之后的冷却器(45)，
在所述多级压缩机单元的在每个级之后的冷却器(45)中冷却所述蒸发气体流，
向所述加压气体燃料消耗器供应来自所述压缩机单元(48)的所述加压气体燃料流的第一部分，
将来自所述压缩机单元(48)的所述加压气体燃料流的第二部分引导至再液化导管(46)，
在所述第一热交换器(43)中将所述第二部分与所述蒸发气体流进行热交换，以及
随后，将所述第二部分与所述高压汽化器(38)中的所述高压液化气体燃料流进行热交换，
随后，将具有所述蒸发气体流的所述第二部分引导至与所述高压汽化器(38)的下游的所述再液化导管(46)连接的分离器皿(32)，以用于收集由所述高压汽化器(38)的冷却效应产生的液化气体燃料，以及用于将过量的气体燃料从再液化气体燃料中分离出来，以及
将分离的所述过量的气体燃料添加至来自被储存的所述液化气体燃料的所述蒸发气体流。
7.根据权利要求6所述的方法，包括使所述第二部分的至少第三部分再液化。
8.根据权利要求7所述的方法，包括将所述第三部分添加至被储存的所述液化气体燃料。
9.根据权利要求7或8所述的方法，包括将所述第二部分的其余气体部分添加至所述蒸发气体流。
10.根据权利要求6所述的方法，包括使所述第二部分穿过节流装置(29)。
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