CN208605324U - 一种节能中低压天然气燃料供给系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种节能中低压天然气燃料供给系统，利用船上发动机排烟、缸套水的余热，通过氮气热交换器(9)，加热位于膨胀及液化腔(2)内的工作介质二氧化碳，再利用低温的LNG通过冷却器(8)液化工作介质二氧化碳，从而驱动气动单作用往复压力机(1)中活塞往复运动，将加压腔(3)内的LNG压缩到中低压天然气发动机工作压力范围，向发动机供气。本实用新型的驱动能源主要来自于船上发动机排烟、缸套水的余热和LNG冷能，仅有少量辅助设备如管路控制阀和风机等使用电力，从而比其他天然气燃料供给系统节省大量电力消耗、大幅减少天然气燃料的消耗。

Description

一种节能中低压天然气燃料供给系统

技术领域

本发明涉及船舶发动机的燃料供给系统，更具体的说，涉及一种节能中低压天然气燃料供给系统，该系统可利用船上发动机排烟、缸套水的余热作为主要能源。

背景技术

由于低温贮罐内的LNG的日蒸发率约为0.3％，这部分蒸发气体简称BOG。LNG罐内液下泵运行时部分机械能转化为热能，这都会使罐内LNG气化产生闪蒸气，这些闪蒸气就是BOG气体。

液化天然气已经开始成为船舶使用的燃料之一，作为发动机燃料的天然气需要被加压到35bar-45bar之后才能够供中低压天然气发动机使用，用于中低压天然气发动机燃料供给系统也是多种多样，供给系统的能耗情况也是各不相同。主要的中低压天然气发动机燃料供给方式为中低压压缩机供给方式，这些设备都是电机驱动，它们都要消耗船舶电站发出的电力，也就是说在供给气体的过程中都要将电力作为主要能源，导致了船舶燃料的消耗。

发明内容

本发明旨在提供一种节能中低压天然气燃料供给系统，即在使用中低压天然气发动机的船舶中，利用船上发动机排烟、缸套水的余热作为主要能源，即可以实现将燃料LNG加压到可供中低压发动机使用的压力范围内。

为了达到上述目的，本发明提供一种节能中低压天然气燃料供给系统，包括多个内部设有活塞的气动单作用往复压力机，所述活塞将所述气动单作用往复压力机分割成膨胀及液化腔和加压腔两部分；所述膨胀及液化腔内部设有冷却器及工质加热器，所述工质加热器的进口与氮气热交换器的氮气出口通过管路相连接，并在所述管路上设置氮气风机，所述氮气热交换器的氮气进口与工质加热器的出口通过管路连接；所述氮气热交换器还包括热源侧，所述热源侧的进口和出口分别与排烟热交换器的水侧出口和进口连接；所述烟气热交换器的烟气侧接入发动机的排烟系统；每个所述加压腔的进口分成两路，其中一路与设置于LNG储存舱底部的LNG供给泵的出口相连，另一路与BOG压缩机的出口相连，所述BOG压缩机的进口通过管路连接在所述LNG储存舱的顶部；每个所述活塞依次动作，对所述加压腔内部的天然气进行加压，所述加压腔内部的天然气被加压后分成两路，其中一路作为冷源通向正在对所述膨胀及液化腔进行冷却的所述冷却器，另一路与所述冷却器的出口汇聚到一路后通向LNG储存蓄能罐；所述冷却器的出口LNG储存蓄能罐的出口通过管路与LNG加热器的进口相连；

上述一种节能中低压天然气燃料供给系统，优选方式下，所述活塞包括位于两端的活塞体，以及连接在两个所述活塞体之间的连接杆。

上述一种节能中低压天然气燃料供给系统，优选方式下，所述LNG加热器的内部加装有乙二醇加热工质。

本发明一种节能中低压天然气燃料供给系统，在使用中低压天然气发动机的船舶中，利用船上发动机排烟、缸套水的余热，经过氮气热交换器，加热工作介质二氧化碳，再利用LNG低温液化工作介质二氧化碳，从而驱动气动单作用往复压力机中活塞将LNG压缩到中低压天然气发动机工作压力范围，向发动机供气。本发明驱动能源主要来自于船上发动机排烟、缸套水的余热和LNG冷能，仅有少量辅助设备如管路控制阀和风机等使用电力，从而比其他天然气燃料供给系统节省大量电力消耗、大幅减少天然气燃料的消耗。

附图说明

图1是本发明一种节能中低压天然气燃料供给系统原理示意图；

图2是本发明上方的气动单作用往复压力机压缩LNG时的示意图；

图3是本发明下方的气动单作用往复压力机压缩LNG时的示意图。

图中，1、气动单作用往复压力机，2、膨胀及液化腔，3、加压腔，4、活塞，5、LNG储存蓄能罐，6、LNG加热器，7、工质加热器，8、冷却器，9、氮气热交换器，11、LNG储存舱，12、LNG供给泵，13、BOG压缩机，14、加热器出口，15、排烟热交换器，16、排烟进口，17、排烟出口，18、氮气风机。

具体实施方式

如图1所示，一种节能中低压天然气燃料供给系统，包括多个内部设有活塞4的气动单作用往复压力机1，所述活塞4将所述气动单作用往复压力机1分割成膨胀及液化腔2和加压腔3两部分；在本实施例中，设有两个气动单作用往复压力机1。

所述膨胀及液化腔2内部设有冷却器8及工质加热器7，所述工质加热器7的进口与氮气热交换器9的氮气出口通过管路相连接，并在所述管路上设置氮气风机18，所述氮气热交换器9的氮气进口与工质加热器7的出口通过管路连接；所述氮气热交换器9还包括热源侧，所述热源侧的进口和出口分别与排烟热交换器15的水侧出口和进口连接；所述烟气热交换器15的烟气侧接入发动机的排烟系统；

每个所述加压腔3的进口分成两路，其中一路与设置于LNG储存舱11底部的LNG供给泵12的出口相连，另一路与BOG压缩机的出口相连，所述BOG压缩机的进口通过管路连接在所述LNG储存舱11的顶部；

如图1-图3所示，每个所述活塞4依次动作，对所述加压腔3内部的天然气进行加压，所述加压腔3内部的天然气被加压后分成两路，其中一路作为冷源通向正在对所述膨胀及液化腔2进行冷却的所述冷却器8，另一路与所述冷却器8的出口汇聚到一路后通向LNG储存蓄能罐5；连接管路处设有截止止回阀。

所述LNG储存蓄能罐5的出口通过管路与LNG加热器6的进口相连，所述加热器6内部加装有乙二醇加热介质。在如图1-图3所示的实施例中，两个气动单作用往复压力机1交替工作，互相提供冷态的LNG。

如图1所示，氮气热交换器9包括淡水或水蒸气侧、氮气侧和氮气风机18，余热淡水或水蒸气进入淡水或水蒸气侧，氮气侧由氮气风机18进行强制循环，与余热淡水或水蒸汽进行热交换，获取到热量后的氮气通向位于气动单作用往复压力机1上的膨胀及液化腔2内部的工质加热器7，加热膨胀及液化腔2内部的工作介质二氧化碳。作为工作介质的二氧化碳被加热气化，二氧化碳膨胀推动活塞4向另一侧运动；位于活塞4的另一侧为加压腔3，加压腔3内部的LNG被压缩至35bar-45bar的工作压力。

上文所述的余热淡水的热量来自于接入发动机排烟系统的排烟热交换器15，烟气从排烟热交换器15的排烟进口16流入，对内部的淡水进行加热后从排烟出口17流出。在排烟的热量不够时，可以直接通过蒸汽管路向氮气热交换器9的淡水或水蒸气侧通入蒸汽。

膨胀及液化腔2再利用LNG的低温将工作介质二氧化碳液化。冷却器8位于膨胀及液化腔2内部，冷却器8与另一个气动单作用往复压力机1的加压腔3的出口相连，用于交替获得LNG冷能。低温LNG通向位于膨胀及液化腔2内部的冷却器8后，作为工质的二氧化碳被冷却液化，使膨胀及液化腔2压力下降，牵引所述活塞4运动，同时加压腔3由BOG压缩机13以及LNG供给泵12加压，也同时推动活塞4运动。两个气动单作用往复压力机1交替运动，使冷却器8能够交替获得LNG的冷能。

如图2所示为气动单作用往复压力机1对加压腔3内的天然气进行加压的工作过程，此时，其中一个气动单作用往复压力机1的膨胀及液化腔2内部的二氧化碳被工质加热器7加热膨胀，推动活塞4移动，活塞4对加压腔3内的天然气进行压缩，与此同时，被加压的天然气有一部分输送到另一个气动单作用往复压力机1内部的冷却器8内，对膨胀及液化腔2内部的二氧化碳进行冷却，二氧化碳液化使膨胀及液化腔2内部的压力减小，拉动活塞往回移动。

位于LNG储存舱11底部的LNG供给泵12将液态的LNG输送到加压腔3内，BOG压缩机将LNG储存舱11顶部的气态BOG输送至加压腔3内，加压腔3对内部的LNG及BOG进行压缩，经过压缩后的液态天然气一部分流向另一个气动单作用往复压力机1内的冷却器8，为其提供冷能，一部分则流向LNG储存蓄能罐5，LNG储存蓄能罐5用来接收LNG并缓冲管路压力，LNG流经LNG储存蓄能罐5后流入LNG加热器6，LNG加热器6用于将气动单作用往复压力机1压缩后的液态天然气加热至适于发动机使用的工作温度的气态天然气，从加热器出口14通向发动机，供中低压发动机燃烧使用。

如图2、图3所示，两个气动单作用往复压力机交替运动，正在被加压的LNG一部分通向另一个气动单作用往复压力机的冷却器8内，对膨胀及液化腔2内的二氧化碳进行冷却，使其液化，这样两个气动单作用往复压力机交替获得冷能，使系统能够持续运转。

LNG储存蓄能罐5用于接收、短时储存LNG、缓冲供给管路压力；LNG储存蓄能罐5，设置一个，容积为一立方米，其入口通过管路与所述两个气动单作用往复压力机1的LNG或BOG加压腔3的出口相连，连接管路设有截止止回阀；用于与气动单作用往复压力机1隔离。

LNG储存蓄能罐5的出口管路连接LNG加热器6，LNG加热器6用于将所述气动单作用往复压力机1压缩后进入LNG储存蓄能罐5的液态天然气加热至适于发动机使用的工作温度的气态天然气，供中低压发动机燃烧使用。LNG加热器6内部的加热介质为乙二醇。本系统提供的天然气工作压力为35bar-45bar。

气动单作用往复压力机1的工作过程如下，膨胀及液化腔2利用发动机缸套水和主机排烟余热加热的水将工作介质二氧化碳加热汽化，再利用LNG的低温将工作介质二氧化碳液化；活塞4利用膨胀及液化腔2和加压腔3压差进行往复运动；活塞4往复运动对加压腔3内的LNG或BOG压缩至发动机工作压力范围，对膨胀及液化腔2内工作介质二氧化碳进行液化。

LNG储存蓄能罐5用于接收LNG、缓冲供给管路压力，其入口与两个气动单作用往复压力机1的加压腔3相连。

LNG加热器6用于将气动单作用往复压力机1压缩后的液态天然气加热至适于发动机使用的工作温度的气态天然气，供中低压发动机燃烧使用。

经过氮气热交换器9后，加热工作介质二氧化碳，再利用LNG低温液化工作介质二氧化碳，从而驱动气动单作用往复压力机1的活塞将LNG压缩到中低压天然气发动机工作压力范围，向该发动机供气，系统不以电力作为主要能源从而产生节能效果。根据本发明，所提供的用于向中低压天然气发动机燃料供给系统包括：氮气热交换器9，用于将以水为介质的发动机排烟、缸套水的余热转换为以氮气为介质的余热；气动单作用往复压力机1，用于将发动机排烟、缸套水的余热，加热工作介质二氧化碳，再利用LNG低温液化工作介质二氧化碳，工作介质二氧化碳在膨胀及液化腔2内膨胀及液化，驱动活塞4往复运动，对加压腔3内的LNG或BOG压缩至35bar-45bar的发动机工作压力范围；LNG储存蓄能罐5，用于接收LNG、缓冲供给管路压力；LNG加热器6用于将所述气动单作用往复压力机1中压缩后的天然气加热至适于发动机使用的工作温度。

在如图2所示的工作过程中，上方的往复压力机，二氧化碳气化驱动活塞使LNG增压，下置往复压力机，二氧化碳液化驱动活塞在35bar-45bar的LNG驱动左移；图3所示工作过程，上置往复压力机，二氧化碳液化驱动活塞在35bar-45bar的LNG驱动左移，下置往复压力机，二氧化碳气化驱动活塞使LNG增压。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种节能中低压天然气燃料供给系统，其特征在于，包括多个内部设有活塞(4)的气动单作用往复压力机(1)，所述活塞(4)将所述气动单作用往复压力机(1)分割成膨胀及液化腔(2)和加压腔(3)两部分；

所述膨胀及液化腔(2)内部设有冷却器(8)及工质加热器(7)，所述工质加热器(7)的进口与氮气热交换器(9)的氮气出口通过管路相连接，并在所述管路上设置氮气风机(18)，所述氮气热交换器(9)的氮气进口与工质加热器(7)的出口通过管路连接；

所述氮气热交换器(9)还包括热源侧，所述热源侧的进口和出口分别与排烟热交换器(15)的水侧出口和进口连接；所述排烟热交换器(15)的烟气侧接入发动机的排烟系统；

每个所述加压腔(3)的进口分成两路，其中一路与设置于LNG储存舱(11)底部的LNG供给泵(12)的出口相连，另一路与BOG压缩机的出口相连，所述BOG压缩机的进口通过管路连接在所述LNG储存舱(11)的顶部；

所述加压腔(3)的出口管路分成两路，其中一路作为冷源通向正在对所述膨胀及液化腔(2)进行冷却的所述冷却器(8)，另一路与所述冷却器(8)的出口汇聚到一路后通向LNG储存蓄能罐(5)；所述LNG储存蓄能罐(5)的出口通过管路与LNG加热器(6)的进口相连。

2.根据权利要求1所述一种节能中低压天然气燃料供给系统，其特征在于，所述活塞(4)包括位于两端的活塞体，以及连接在两个所述活塞体之间的连接杆。

3.根据权利要求1或2所述一种节能中低压天然气燃料供给系统，其特征在于，所述LNG加热器(6)的内部加装有乙二醇加热工质。