CN114046214A

CN114046214A - Lgip双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置及方法

Info

Publication number: CN114046214A
Application number: CN202111286218.4A
Authority: CN
Inventors: 杨耀; 刘平飞; 王子腾
Original assignee: CSSC MES Diesel Co Ltd
Current assignee: CSSC MES Diesel Co Ltd
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2022-02-15

Abstract

一种LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置及方法，所述装置包括LPG储罐、燃气压气机、LPG隔膜输送泵、水浴式电加热器、精密过滤器组件、汇集管、脉冲阻尼器、燃料供应阀组、水冷器和气液分离器，所述方法包含LPG燃料充装和LPG燃料供应两个过程，具体包括LPG燃料充装、供应、预热、精密过滤、计量调节和回油回收等主要步骤。本发明既实现了LPG燃料的安全充装储存，又为LGIP主机稳定供应LPG燃料，同时还实现了精确的燃料消耗计量，为LGIP主机运行过程中大范围调节负荷以适应船舶各种工况提供了条件，具有流程简单可靠、运行平稳安全、负荷精准调节及回油燃料可回收等优点。

Description

LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置及方法

技术领域

本发明涉及船用柴油机的燃料提供装置，特别涉及一种LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置及方法，属于柴油机技术领域。

背景技术

伴随传统化石燃料燃烧排放引起的各种环境污染问题的日益严重，世界各国对化石燃料的应用限制越来越严格。船舶作为化石能源的消耗大户，所排放的污染物也同样惊人。随着IMO组织的Tier III规范于2016年1月1日正式实行，船用柴油机对NOx和SOx污染物的排放要求更加严格。因此开发更为环保的船用发动机成为迫切任务，双燃料主机便在此背景下应用而生。双燃料主机是同时使用两种燃料的主机，既可以双燃料模式也可以纯柴油模式运行。双燃料主机的燃料通常包括：柴油-LPG、柴油-LNG、柴油-甲醇以及柴油-乙醇等类型。采用LPG、LNG、甲醇和乙醇等清洁燃料后，船用主机的SO_x、NO_x及CO₂排放量均有明显下降。以柴油-LPG为燃料的双燃料主机(LGIP双燃料船用柴油机)为例，SO_x排放量下降90-100％、NO_x排放量下降10-15％，CO₂排放量下降13-18％，由此可见双燃料主机将成为未来船用发动机的发展趋势之一。较之LNG、甲醇、乙醇等双燃料主机，LPG对温室气体CO₂的减排效应较甲醇、乙醇更为明显，同时储运难度较LNG低很多。

LPG全称Liquefied Petroleum Gas，中文名称为液化石油气，其成分以丙烷和丁烷为主。LPG是一种低温低压储存的燃料，存在吸热气化和易燃易爆等特性，储运过程极易发生事故。以柴油-LPG为双燃料的主机称为LGIP(Liquid gas injection LPG)双燃料船用柴油机，如何稳定、安全、可靠地为LGIP双燃料船用柴油机充装和供应液化天然气燃料成为迫切任务之一。

发明内容

本发明的内容的目的在于，提供一种LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置及方法，对LGIP主机实现LPG燃料的稳定输送，保障LGIP主机的稳定运行，能够大范围调节主机负荷，以适应船舶的各种工况，达到安全可靠、高燃油利用率和适应范围广的目的。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置，与LGIP主机连接，其特征在于：所述的充装和供应装置包括LPG储罐、燃气压气机、LPG隔膜输送泵、水浴式电加热器、精密过滤器组件、汇集管、脉冲阻尼器、燃料供应阀组、水冷器和气液分离器；

来自罐车的LPG管道与所述LPG储罐连接，该LPG储罐的气相出口与所述燃气压气机的进口连接，该燃气压气机的出口与所述罐车的进口连接，所述LPG储罐的供液口与所述LPG隔膜输送泵的进口连接，该LPG隔膜输送泵的出口分别与所述水浴式电加热器的进口和出口连接，该水浴式电加热器的出口还与所述精密过滤器组件的进口连接，该精密过滤器组件的两个出口分别连接所述汇集管，该汇集管的出口与所述燃料供应阀组的进口连接，该燃料供应阀组的出口与所述LGIP主机的进油管连接，该LGIP主机的回油管与所述水冷器的进口连接，该水冷器的出口与所述气液分离器的进口连接，该气液分离器的液相出口与所述LPG储罐的进口连接，所述LPG储罐、水浴式电加热器的出口、汇集管、循环水供水的进口及气液分离器的出口分别通过安全阀连接至火炬/烟囱。

进一步地，所述的燃料供应阀组用于LPG燃料的调节和计量以及主机和管路的吹扫置换，包括有调节阀、三个气动阀、深度过滤器、调节用质量流量计、氮气吹扫管线和氮气放空管线。

进一步地，所述的精密过滤器组件包括两个精密过滤器，该精密过滤器的过滤精度为10um。

进一步地，所述的燃气压气机为往复式压缩机。

进一步地，所述的脉冲阻尼器安装于所述汇集管上，起到缓冲作用，以抵消所述LPG隔膜输送泵和精密过滤器组件引起的脉冲现象。

进一步地，所述的LGIP主机的进油管上安装有主机进口质量流量计，回油管上安装有主机出口质量流量计，该主机进口质量流量计和主机出口质量流量计用于对所述LGIP主机的燃气消耗和负荷进行计量，并及时将参数传送至集控室。

本发明的另一技术方案为：

一种通过上述充装和供应装置实现的LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应方法，其包括以下步骤：

1)LPG燃料充装——来自罐车的LPG燃料利用该罐车的自身压力通过调节阀进入所述LPG储罐，对该LPG储罐进行充装，当所述LPG储罐与所述罐车的压力平衡时，开启所述燃气压气机，将所述LPG储罐中的气态LPG燃料经压缩后送回所述LPG罐车，以增加该LPG罐车的压力，保证所述LPG罐车与LPG储罐始终保持一定压差，从而实现LPG燃料的持续稳定充装；

2)LPG燃料供应——启动所述LGIP主机切入燃气模式，所述充装和供应装置进入燃料供应模式，开启所述LPG储罐的调节阀，LPG燃料进入所述LPG隔膜输送泵，经过该LPG隔膜输送泵增压后输出，实现LPG燃料的供应；

3)LPG燃料预热——增压后的LPG燃料进入所述水浴式电加热器，该水浴式电加热通过水浴对LPG燃料进行间接加热，以满足所述LGIP主机对LPG燃料的温度要求；

4)LPG燃料精密过滤——预热后的LPG燃料进入所述精密过滤器组件，进行微米级精密过滤，以去除LPG燃料中的杂质，过滤后的LPG燃料进入所述汇集管，利用所述脉冲阻尼器消除LPG燃料输送过程中的不稳定脉冲现象，确保LPG燃料的平稳供应；

5)LPG燃料的计量调节——经过滤后的LPG燃料进入所述燃料供应阀组，进行燃料的调节及计量；

6)LPG燃料的燃烧做功——经过所述燃料供应阀组的LPG燃料进入所述LGIP主机，大部分LPG燃料进入气缸燃烧做功，少部分LPG燃料通过所述回油管排出所述LGIP主机；

7)LGIP主机的回油回收——排出所述LGIP主机的回油经过所述水冷器冷却，将气态LPG燃料冷凝下来，再进入所述气液分离器，分离出的液态LPG燃料通过压差返回所述LPG储罐，完成LPG燃料的充分回收。

进一步地，所述的步骤3)中LPG燃料的预热温度≥30℃。

与现有技术相比，本发明实现了以下技术目的：

1、通过预热、过滤、脉冲阻尼消除、调节和计量等措施实现了LPG燃料稳定的输送，使得LGIP主机能够稳定运行，并可大范围调节主机负荷以适应船舶各种工况。

2、实现了LPG回油燃料的100％回收，提高了燃油利用效率。

3、通过完善的安全阀系统为整个充装和供应装置提供了安全保障。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的方法流程图。

图中标记说明：

NV101、NV102、NV103、NV104、NV105、NV106、NV107、NV201、NV202、NV203、NV206、NV207、NV301、NV302、NV303、NV304、NV305、NV306、NV401、NV402、NV403、NV601、NV602、NV603、NV604—调节阀；

PV201、PV202、PV401、PV402、PV403、PV404、PV405—气动阀；

PSV101、PSV201、PSV301、PSV601—安全阀；

LPG—液化石油气，CPG—压缩石油气，CWS—循环水供水，CWR—循环水回水，N2Purge—氮气吹扫管线，N2 VENT—氮气放空管线，FL—火炬/烟囱，C101—燃气压气机，V101—LPG储罐，P201—LPG隔膜输送泵，EE201—水浴式电加热器，FT201、FT301、FT302—精密过滤器，FT401—深度过滤器，PP301—汇集管，PD301、PD302—脉冲阻尼器，FVT—燃料供应阀组，FM401—调节用质量流量计，FM501—主机进口质量流量计，FM502—主机出口流量计，E601—水冷器，V601—气液分离器。

具体实施方式

本发明用于对LGIP双燃料船用柴油机进行液化天然气充装和供应。

请参阅图2，所述LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应方法包含以下两个过程：

LPG充装——

当系统LPG储量过低需要补充LPG燃料时，LPG充装可通过罐车完成，LPG通过软管快速接头与罐车LPG出口连接，同时罐车上方的气相管线与燃料气压气机连接。开始充装时罐车通过自身压差将LPG压入LPG储罐，随着充装的进行罐车压力逐渐与LPG储罐达到平衡，此时需要补充罐车压力，以使充装过程顺利完成，因此通过燃气压气机对LPG储罐内的气相燃气增压，然后打入罐车，以使罐车与LPG储罐始终保持一定压差。

LPG供应——

LGIP主机进入燃气模式时，系统需要对LGIP主机供应LPG燃料，LPG燃料通过LPG隔膜输送泵抽取后，送至水浴式电加热器预热后进入精密过滤器组件，过滤后的LPG进入燃料供应阀组，通过燃料供应阀组调节及计量后进入LGIP主机，LPG进入主机后部分燃料从回油管排出，进入回油回收装置，回收后的LPG返回至LPG储罐进行储存。

所述方法的具体步骤如下：

(1)LPG充装储存：当LPG储量过低时需进行LPG充装，充装通过可移动的罐车或其他固定储罐补充，LPG罐车出口管通过软管快速接头等与LPG储罐充装口连接，随后利用罐车的自身压力将LPG经过阀门压入LPG储罐；随着充装的进行，罐车压力逐渐下降并与LPG储罐达到平衡，此时开启燃气压气机，将LPG储罐内挥发的气相燃气经过抽取压缩后送入罐车，以增加罐车压力，保证罐车与LPG储罐始终保持一定压差，以确保LPG充装持续顺利稳定进行。

(2)LPG泵送：待LGIP主机切入燃气模式时，所述装置为LGIP主机供应LPG燃料，LPG储罐的供液口与LPG隔膜输送泵的进口连接，LPG燃料经过泵送增压输送至后续进行预热。

(3)LPG预热：由于LGIP主机和其他设备对LPG温度有一定要求，LPG需要预热至一定温度范围后才能进入LGIP主机中；本发明采用水浴式电加热器，LPG经过LPG隔膜输送泵送入水浴式电加热器，LPG在其中进行预热，以满足LGIP主机对LPG燃料的温度需求；水浴式加热增加了系统的安全性，电加热方式则是考虑船舶无法提供蒸汽等其他热源的现实条件。

(4)精密过滤：由于管路及相关设备运行时不可避免地会产生杂质，而LGIP主机中含有大量精密零配件，在燃料供应过程中携带的杂质会导致零配件故障的发生，因此在LPG进入LGIP主机前必须进行微米级精密过滤，精密过滤器采用一用一备设置；预热后的LPG在精密过滤器组件中进行过滤，之后进入体积较大的汇集管，汇集管上装有多组脉冲阻尼器，其目的是消除LPG隔膜输送泵及过滤器等器件在燃料输送过程中产生的不稳定脉冲现象，以确保LPG的供应平稳有序。

(5)燃料供应阀组：LPG燃料在进入LGIP主机前需要通过燃料供应阀组的计量调节，之后方可进入LGIP主机的进口；经过滤后的LPG进入燃料供应阀组，燃料供应阀组中包含一手动调节阀、一深度过滤器、一调节用质量流量计、三气动阀，另有两路氮气吹扫管线和一路氮气放空管线，氮气吹扫管线用于燃料进入LGIP主机前的管路吹扫置换，此外LGIP主机初始启动时还能够进行主机系统的吹扫置换或维修后进行气密检查。

(6)LGIP主机：经过燃料供应阀组后的LPG燃料经过主机进口质量流量计进入LGIP主机，大部分燃料进入气缸燃烧做功，LGIP主机内含有一路回油管，用于返回多余LPG燃料的回油，少部分燃料通过回油管排出LGIP主机，回油管出口处装有主机出口质量流量计，用于计量回油燃料量。

(7)回油回收：由于LPG回油温度较高，且存在气相组分，所以无法直接回收；由LGIP主机排出的回油燃料经过水冷器冷却，再进入气液分离器进行分离，分离出的液相燃料通过自身压差压回LPG储罐，完成LPG的充分回收。

(8)安全阀系统：LPG极易气化而造成系统超压，为了实现整个装置的安全平稳运行，装置中的LPG储罐、水浴式电加热器的出口、汇集管、循环水进口管及气液分离器上分别设有安全阀，以确保这些设备发生故障超压时能够及时自动泄放压力，从而防止事故的发生，保护整个装置。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步具体的详细说明，但不能因此而限制本发明要求保护的范围。

实施例

本实施例的设备按照图1所示的方式构建。

图示充装和供应装置包括LPG储罐V101、燃气压气机C101、LPG隔膜输送泵P201、水浴式电加热器EE201、精密过滤器FT201、FT301和FT302、汇集管PP301、脉冲阻尼器PD301和PD302、燃料供应阀组FVT、LGIP主机、水冷器E601、气液分离器V601等。

来自罐车的LPG管道与LPG充装管连接，LPG储罐V101的气相出口与燃气压气机C101进口连接，燃气压气机C101出口与罐车气相进口连接。

LPG储罐V101供液口与LPG隔膜输送泵P201进口连接，LPG隔膜输送泵P201出口分别与水浴式电加热器EE201的进、出口连接，水浴式电加热器EE201出口的另一端与精密过滤器组件进口连接，两精密过滤器FT301和FT302的出口分别连接至汇集管PP301上，汇集管PP301出口与燃料供应阀组FVT进口连接，燃料供应阀组FVT出口与LGIP主机的主机进口质量流量计FM501进口连接，主机进口质量流量计FM501的出口与LGIP主机的进油管连接，LGIP主机的回油管与主机出口流量计FM502的进口连接，主机出口流量计FM502的出口与水冷器E601进口连接，水冷器E601出口与气液分离器V601进口连接，气液分离器V601出口与LPG储罐的一进口连接。

LPG储罐V101的安全阀PSV101、水浴式电加热器EE201出口的安全阀PSV201、汇集管PP301的安全阀PSV301、循环水进口管的安全阀PSV601及气液分离器V601的安全阀PSV601等出口分别连接至火炬或烟囱FL进行无害化处理。

所述的燃气压气机C101为往复式压缩机。所述的LPG隔膜输送泵P201为隔膜泵。所述的精密过滤器FT201、FT301和FT302的过滤精度为10um。所述的水浴式电加热器EE201为水浴式电加热器。

本实施例实现液化天然气充装和供应的方法包括如下具体内容：

当LPG储罐V101液位低时，所述装置进入燃料充装模式。来自罐车的LPG燃料依靠罐车压力压入LPG储罐V101，依次经过调节阀NV01和NV02进入LPG储罐V101。随着LPG燃料充装的进行，罐车与LPG储罐V101的压力逐渐达到平衡，开启燃气压气机C101，将LPG储罐V101内挥发的气相燃气经过调节阀NV103吸入燃气压气机C101，增压后经过调节阀NV104送入罐车以增加罐车内压力，保证罐车与LPG储罐V101拥有足够压差，使得LPG能够持续顺畅充装完毕。

待到LGIP主机开车时，所述装置进入燃料供应模式。此时LPG燃料经过手动的调节阀NV105、NV201和泵入口的精密过滤器FT201送入LPG隔膜输送泵P201的进口，增压后的LPG经过出口处的调节阀NV202送入后续预加热装置，LPG隔膜输送泵P201的进出口循环副线根据需要进行开启，副线开度由调节阀NV203控制。

增压后的LPG经过调节阀NV204送入水浴式电加热器EE201，水浴式电加热器EE201通过水浴间接加热LPG。LPG预热温度要求≥30℃，可通过温度传感器调控气动阀PV202的开度实现控制预热后的LPG温度。预热后的LPG经过调节阀NV206送入后续精密过滤器组件。

精密过滤器组件含两组过滤器，精密过滤器FT301和FT302，两者互为备用。LPG进入精密过滤器组件时首先经过滤前的调节阀NV301，再进入精密过滤器FT301(过滤精度为10um)，LPG燃料出精密过滤器FT301后经过调节阀NV302进入汇集管PP301，汇集管PP301可以起到缓冲作用，抵消LPG隔膜输送泵P201和精密过滤器FT301和FT302带来的脉冲现象；为了进一步降低脉冲效应，汇集管PP301上安装了两组脉冲阻尼器PD301和PD302。

LPG燃料经过滤后进入燃料供应阀组FVT，首先经过5um过滤精度的深度过滤器FT401，随后经过调节用质量流量计FM401、气动阀PV401、气动阀PV402和气动阀PV403，进入LGIP主机模块。氮气吹扫管线N2 Purge用于开车前管道存在空气时吹扫置换管道，分为两路，一路经过调节阀NV403和气动阀PV405，主要用于燃料供应阀组FVT的管阀件的吹扫置换，另一路经过气动阀PV404，用于LGIP主机模块的吹扫置换及气密检查。氮气放空管线N2VENT通过调节阀NV403开启，用于泄放置换氮气。

LGIP主机模块包括主机进口流量计FM501、主机出口流量计FM502和LGIP主机，主机进口质量流量计FM501和主机出口流量计FM502用于LGIP主机燃气消耗以及负荷的计量，及时将主机负荷等参数传送至集控室。LPG回油经过主机出口流量计FM502后送至后续回油回收装置。

进入回油回收装置的高温燃料包含气态燃料，无法直接送入LPG储罐V101储存。可通过水冷器E601将气态燃料冷凝下来，再经过气液分离器V601分离后，冷凝的液态LPG通过压差经调节阀NV604和NV107压入LPG储罐V101。

LPG储罐V101、水浴式电加热器EE201、汇集管PP301、循环水供水CWS的进口管和气液分离器V601的气相管分别设有安全阀PSV101、PSV201、PSV301和PSV601及其副线，用于各设备事故超压状态的安全泄放，泄放气通过集气管送至火炬/烟囱FL进行无害化燃烧处理。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。但凡依本发明申请的内容所做的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims

1.一种LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置，与LGIP主机连接，其特征在于：所述的充装和供应装置包括LPG储罐、燃气压气机、LPG隔膜输送泵、水浴式电加热器、精密过滤器组件、汇集管、脉冲阻尼器、燃料供应阀组、水冷器和气液分离器；

2.根据权利要求1所述的LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置，其特征在于：所述的燃料供应阀组用于LPG燃料的调节和计量以及主机和管路的吹扫置换，包括有调节阀、三个气动阀、深度过滤器、调节用质量流量计、氮气吹扫管线和氮气放空管线。

3.根据权利要求1所述的LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置，其特征在于：所述的精密过滤器组件包括两个精密过滤器，该精密过滤器的过滤精度为10um。

4.根据权利要求1所述的LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置，其特征在于：所述的燃气压气机为往复式压缩机。

5.根据权利要求1所述的LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置，其特征在于：所述的脉冲阻尼器安装于所述汇集管上，起到缓冲作用，以抵消所述LPG隔膜输送泵和精密过滤器组件引起的脉冲现象。

6.根据权利要求1所述的LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应装置，其特征在于：所述的LGIP主机的进油管上安装有主机进口质量流量计，回油管上安装有主机出口质量流量计，该主机进口质量流量计和主机出口质量流量计用于对所述LGIP主机的燃气消耗和负荷进行计量，并及时将参数传送至集控室。

7.一种通过权利要求1所述充装和供应装置实现的LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应方法，其特征在于：所述的充装和供应方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的LGIP双燃料船用柴油机的液化天然气充装和供应方法，其特征在于：所述的步骤3)中LPG燃料的预热温度≥30℃。