CN204175427U - 一种甲醇基燃料高压供料设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种甲醇基燃料高压供料设备，包括分别设有醇、水和二甲醚的甲醇罐、水罐以及二甲醚罐，甲醇罐和水罐均连接有预增压系统，二甲醚罐连接有混合计量系统，预增压系统与混合计量系统相连接，混合计量系统依次与增压系统和发动机相连接，并且增压系统和预增压系统均连接有压缩空气装置。本实用新型的有益效果为：实现了不同比例的甲醇，二甲醚和水的混合，并且实现了可在线调控；实现高压100MPa下不同压力的供料需求，同时实现在一定范围内流量可调，提高了甲醇基燃料的可利用率；供料系统输出压力范围广，可直接进入内燃机等能耗设备，无需减压，降低能耗；实现自冷却，独立运行，杜绝污染源，实现长时间安全稳定可靠运行。

Description

一种甲醇基燃料高压供料设备

技术领域

本实用新型涉及一种甲醇基燃料高压供料设备。

背景技术

随着经济的飞速发展，环境污染的程度日益加重，使得人们越来越重视对于环境的保护，针对日益严峻的能源供应和环境保护双重压力，国内外正在积极研究新的清洁能源，甲醇基燃料作为内燃机（柴油机）清洁的代用燃料，显示了其巨大的发展潜力；目前国内外正在积极的研究甲醇基燃料的燃烧性能及排放，并取得了重大成果；但和研究配套的供料设备，仍然处在传统阶段。

现有甲醇基燃料供料系统存在的问题和缺陷：

1）功能单一，操作复杂，体积重量大，自动化程度低；

2）甲醇基燃料的各成分混合时使用电子称，比例不精确，无法在线可调；

3）直接由电动机驱动，循环速度不可调，流量不可变，不能灵活用于多种压力供料；

4）进口压力范围窄，当进口压力较高一般需要减压装置减压工作，或者是采用溢流阀，浪费能量，属于盲加，安全系数不高；

5）需要额外配备电力和冷却设备辅助，成本高，容易造成污染；

6）目前无100MPa高压供料系统。

以上问题存在的主要原因在于电动泵技术的局限性以及国内在此领域的投入和研究相对过少，对多功能、自动化系统、环保型产品的重视程度不够高。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种甲醇基燃料高压供料设备，能够满足甲醇在不同比例、不同压力等级下的供料要求，特别是实现100Mpa稳定供料，同时兼容系统控制、安全监控报警的多项技术要求，有效克服目前现有技术存在的上述不足。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现：

一种甲醇基燃料高压供料设备，包括分别设有醇、水和二甲醚的甲醇罐、水罐以及二甲醚罐，所述甲醇罐和水罐均连接有预增压系统，所述二甲醚罐连接有混合计量系统，所述预增压系统与所述混合计量系统相连接，所述混合计量系统依次与增压系统和发动机相连接，并且，所述增压系统和预增压系统均连接有压缩空气装置。 

进一步的，所述混合计量系统包括混合器，所述混合器连接有相并联的开关阀一、开关阀二和开关阀三，所述开关阀一、开关阀二以及开关阀三分别通过流量控制器一、流量控制器二以及流量控制器三连接水罐、甲醇罐以及二甲醚罐。

进一步的，所述流量控制器一、流量控制器二以及流量控制器三均包括流量计、流量控制阀以及比例/积分/微分PID反馈装置。

进一步的，所述增压系统包括增压泵，所述增压泵连接有经混合器混合后的燃料，并且所述增压泵连接发动机，所述发动机通过背压阀连接混合燃料回流装置。

进一步的，所述增压泵与发动机之间并联连接有安全阀和缓冲罐。

进一步的，所述增压泵为气动增压泵。

进一步的，所述发动机与增压系统之间设有自动冷却装置。

本实用新型的有益效果为：增加了质量流量控制器，实现了不同比例的甲醇，二甲醚和水的混合，并且实现了可在线调控；实现高压100MPa下不同压力的供料需求，同时实现在一定范围内流量可调，提高了甲醇基燃料的可利用率；供料系统输出压力范围广，可直接进入内燃机等能耗设备，无需减压，降低能耗；实现自冷却，独立运行，杜绝污染源，实现长时间安全稳定可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的一种甲醇基燃料高压供料设备的流程示意图；

图2是根据本实用新型实施例的一种甲醇基燃料高压供料设备的混合计量系统的流程示意图；

图3是根据本实用新型实施例的一种甲醇基燃料高压供料设备的增压系统的流程示意图；

图4是根据本实用新型实施例的一种甲醇基燃料高压供料设备的电控系统的示意图。

图中：

1、水罐；2、甲醇罐；3、二甲醚罐；4、预增压系统；5、混合计量系统；6、增压系统；7、发动机；8、混合器；9、开关阀一；10、开关阀二；11、开关阀三；12、流量控制器一；13、流量控制器二；14、流量控制器三；15、增压泵；16、安全阀；17、缓冲罐；18、背压阀；19、PLC控制器；20、输入模块；21、输出模块；22、工控机；23、传感器单元。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据本实用新型的实施例，提供了一种甲醇基燃料高压供料设备。

如图1-3所示，根据本实用新型实施例的一种甲醇基燃料高压供料设备，包括分别设有醇、水和二甲醚的甲醇罐2、水罐1以及二甲醚罐3，所述甲醇罐2和水罐1均连接有预增压系统4，所述二甲醚罐3连接有混合计量系统5，所述预增压系统4与所述混合计量系统5相连接，所述混合计量系统5依次与增压系统6和发动机7相连接，并且，所述增压系统6和预增压系统4均连接有压缩空气装置。 

所述预增压系统4由两台气动隔膜泵组成，所述气动隔膜泵下游配置有蓄能器，起到稳定下游压力作用，可以更好的保证流量控制器测量精度。

由于设置有二甲醚的二甲醚罐3内自身具有饱和蒸汽压，常温20℃时压力为0.5MPa，为了使二甲醚、甲醇和水顺利充分混合，需要将甲醇罐2内的甲醇和水罐1内的水增压至0.5MPa，通过预增压系统4进行实现，所述预增压系统4包括气动隔膜泵，所述气动隔膜泵将甲醇和水增压至0.5MPa，气动隔膜泵的优点是压缩空气驱动，无需用电，压力可平稳输出，压力波动较小。

所述混合计量系统5包括混合器8，所述混合器8连接有相并联的开关阀一9、开关阀二10和开关阀三11，所述开关阀一9、开关阀二10以及开关阀三11分别通过流量控制器一12、流量控制器二13以及流量控制器三14连接水罐1、甲醇罐2以及二甲醚罐3；所述流量控制器一12、流量控制器二13以及流量控制器三13均包括流量计、流量控制阀以及比例/积分/微分PID反馈装置。

所述混合计量系统5主要由5台流量控制器和配套的阀门管件，混合器8组成，流量控制器可精确控制各个介质种类的流量值；所述混合器8可以保证甲醇、二甲醚和水更充分更均匀的行程混合燃料，在发动机7内燃烧时燃烧值更高，并且有助于降低尾气排放中的污染物含量。

由于甲醇是燃料测试系统的主燃料，二甲醚和水的混合比例都是以甲醇的流量为基数，再乘以适当的比例系数进行混合配比，测试二甲醚和水的各个混合比例下的燃烧特性，从而得出最优混合配比。

甲醇的流量控制是通过所述流量控制器二13来完成的，所述流量控制器二13是将质量流量计和流量调节阀集成为一体，并且所述流量控制器二13内部还设有PID反馈装置，通过PID反馈装置来实时调整流量值，具有反应时间快，流量更准确的效果。

其中，流量控制器的流量指令是通过电控系统的界面输入的，同时还可以输入水和二甲醚的混合比例系数，输入完成后，系统运行时流量控制可根据甲醇的实际流量随时调整水和二甲醚的流量值。

这种实时的在线式比例混合系统，比传统的混合系统反应速度更快，混合更均匀，并且避免了物料的浪费，节省成本。

所述增压系统6包括增压泵15，所述增压泵15连接有经混合器8混合后的燃料，并且所述增压泵15连接发动机7，所述发动机7通过背压阀18连接混合燃料回流装置；所述增压泵15与发动机7之间并联连接有安全阀16和缓冲罐17；所述增压泵15为气动增压泵，所述背压阀18为电控式背压阀。

所述增压系统6主要包括气动增压泵，背压阀18，安全阀16，泄压阀和仪表；所述增压系统6主要为下游发动机7提供高压燃料，并随时补充燃料消耗；所述背压阀18的作用可以将进入发动机7的高压燃料的压力波动控制在2%。

所述增压系统6是将混合后的甲醇基混合燃料通过气动增压泵增压至内燃机（柴油机）需要的工作压力，并在下游内燃机（柴油机）消耗燃料后迅速补充燃料，所述增压系统6主要是通过气动增压泵和电控式背压阀来实现具体的功能的。

其中，所述气体增压泵具有以下特点:（1）压缩介质驱动：无产生热、火星和火花危险；（2）入口压力范围宽：可以任意调节驱动频率和输出流量，及进气口压力；（3）易实现自动控制：增压设备预留有外控端口，当外控端口中有控制信号时，增压设备才有正常工作的可能，因此，利用外控口配合控制元件，可以轻松实现增压设备在任何预定压力下自动停机；设备在停机期间无能耗、不产生热量；（4）可以连续停／开机，无限制，无不利影响。

相对与电动泵，气动增压泵具有安全可靠，无需用电，极大的降低了测试现场的危险性的优点，并且气动增压泵可频繁带压启停，更符合测试系统的实际使用情况。

所述电控式背压阀具有以下特点：为了测试甲醇基燃料的燃烧特性，要求测试精度较高，下游的压力波动都会对发动机7的油耗以及燃烧特性造成影响，为了尽可能的保持进入发动机7的压力稳定，通过增设的电控式背压阀，可根据下游实时压力值调节背压阀，在测试不同压力下的工作情况时无需人工操作，精度更高。

所述发动机7与增压系统6之间设有自动冷却装置。

如图4所示，本装置还设有电控系统，所述电控系统包括PLC控制器19，所述PLC控制器19分别连接有输入模块20、输出模块21和工控机22，所述输入模块20连接传感器单元23，所述输出模块21连接流量控制器；本装置通过电控系统可以在远程操作系统所有元件的启停，并监控元件的实时工作状况；一旦出现紧急情况，系统可自动停机。

所述PLC控制器19作为该系统的核心接收来自传感器单元23的电信号，经过转换计算然后通过输出模块21控制每一部分的电磁阀和流量计，以达到流量和压力的控制要求；PLC空气器19选用欧姆龙CP1H-X40DRA系列的PLC，欧姆龙系列的PLC在工业控制领域使用的非常广阔，技术非常的成熟。这使得设备在运行的时候很稳定，抗干扰能力很强。电控系统的硬件还包括传感单元，输出模块，继电器等。

所述传感器单元23是由传感器组成，包括压力，温度，流量，重量等不同类型的传感器，把系统中的物理信号转换为电信号，传输到PLC控制器19中。

具体使用时，该系统主要是用甲醇混合燃料（主要成分是甲醇、水和二甲醚）来代替传统的柴油作为燃料在发动机内燃烧，测试甲醇混合燃料的燃烧特性并评估混合燃料代替传统燃料的安全性、经济性和可行性分析，主要包括水罐1、甲醇罐2、二甲醚罐3、预增压系统4、混合计量系统5以及增压系统6组成；甲醇罐2和水罐1内的介质通过预增压系统4增压（压缩空气通过压缩空气装置进入到预增压系统4中，作为动力源）稳压；所述预增压系统4的作用是水和甲醇在进入混合计量系统之间保持一定的压力，以克服介质在计量和管路内的阻力，并保持一定的流动速度；二甲醚不需要进行预增压是因为二甲醚本身的物理特性（易挥发）决定了二甲醚罐体内部自带一定的压力。

预增压后的水和甲醇进入混合计量系统5后，与二甲醚按照一定的比例（比例可调节）进行在线式混合，各个介质混合后经过混合器8搅拌均匀后进入增压系统6；混合计量系统5的主要部件是带控制器的流量传感器，通过这种传感器可以实时控制水、甲醇和二甲醚的流量，可以保证在管路内的混合燃料的成分可调，流量可调，并且不会造成混合燃料的浪费。

所述混合计量系统5与现在已有的混合系统的独创之处在于：使用流量控制传感器来代替现有的储罐式燃料混合法，流量控制器内部集成了流量计和流量控制阀，并且内部自带PID反馈控制，可以根据流量控制流量计的目标指令自动调节流量控制阀的开度，并通过流量计的反馈值来调节该开度值，从而达到控制流量和测量流量的双重目地。

经过搅拌均匀的混合燃料进入增压系统6增压至发动机目标值（100MPa）并在发动机7不停消耗混合燃料的情况下保持压力输出稳定，所述增压系统6的工作原理是利用压缩空气为动力将混合燃料增压至发动机目标值，但是由于气动增压泵的特性以及下游发动机7的不停消耗，实际运行时增压系统出口压力一直在波动；为保持增压系统6出口压力稳定，我们在增压系统6的出口处增加了一个电控背压阀，在增压系统6和发动机7内燃料压力超过背压阀18的设定值时，背压阀18可以打开泄压，直至增压系统6和发动机7内燃料压力不超过背压阀18设定值；在增压系统6实际运行时，增压系统6中的气动增压泵的压力和流量均大于发动机7的需求值，背压阀18一直处于打开状态，整个系统处于一种动态的平衡中；可以保持增压系统6以及发动机7内混合燃料的压力稳定，并且当发动机7测试需要更换测试压力值时，只需要改变电控背压阀的设定值，增压系统6即可在新的压力情况下继续测试。

本装置的全部硬件均安装在四个独立的单元底撬上，底撬设有叉车孔，以方便设备移动；每一个单元内部又包含一些小的模块，这些小的模块固定于单元底撬上，可以灵活拆装，方便设备的维护维修；单元箱体外壳采用柜式制作，外部烤漆处理，开门方便，以方便内部模块的安装或维修。

所有单元内部管道采用不锈钢制造（除部分驱动气管路），以防止水的锈蚀；机箱材料进行防锈处理，无锈蚀，无镀层脱落，机箱内外蒙皮光滑平整，无任何脱层翘曲；机箱体内各电气回路对地及相互间的绝缘电阻值，在环境温度15~35℃，空气相对湿度45％~75％时，不小于20MΩ；各独立电气回路及相互间能承受50Hz，交流电压1000V，历时1min无击穿闪络现象；各单元箱体便于安装和拆卸。其门、窗可靠闭锁，设备运行时不会自动打开，机箱内板壁采用低传热材料，表面光滑、平整、无明显凹凸。

系统管道符合流程图要求，管道布置美观、合理，安装牢固，易于拆卸、维修、更换，管道有良好的气密性，在1.05倍设计压力下作气密试验历时5min应无渗漏现象，凡需要检查、维修、分解、修理的零部件都具有良好的可达性，并根据人体量度，提供适当的维修空间，使维修人员有比较合理的维修姿态。

本装置进行了模块化划分，各模块具有一定的独立性，提高了产品的互换性、维修性，同时也节约了研制成本；并成功的采用了目前世界上先进的气动增压的方法，该方法的流程先进、简单，主机性能优良、配套齐全，原材料、元器件、零部件和配套设备的货源、质量有保证，并具有电机所不可比拟的防爆性能；整套系统自动化程度高，操作简便，维修方便，启动时间短，工作安全，稳定可靠，全套装置具有较完善的自动监视系统和可靠的安全保证系统，提高了系统的安全可靠性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种甲醇基燃料高压供料设备，包括分别设有醇、水和二甲醚的甲醇罐（2）、水罐（1）以及二甲醚罐（3），其特征在于，所述甲醇罐（2）和水罐（1）均连接有预增压系统（4），所述二甲醚罐（3）连接有混合计量系统（5），所述预增压系统（4）与所述混合计量系统（5）相连接，所述混合计量系统（5）依次与增压系统（6）和发动机（7）相连接，并且，所述增压系统（6）和预增压系统（4）均连接有压缩空气装置。

2.根据权利要求1所述的甲醇基燃料高压供料设备，其特征在于，所述混合计量系统（5）包括混合器（8），所述混合器（8）连接有相并联的开关阀一（9）、开关阀二（10）和开关阀三（11），所述开关阀一（9）、开关阀二（10）以及开关阀三（11）分别通过流量控制器一（12）、流量控制器二（13）以及流量控制器三（14）连接水罐（1）、甲醇罐（2）以及二甲醚罐（3）。

3.根据权利要求2所述的甲醇基燃料高压供料设备，其特征在于，所述流量控制器一（12）、流量控制器二（13）以及流量控制器三（13）均包括流量计、流量控制阀以及比例/积分/微分PID反馈装置。

4.根据权利要求1所述的甲醇基燃料高压供料设备，其特征在于，所述增压系统（6）包括增压泵（15），所述增压泵（15）连接有经混合器（8）混合后的燃料，并且所述增压泵（15）连接发动机（7），所述发动机（7）通过背压阀（18）连接混合燃料回流装置。

5.根据权利要求4所述的甲醇基燃料高压供料设备，其特征在于，所述增压泵（15）与发动机（7）之间并联连接有安全阀（16）和缓冲罐（17）。

6.根据权利要求4所述的甲醇基燃料高压供料设备，其特征在于，所述增压泵（15）为气动增压泵。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的甲醇基燃料高压供料设备，其特征在于，所述发动机（7）与增压系统（6）之间设有自动冷却装置。